大型水泵機組變工況方式的選擇

0按水泵揚程的變工況運行水生百合工程是國家重點工程。分層站總安裝功率為1117.7w。年運營時間超過5000小時，年運營成本30.40億元。項目影響廣泛，運營成本高，尤其是分級泵站。如果同時出現問題，將影響整個項目的正常運行。另一方面,泵站每提高1%的運行效率,每年即可節省數千萬元的運行費用。因此,工程要求泵站在保證運行可靠性的前提下,提高運行效率,降低調水成本。由于工程梯級泵站情況各不相同,有些泵站揚程變化頻繁,泵站機組在相當一部分時間內偏離高效區運行,運行費用增加。而根據泵站揚程的變工況經濟運行是提高泵站運行效率的有效途徑。因此,在規劃設計選型階段要根據經濟運行和起動、停機及正常運行的需要,正確合理確定各級泵站的變工況運行方式,在運行階段正確實施運行方案。1機組運行維護大型水泵工況調節方法有:變葉輪葉片角、變頻調速、采用雙速電動機和可調前導葉角等。工況調節的主要作用有:①經濟運行;②減小機組起動功率,防止過載;③減小機組運行功率,防止過載;④調節流量(如增大排澇流量);⑤安全停機斷流。Szychta分析了泵裝置效率與流量、揚程和轉速之間的關系,提出了裝置效率與這些參數之間的函數關系,提出了一種自動控制系統,根據泵裝置運行揚程,通過變速調節使裝置效率最高。1.1機械全調節機構大型水泵一般采用葉片全調節方式。葉片全調節機構費用占水泵設備費用的1/3～1/4左右,液壓全調節系統包括調節機構、油壓裝置、中壓壓縮空氣系統,設備費用大于機械全調節機構。葉片全調節機構可用于調小葉片角,減小機組起動轉矩(限于運行全調節);正常運行時調至小角度運行,保證電機不過載(如江蘇皂河泵站葉輪直徑5.7m立式蝸殼式混流泵配7000kW電機);調大葉片角,增大抽水流量。如表1,水泵調至最大正角度運行,流量可增大15%～20%。油壓式調節機構可靠性高,耐久性好,但系統復雜,管理操作煩瑣。機械式調節機構結構緊湊,操作簡便,是發展趨勢,目前己廣泛使用,但可靠性還有待提高。葉片調節方式比較如表2所示。1.反滲透水泵采用機械全調節方式的泵葉輪直徑0.85m以下的水泵輪轂和軸頸較小,設置全調節機構較為困難,一般做成半調節式。半調節機構簡單、成本低、可靠性好,若泵站起動要求不高,運行揚程變化不大,則對葉片調節功能要求不高,更大的水泵(葉輪直徑可達3m左右)也可采用半調節式。停機全調節在機組不運行時由人工調節,一般用于葉輪直徑1～1.4m的水泵。液壓式全調節因采用油壓裝置,系統復雜,輔助設備多,設備費用高,運行操作、管理維護煩瑣,2.0m以下的水泵一般不采用,常用于2.0m以上的水泵。與液壓式葉片調節方式相比,機械式運行全調節機構調節力較小,但設備緊湊、費用少,管理方便,主要用于1.5～2.0m的水泵,若揚程不高,葉輪設計合理,要求調節力不大,也可用于3.0m左右的水泵。如江蘇省劉老澗泵站采用3.1m立式軸流泵,設計揚程4.2m,采用了機械式運行全調節,在3m以上的大泵上采用機械式全調節,這是首次,但可靠性有待提高。不同葉輪直徑的水泵可選用的葉片調節方式如表3所示。機械式全調節是發展方向,但要應用到更大及較高揚程的水泵,則應從機構合理設計和減小需要調節力方面進行研究,提高其可靠性。油壓式葉片調節方式雖然需要油壓裝置,系統復雜,但因其可靠性高,調節量大,技術成熟,在機械式可靠性沒有很好解決的情況下,對葉輪直徑3.5m以上的水泵目前仍是首選。2.機組撞擊按泵站特點選擇葉片調節方式如表4所示。葉輪直徑為0.87～3.1m的水泵,葉片調節方式有2種或3種選擇,選擇哪一種,根據泵站特點和要求確定。根據水泵葉片調節的作用,不同泵站對葉片調節功能的要求也不相同。軸流泵站為保證不因起動、停機或誤操作閉門而致電機過載燒損,一般采用虹吸式出水流道,但因起動時出水需翻越駝峰,而此時駝峰真空還未形成,正常起動揚程較大。為減小起動揚程和電機起動功率,減輕機組起動振動,可以調小葉片角度起動,穩定運行后再調至正常角度,葉輪直徑在1.5m以上的水泵需采用運行全調節。年運行時間較短的泵站,運行費用和裝置效率為次要因素,一般不進行變角經濟運行,初次投資為主要因素。如果采用平直管出水,機組起動揚程不是很高,達不到不穩定區,則即使較大的水泵,仍可采用半調節葉輪。如安徽省鳳凰頸泵站葉輪直徑3.1m的軸流泵仍采用半調節,與液壓式全調節相比,節省了水泵費用的1/4～1/3和兩套油壓裝置。泵站年運行時間較長,運行費用大,則泵裝置效率為主要因素,若進出水水位經常變化,為提高裝置效率,實現變角經濟運行,宜采用全調節水泵。1.2交流交流變頻裝置城鎮自來水廠因其運行時間長,較早應用變頻調速經濟運行,一般變頻裝置功率不大。隨著變頻裝置功率及其可靠性的提高,使得大型泵站變頻調速經濟運行成為可能。利用變頻裝置還可低速起動,低速停機,減小功率,提高機組運行的安全可靠性。1.3水泵調節機構造價針對水庫不同季節的調蓄水位,深圳向香港供水的東深供水工程泵站采用了雙速電機,水泵裝置具有兩個不同揚程的高效區,裝置效率明顯提高。但電機造價增加,不能連續調節,且需停機改變電機接線,沒有改善機組起動和停機性能。水泵葉輪葉片調節機構造價高,葉片根部密封易失效,液壓調節方式操作維護難,機械調節方式可靠性低,不宜頻繁調節。德國KSB公司設計生產的具有可調前導葉的立式導葉式混流泵,機構簡單可靠,造價低。由于可調前導葉水泵等效率線長軸基本與流量-揚程曲線平行,因而泵站揚程變化對效率的影響不大,即用于針對揚程變化的泵站經濟運行的效果并不顯著。2梯級泵站及水泵規格大型泵站機組工況調節方式的選用主要取決于機組起動、運行特性、泵站形式、泵站水位及揚程情況和運行時數長短。南水北調東線工程應根據泵站和機組特點,在滿足技術和使用要求的前提下,選擇可靠性好、成本低的工況調節方式。本工程黃河以南輸水干線全長651km,設13級泵站,經洪澤湖、駱馬湖、微山湖和東平湖等調蓄湖泊。如圖1,根據水位、揚程情況,梯級泵站可分為源頭站、中間站、進湖站和出湖站。由于本工程設計年運行時數5000h以上,年運行時間長,運行費用大,梯級泵站應該實現優化調度和經濟運行,因此,機組工況調節方式同時應能滿足經濟運行的要求。根據我國40多年大型泵站應用情況,從經濟性、可靠性和技術性各方面綜合考慮,本工程梯級泵站宜選用葉輪直徑為2.5～3.1m左右的混流泵和軸流泵。軸流泵在高揚程、小流量區域運行時,功率較大,且存在不穩定工況區。如果采用直管出水、快速閘門斷流,機組起動過程中的啟門時間及速度、停機過程中的閉門時間和速度難以掌握,特別是誤操作,容易造成閉門運行而過載,損壞機組。如某軸流泵站因操作電源失電引起流道閉門誤操作,造成泵站所有機組電機燒毀的重大事故。因此,軸流泵宜采用虹吸式出水流道,雖然起動揚程較大,但可以避免發生閉門運行。由于混流泵具有流量-功率曲線平緩、高效區范圍寬等優點,因此本工程應優先選用。采用混流泵的泵站,由于不存在閉門過載問題,宜采用水力損失較小的平直管出水流道,快速閘門斷流。2.1控制合理的限制揚程變化,設置交流推動液壓系統本工程源頭泵站從江蘇省境內長江三江營附近取水,取水點距長江入海口較近,受海水潮位影響明顯,一天兩次高潮、兩次低潮。根據泵站取水點附近上下游水文站實測資料內插,1951～1998年6～9月份,月平均最高和最低潮位如表5,平均潮位差達2.353m。源頭泵站可以根據揚程變化情況,實現變角經濟運行。由于前池水位受潮位影響,泵站揚程變化頻繁,要求頻繁調節葉片角度,葉片根部與輪轂之間的“λ”型橡皮密封極易損壞,造成輪轂腔內用于密封潤滑的油體泄漏污染水質和環境,或輪轂腔進水引起葉片調節操作機構銹蝕受損。因此,水泵葉片不宜頻繁調節。源頭泵站宜設置變頻裝置,實現變速經濟運行,經濟上是合理的,技術上也是可行的。以江蘇省泰州引江河口高港泵站設2000kW變頻裝置為例,設備及安裝調試費用約需110萬元,按年運行5000h計算,3至4年所節省的電費即可收回增加的設備投資。通常,大型泵站變速經濟運行效果好于變角經濟運行。如果實現變速-變角綜合經濟運行,泵裝置效率還可再提高1～6個百分點(如圖2),節能效果十分明顯。而且,泵站還可利用變頻裝置實現機組低速起動和低速停機,防止電機過載,提高安全可靠性。2.2按水泵揚程調節本工程梯級泵站的中間泵站通過輸水河道與上、下梯級泵站相連,對確定的輸水河道,其運行揚程與上級泵站出水池水位和下級泵站前池水位及輸水流量有關。因此,泵站揚程可以進行調節控制。采用運行全調節葉輪,基本能夠滿足泵站經濟運行和機組無過載起動、停機的需要。由于泵站揚程變化頻度低,葉片調節次數少,葉輪直徑3.0m左右及以下的水泵宜采用機械式運行全調節機構,以節省設備投資,簡化運行管理,同時可靠性也能保證。2.3水泵揚程變積比為510進湖泵站前池和出湖泵站出水池分別通過河道直接與上級泵站和下級泵站相連,其水位可以控制基本不變,進湖泵站出水池和出湖泵站前池與調蓄湖相連,其水位隨不同季節的調蓄水量而變,因而泵站揚程變化較大,但不頻繁,采用變頻調速和變角都可以實現經濟運行和機組安全起動、停機,變頻調速經濟運行效果更為顯著,但設備成本較高。幾種變工況運行方式比較如表6。3按水泵流量為導向,采用交流變工況運行南水北調東