大型水泵機(jī)組變工況方式的選擇

0按水泵揚(yáng)程的變工況運(yùn)行水生百合工程是國家重點(diǎn)工程。分層站總安裝功率為1117.7w。年運(yùn)營時(shí)間超過5000小時(shí)，年運(yùn)營成本30.40億元。項(xiàng)目影響廣泛，運(yùn)營成本高，尤其是分級(jí)泵站。如果同時(shí)出現(xiàn)問題，將影響整個(gè)項(xiàng)目的正常運(yùn)行。另一方面,泵站每提高1%的運(yùn)行效率,每年即可節(jié)省數(shù)千萬元的運(yùn)行費(fèi)用。因此,工程要求泵站在保證運(yùn)行可靠性的前提下,提高運(yùn)行效率,降低調(diào)水成本。由于工程梯級(jí)泵站情況各不相同,有些泵站揚(yáng)程變化頻繁,泵站機(jī)組在相當(dāng)一部分時(shí)間內(nèi)偏離高效區(qū)運(yùn)行,運(yùn)行費(fèi)用增加。而根據(jù)泵站揚(yáng)程的變工況經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是提高泵站運(yùn)行效率的有效途徑。因此,在規(guī)劃設(shè)計(jì)選型階段要根據(jù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和起動(dòng)、停機(jī)及正常運(yùn)行的需要,正確合理確定各級(jí)泵站的變工況運(yùn)行方式,在運(yùn)行階段正確實(shí)施運(yùn)行方案。1機(jī)組運(yùn)行維護(hù)大型水泵工況調(diào)節(jié)方法有:變?nèi)~輪葉片角、變頻調(diào)速、采用雙速電動(dòng)機(jī)和可調(diào)前導(dǎo)葉角等。工況調(diào)節(jié)的主要作用有:①經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;②減小機(jī)組起動(dòng)功率,防止過載;③減小機(jī)組運(yùn)行功率,防止過載;④調(diào)節(jié)流量(如增大排澇流量);⑤安全停機(jī)斷流。Szychta分析了泵裝置效率與流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,提出了裝置效率與這些參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,提出了一種自動(dòng)控制系統(tǒng),根據(jù)泵裝置運(yùn)行揚(yáng)程,通過變速調(diào)節(jié)使裝置效率最高。1.1機(jī)械全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)大型水泵一般采用葉片全調(diào)節(jié)方式。葉片全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)費(fèi)用占水泵設(shè)備費(fèi)用的1/3～1/4左右,液壓全調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、油壓裝置、中壓壓縮空氣系統(tǒng),設(shè)備費(fèi)用大于機(jī)械全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。葉片全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可用于調(diào)小葉片角,減小機(jī)組起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(限于運(yùn)行全調(diào)節(jié));正常運(yùn)行時(shí)調(diào)至小角度運(yùn)行,保證電機(jī)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(jī));調(diào)大葉片角,增大抽水流量。如表1,水泵調(diào)至最大正角度運(yùn)行,流量可增大15%～20%。油壓式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可靠性高,耐久性好,但系統(tǒng)復(fù)雜,管理操作煩瑣。機(jī)械式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊,操作簡便,是發(fā)展趨勢,目前己廣泛使用,但可靠性還有待提高。葉片調(diào)節(jié)方式比較如表2所示。1.反滲透水泵采用機(jī)械全調(diào)節(jié)方式的泵葉輪直徑0.85m以下的水泵輪轂和軸頸較小,設(shè)置全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)較為困難,一般做成半調(diào)節(jié)式。半調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡單、成本低、可靠性好,若泵站起動(dòng)要求不高,運(yùn)行揚(yáng)程變化不大,則對(duì)葉片調(diào)節(jié)功能要求不高,更大的水泵(葉輪直徑可達(dá)3m左右)也可采用半調(diào)節(jié)式。停機(jī)全調(diào)節(jié)在機(jī)組不運(yùn)行時(shí)由人工調(diào)節(jié),一般用于葉輪直徑1～1.4m的水泵。液壓式全調(diào)節(jié)因采用油壓裝置,系統(tǒng)復(fù)雜,輔助設(shè)備多,設(shè)備費(fèi)用高,運(yùn)行操作、管理維護(hù)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(diào)節(jié)方式相比,機(jī)械式運(yùn)行全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)力較小,但設(shè)備緊湊、費(fèi)用少,管理方便,主要用于1.5～2.0m的水泵,若揚(yáng)程不高,葉輪設(shè)計(jì)合理,要求調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)揚(yáng)程4.2m,采用了機(jī)械式運(yùn)行全調(diào)節(jié),在3m以上的大泵上采用機(jī)械式全調(diào)節(jié),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(diào)節(jié)方式如表3所示。機(jī)械式全調(diào)節(jié)是發(fā)展方向,但要應(yīng)用到更大及較高揚(yáng)程的水泵,則應(yīng)從機(jī)構(gòu)合理設(shè)計(jì)和減小需要調(diào)節(jié)力方面進(jìn)行研究,提高其可靠性。油壓式葉片調(diào)節(jié)方式雖然需要油壓裝置,系統(tǒng)復(fù)雜,但因其可靠性高,調(diào)節(jié)量大,技術(shù)成熟,在機(jī)械式可靠性沒有很好解決的情況下,對(duì)葉輪直徑3.5m以上的水泵目前仍是首選。2.機(jī)組撞擊按泵站特點(diǎn)選擇葉片調(diào)節(jié)方式如表4所示。葉輪直徑為0.87～3.1m的水泵,葉片調(diào)節(jié)方式有2種或3種選擇,選擇哪一種,根據(jù)泵站特點(diǎn)和要求確定。根據(jù)水泵葉片調(diào)節(jié)的作用,不同泵站對(duì)葉片調(diào)節(jié)功能的要求也不相同。軸流泵站為保證不因起動(dòng)、停機(jī)或誤操作閉門而致電機(jī)過載燒損,一般采用虹吸式出水流道,但因起動(dòng)時(shí)出水需翻越駝峰,而此時(shí)駝峰真空還未形成,正常起動(dòng)揚(yáng)程較大。為減小起動(dòng)揚(yáng)程和電機(jī)起動(dòng)功率,減輕機(jī)組起動(dòng)振動(dòng),可以調(diào)小葉片角度起動(dòng),穩(wěn)定運(yùn)行后再調(diào)至正常角度,葉輪直徑在1.5m以上的水泵需采用運(yùn)行全調(diào)節(jié)。年運(yùn)行時(shí)間較短的泵站,運(yùn)行費(fèi)用和裝置效率為次要因素,一般不進(jìn)行變角經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,初次投資為主要因素。如果采用平直管出水,機(jī)組起動(dòng)揚(yáng)程不是很高,達(dá)不到不穩(wěn)定區(qū),則即使較大的水泵,仍可采用半調(diào)節(jié)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(diào)節(jié),與液壓式全調(diào)節(jié)相比,節(jié)省了水泵費(fèi)用的1/4～1/3和兩套油壓裝置。泵站年運(yùn)行時(shí)間較長,運(yùn)行費(fèi)用大,則泵裝置效率為主要因素,若進(jìn)出水水位經(jīng)常變化,為提高裝置效率,實(shí)現(xiàn)變角經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,宜采用全調(diào)節(jié)水泵。1.2交流交流變頻裝置城鎮(zhèn)自來水廠因其運(yùn)行時(shí)間長,較早應(yīng)用變頻調(diào)速經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(diào)速經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成為可能。利用變頻裝置還可低速起動(dòng),低速停機(jī),減小功率,提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。1.3水泵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)造價(jià)針對(duì)水庫不同季節(jié)的調(diào)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(jī),水泵裝置具有兩個(gè)不同揚(yáng)程的高效區(qū),裝置效率明顯提高。但電機(jī)造價(jià)增加,不能連續(xù)調(diào)節(jié),且需停機(jī)改變電機(jī)接線,沒有改善機(jī)組起動(dòng)和停機(jī)性能。水泵葉輪葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)造價(jià)高,葉片根部密封易失效,液壓調(diào)節(jié)方式操作維護(hù)難,機(jī)械調(diào)節(jié)方式可靠性低,不宜頻繁調(diào)節(jié)。德國KSB公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的具有可調(diào)前導(dǎo)葉的立式導(dǎo)葉式混流泵,機(jī)構(gòu)簡單可靠,造價(jià)低。由于可調(diào)前導(dǎo)葉水泵等效率線長軸基本與流量-揚(yáng)程曲線平行,因而泵站揚(yáng)程變化對(duì)效率的影響不大,即用于針對(duì)揚(yáng)程變化的泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效果并不顯著。2梯級(jí)泵站及水泵規(guī)格大型泵站機(jī)組工況調(diào)節(jié)方式的選用主要取決于機(jī)組起動(dòng)、運(yùn)行特性、泵站形式、泵站水位及揚(yáng)程情況和運(yùn)行時(shí)數(shù)長短。南水北調(diào)東線工程應(yīng)根據(jù)泵站和機(jī)組特點(diǎn),在滿足技術(shù)和使用要求的前提下,選擇可靠性好、成本低的工況調(diào)節(jié)方式。本工程黃河以南輸水干線全長651km,設(shè)13級(jí)泵站,經(jīng)洪澤湖、駱馬湖、微山湖和東平湖等調(diào)蓄湖泊。如圖1,根據(jù)水位、揚(yáng)程情況,梯級(jí)泵站可分為源頭站、中間站、進(jìn)湖站和出湖站。由于本工程設(shè)計(jì)年運(yùn)行時(shí)數(shù)5000h以上,年運(yùn)行時(shí)間長,運(yùn)行費(fèi)用大,梯級(jí)泵站應(yīng)該實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,因此,機(jī)組工況調(diào)節(jié)方式同時(shí)應(yīng)能滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。根據(jù)我國40多年大型泵站應(yīng)用情況,從經(jīng)濟(jì)性、可靠性和技術(shù)性各方面綜合考慮,本工程梯級(jí)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(yáng)程、小流量區(qū)域運(yùn)行時(shí),功率較大,且存在不穩(wěn)定工況區(qū)。如果采用直管出水、快速閘門斷流,機(jī)組起動(dòng)過程中的啟門時(shí)間及速度、停機(jī)過程中的閉門時(shí)間和速度難以掌握,特別是誤操作,容易造成閉門運(yùn)行而過載,損壞機(jī)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(jī)組電機(jī)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(dòng)揚(yáng)程較大,但可以避免發(fā)生閉門運(yùn)行。由于混流泵具有流量-功率曲線平緩、高效區(qū)范圍寬等優(yōu)點(diǎn),因此本工程應(yīng)優(yōu)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(yáng)程變化,設(shè)置交流推動(dòng)液壓系統(tǒng)本工程源頭泵站從江蘇省境內(nèi)長江三江營附近取水,取水點(diǎn)距長江入?？谳^近,受海水潮位影響明顯,一天兩次高潮、兩次低潮。根據(jù)泵站取水點(diǎn)附近上下游水文站實(shí)測資料內(nèi)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(dá)2.353m。源頭泵站可以根據(jù)揚(yáng)程變化情況,實(shí)現(xiàn)變角經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于前池水位受潮位影響,泵站揚(yáng)程變化頻繁,要求頻繁調(diào)節(jié)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(nèi)用于密封潤滑的油體泄漏污染水質(zhì)和環(huán)境,或輪轂腔進(jìn)水引起葉片調(diào)節(jié)操作機(jī)構(gòu)銹蝕受損。因此,水泵葉片不宜頻繁調(diào)節(jié)。源頭泵站宜設(shè)置變頻裝置,實(shí)現(xiàn)變速經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,經(jīng)濟(jì)上是合理的,技術(shù)上也是可行的。以江蘇省泰州引江河口高港泵站設(shè)2000kW變頻裝置為例,設(shè)備及安裝調(diào)試費(fèi)用約需110萬元,按年運(yùn)行5000h計(jì)算,3至4年所節(jié)省的電費(fèi)即可收回增加的設(shè)備投資。通常,大型泵站變速經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果好于變角經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如果實(shí)現(xiàn)變速-變角綜合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,泵裝置效率還可再提高1～6個(gè)百分點(diǎn)(如圖2),節(jié)能效果十分明顯。而且,泵站還可利用變頻裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)組低速起動(dòng)和低速停機(jī),防止電機(jī)過載,提高安全可靠性。2.2按水泵揚(yáng)程調(diào)節(jié)本工程梯級(jí)泵站的中間泵站通過輸水河道與上、下梯級(jí)泵站相連,對(duì)確定的輸水河道,其運(yùn)行揚(yáng)程與上級(jí)泵站出水池水位和下級(jí)泵站前池水位及輸水流量有關(guān)。因此,泵站揚(yáng)程可以進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。采用運(yùn)行全調(diào)節(jié)葉輪,基本能夠滿足泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和機(jī)組無過載起動(dòng)、停機(jī)的需要。由于泵站揚(yáng)程變化頻度低,葉片調(diào)節(jié)次數(shù)少,葉輪直徑3.0m左右及以下的水泵宜采用機(jī)械式運(yùn)行全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),以節(jié)省設(shè)備投資,簡化運(yùn)行管理,同時(shí)可靠性也能保證。2.3水泵揚(yáng)程變積比為510進(jìn)湖泵站前池和出湖泵站出水池分別通過河道直接與上級(jí)泵站和下級(jí)泵站相連,其水位可以控制基本不變,進(jìn)湖泵站出水池和出湖泵站前池與調(diào)蓄湖相連,其水位隨不同季節(jié)的調(diào)蓄水量而變,因而泵站揚(yáng)程變化較大,但不頻繁,采用變頻調(diào)速和變角都可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和機(jī)組安全起動(dòng)、停機(jī),變頻調(diào)速經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果更為顯著,但設(shè)備成本較高。幾種變工況運(yùn)行方式比較如表6。3按水泵流量為導(dǎo)向,采用交流變工況運(yùn)行南水北調(diào)東