西北地区供水工程输水管线具有距离长、扬程高、起伏大的特点, 在兼顾输水安全和经济成本的考虑下, 常采用梯级泵站连续加压供水方式, 泵型多为高扬程双吸离心泵^[1]。由于地形原因, 各泵站水位变幅不一致, 输水管线长度及其管道损失亦相差较大, 当输水流量需要调节时, 上述差异均会引起水泵运行扬程出现较大偏移, 水泵流量出现偏差, 导致级间流量不平衡, 出现泵组频繁启停和前池溢水^[2]。解决这类问题常采用水泵变频调速技术, 可达到理想的应用效果。本文通过工程实例, 简要介绍了水泵变频调速在梯级泵站级间匹配、流量调节和空管充水等方面的应用。

甘肃省临夏回族自治州引黄济临供水工程从刘家峡水库取水, 输水至临夏市城区及周边乡镇, 设计流量1.95m³/s, 采用水泵加压和重力有压相结合的输水方式, 总提水扬程456m, 总输水线路长约40.5km。主干管线起端设有2座梯级加压泵站, 采用双管并联输水, 泵站段管线长14.7km, 设计总扬程182.5m。主干梯级加压泵站示意见图1, 泵站设计参数见表1。

每座泵站均装设4台卧式双吸离心泵组, 单泵额定流量0.65 m³/s, 设计工况运行时3台并联工作, 1台备用^[3]。选定的水泵参数见表2, 泵站典型工况开机方案见表3。

两级泵站主泵台数相同, 单泵流量相同, 在设计工况时, 级间衔接良好, 运行基本稳定。但工程用水流量过程为1.95~0.325m³/s, 仅通过水泵台数组合来调节流量时, 只能在0.65 m³/s, 1.3 m³/s和1.95m³/s左右进行跳跃式搭配, 运行局限较大, 需采用其他调节方式。离心泵站流量调节常采用调节泵调节、阀门调节和变速调节等方式。

本工程在设计中主要针对水泵机组工频运行下的阀门调节方式和变频运行下的转速调节方式进行了对比分析。

根据水泵性能曲线、泵站水位变幅、管道特性曲线做出水泵工频运行工况 (图2和图3) , 典型运行方案为单泵单管运行和3台泵并联双管运行, 2台泵双管方案与单泵单管工况基本一致。

由图2和图3可知, 两泵站设计水位下单泵单管运行时, 水泵工作点的流量分别为一级泵站0.705m³/s、二级泵站0.678 m³/s, 输送流量差为0.027m³/s。运行中二级泵站前池会出现溢水现象, 需通过手动减小一级泵站出口阀门开度、人为增加水头损失来实现流量调节, 或打开水泵出水管上的放空阀进行小流量泄水。

两泵站最高水位运行时, 已偏离一级泵站水泵稳定运行区域, 只能通过较大幅度手动压阀来增加水头损失约11m, 使水泵输送0.732m³/s流量, 与二级泵站单泵工作点流量相匹配。

输送最小流量0.325m³/s时, 各水位下两泵站均需通过手动压阀来增加水头损失。设计水位工况下分别为一级泵站23m、二级泵站12m;最高水位工况下分别为一级泵站38m、二级泵站15m;两泵站需人为增加的损失值差别较大, 现场调节非常困难。

根据图2和图3, 两泵站设计水位下3泵双管运行时, 均输送流量1.95 m³/s, 级间衔接基本良好。对于因制造、装配、安装质量的差异引起的流量误差, 通过人工微量调节阀门开度来保证系统稳定运行。

各泵站最高水位运行时, 一级泵站需对每台水泵出口阀均进行较大幅度的手动调节, 使泵站输送2.128m³/s流量, 与二级泵站3泵并联输送的流量保持一致, 现场调节难度大、精度差。

梯级泵站泵组工频运行, 如前池水位变幅不一致, 则各泵站水泵工作扬程与设计扬程会存在不同程度的偏移;如各泵站输水管线长度相差较大, 则供水流量调节时的管道损失变幅大, 水泵工作扬程亦会偏离设计扬程;上述情况均会导致梯级泵站输送流量出现较大偏差。为避免水泵频繁启停和前池溢水, 只能通过人工压阀或小流量回流来进行调节, 但都会导致电能浪费和阀门汽蚀破坏, 长期运行费用增加。

根据离心泵叶轮的相似定律, 对于以不同转速运行的同一台叶片泵, 符合以下比例律:

式中Q———流量, m³/s;

H———扬程, m;

P———轴功率, kW;

n———转速, r/min。

对一、二级泵站水泵, 根据式 (1) 和水泵的性能曲线, 分别进行各转速下的工况点计算, 并绘制出相应的变频曲线^[4]。再结合泵站水位变幅和管道特性曲线做出水泵变频运行工况 (图4和图5) , 其典型运行方案为单泵单管运行和3台泵并联双管运行。

根据图4和图5做出典型工况下的水泵变频运行参数见表4, 当水位变幅在设计和最高之间, 输水流量变幅在设计和最小之间时, 均可通过对工作频率的调整, 使水泵转速和工作点发生变化, 达到设计目标。变频运行下的两级泵站输送流量一致, 级间衔接良好, 系统运行稳定。除极端小流量工况外, 水泵均在高效区运行。

工程输水管线总长40.5km, 为保证管道安全, 首次充水和管道检修放空后的充水流速按0.3~0.4m/s控制^[5], 全线充水时长为28~38h。在长时间充水过程中, 采用变频调速可使泵组频率在25~47Hz稳定运行, 保持0.33 m³/s充水流量的恒定。否则需增加1台充水小机组, 或者对水泵出口阀门采取长时间压阀操作, 易引起水泵和阀门振动及汽蚀破坏。

梯级泵站通过选择主泵台数一致、单泵流量相同, 可使输水流量基本匹配。而对于各泵站在流量调节过程中由于水位变幅和输水管线长度相差较大引起的级间不平衡, 则可通过变频调速技术, 使泵组根据目标参数按照流量、扬程与转速的关系曲线来调节转速, 实现流量控制的精确化, 保持空管充水的稳定性, 减少弃水或水泵频繁起停状况, 提高泵站的装置运行效率。

根据充水流速要求, 单管充水流量在0.29~0.38m³/s。一级泵站启动1台泵运行稳定后, 现场记录频率在25 Hz时的充水流量0.33 m³/s, 充水扬程20m;保持充水流量不变, 依次提升频率, 在44Hz时充水扬程达78m, 此时一级泵站输水管道已全部充满。

当二级泵站前池达到设计水位时, 保持一级泵站水泵运行频率不变, 启动二级泵站1台泵同样以0.33 m³/s流量进行空管充水。现场记录频率在25Hz时的充水扬程23m, 在47 Hz时充水扬程达96m, 此时二级泵站输水管道已全部充满。

通过对沿线排气阀的开始排气时间和关闭时间对比, 空管充水过程与设计充水时长基本一致。一级和二级泵站空管充水记录见表5。

当一、二级泵站管线全部充满, 二级泵站出水池到设计水位, 静止10min并观察沿线空气阀不再有气体排出后, 保持一、二级泵站水泵运行频率不变, 进行后续管段充水。全线通水结束后, 进行了24h带压试验, 管道承压状况良好。

试运行首先进行单泵单管输水。一级泵站启动1台水泵, 频率上升至44Hz后开启出口阀, 逐步提高频率至48.9 Hz, 保持水泵供水流量0.65 m³/s不变。二级泵站根据前池水位信号启动1台水泵, 频率上升至47Hz后开启出口阀, 逐步提高频率至49.7Hz时保持不变。系统供水流量稳定在0.65m³/s。

第1台水泵运行5 min后, 观察系统压力流量等参数恒定时, 开启第2台水泵, 水泵运行频率与单泵单管输水时基本一致, 系统供水流量稳定在1.3m³/s。

一级泵站第2台水泵运行5min, 系统压力流量稳定后开启第3台水泵, 水泵运行频率至48.9 Hz后开启出口阀, 逐步提升各泵频率至50 Hz。二级泵站根据前池水位信号启动第3台水泵, 水泵运行频率至49.7Hz后开启出口阀, 逐步提升各泵频率至50Hz。系统供水流量稳定在1.95m³/s。

在现场调试及工程试运行期间, 均严格按照设计要求和目标参数进行, 泵组和阀门设备无振动, 调节性能优良, 运行高效节能。引黄济临供水工程已基本建成并投入初期运行, 泵组运行采用变频调速技术, 供水过程中无论是前池水位变化、用水流量变化, 还是长距离空管充水, 均可通过对水泵转速的调节, 实现输水流量的自由调节。

长距离高扬程梯级泵站供水工程, 在流量调节时常出现由水位变幅和输水管道长度差异引起的级间流量不平衡, 采用变频调速技术不仅满足了供水流量连续变化情况下的级间匹配, 而且保证了长时间空管充水的安全可靠。结合现阶段高压变频技术的成熟和变频设备成本的降低, 从节能高效、减少设备损耗、降低运行费用等方面考虑, 水泵变频调速在解决梯级泵站级间匹配、流量调节和长距离管道空管充水方面的优势已非常明显。