黃正財(cái)，鄭錄艷，楊 超，張建勛

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550002）

1 工程概況

宣威水庫(kù)位于貴州省麻江縣宣威鎮(zhèn)，壩址位于凱里市城區(qū)上游，距離凱里市主城區(qū)約45 km，壩址所處河段為清水江干流上游。水庫(kù)工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模屬大（2）型，其主要任務(wù)是以防洪、供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電、生態(tài)和旅游，并為區(qū)域扶貧開(kāi)發(fā)、生態(tài)文明建設(shè)和少數(shù)民族發(fā)展創(chuàng)造條件。

宣威水庫(kù)工程由水庫(kù)首部樞紐工程（大壩樞紐工程+發(fā)電工程）、凱麻供水工程和輸水工程組成。凱麻供水泵站位于大壩下游左側(cè)約200 m處臺(tái)地上，采用一級(jí)提水，泵房型式為地面式，原水經(jīng)水庫(kù)取水口進(jìn)水，經(jīng)水泵提至742.00 m高程的高位水池后，自流向凱麻新城供水，沿線向羅伊片區(qū)的威寧村、翁保村、共和村、淑里村、銅鼓村和中壩村進(jìn)行供水。宣威水庫(kù)及凱麻泵站主要參數(shù)下表1。

表1 水庫(kù)及泵站主要參數(shù)表

2 取水方式選擇

凱麻泵站位于宣威水庫(kù)大壩下游左側(cè)約200 m處臺(tái)地上，泵站每年供水提水流量為7913萬(wàn)m3，其取水方式考慮兩種方案進(jìn)行比較。

（1）方案①。壩后無(wú)壓取水方式，即庫(kù)內(nèi)取水管道+消力池+泵站+高位水池的布置形式，其流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 方案①無(wú)壓取水泵站流程圖

（2）方案②。壩后有壓取水方式，即庫(kù)內(nèi)取水管道+泵站+高位水池的布置形式，其流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 方案②有壓取水泵站流程圖

方案①優(yōu)點(diǎn)在于泵站機(jī)組不考慮水庫(kù)水位消落的影響，機(jī)組可長(zhǎng)期處于水泵高效區(qū)運(yùn)行，水泵基本能保證設(shè)計(jì)流量恒定輸水，運(yùn)行調(diào)度方便；缺點(diǎn)在于水庫(kù)水能無(wú)法充分利用。經(jīng)選型分析，兩個(gè)方案主要指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 方案主要指標(biāo)對(duì)比表

宣威水庫(kù)年平均水位676.89 m，說(shuō)明水庫(kù)長(zhǎng)期處于正常蓄水位681.00 m附近運(yùn)行。由表2可知，方案①未利用平均水位與死水位之間的水能，導(dǎo)致兩個(gè)方案平均揚(yáng)程相差24.0 m，雖然方案①水泵長(zhǎng)期處于高效區(qū)，但年耗電量卻增加492.1萬(wàn)kW·h，會(huì)導(dǎo)致凱麻泵站年運(yùn)行費(fèi)用成本高。經(jīng)比較，從泵站長(zhǎng)期運(yùn)行來(lái)看，方案①無(wú)壓取水方式未能充分利用水能，不節(jié)能，導(dǎo)致年運(yùn)行成本增加，故考慮采用方案②有壓取水方式進(jìn)行泵站布置。

3 機(jī)組選型

3.1 臺(tái)數(shù)選擇

泵站的臺(tái)數(shù)關(guān)系到廠房土建投資、機(jī)電設(shè)備投資與運(yùn)行管理等方面，如裝機(jī)臺(tái)數(shù)多，則泵站運(yùn)行靈活，能更好地進(jìn)行流量匹配，但廠房土建與機(jī)電設(shè)備投資都會(huì)增加；反之，裝機(jī)臺(tái)數(shù)少，單泵過(guò)流量大，泵組效率較高，土建及機(jī)電設(shè)備投資較省，但運(yùn)行不夠靈活。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBT50265-2010）中要求“備用機(jī)組的臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)工程的重要性、運(yùn)行條件及年運(yùn)行小時(shí)數(shù)確定，并應(yīng)符合下列規(guī)定：1、重要的供水泵站，工作機(jī)組3臺(tái)及3臺(tái)以下時(shí)，宜設(shè)1臺(tái)備用機(jī)組；多于3臺(tái)時(shí)，宜設(shè)2臺(tái)備用機(jī)組；2、灌溉泵站，工作機(jī)組3～9臺(tái)時(shí)，宜設(shè)1臺(tái)備用機(jī)組；多于9臺(tái)時(shí)，宜設(shè)2臺(tái)備用機(jī)組；3、年運(yùn)行小時(shí)數(shù)低的泵站，可不設(shè)泵用機(jī)組?！?/p>

凱麻泵站供水流量為2.536 m3/s，考慮到泵站供水流量較大，且本泵站是向凱麻新城供水，供水泵年利用小時(shí)高。綜合考慮機(jī)組選型、機(jī)電設(shè)備投資、土建投資、檢修運(yùn)行費(fèi)用，以及受水區(qū)的供水特點(diǎn)，本泵站供水機(jī)組設(shè)工作泵2臺(tái)，備用機(jī)組1臺(tái)，相互輪切備用，單泵流量為1.268 m3/s。

3.2 機(jī)型選擇

凱麻泵站布置于宣威水庫(kù)壩后，利用取水管從庫(kù)內(nèi)有壓取水，供水泵機(jī)組提水設(shè)計(jì)揚(yáng)程為90.6 m；單泵流量為1.268 m3/s。根據(jù)泵站揚(yáng)程和流量范圍，以及泵站的布置形式，適合選擇的泵型為臥式單級(jí)雙吸中開(kāi)離心泵，該泵適用范圍廣，通用化程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，經(jīng)濟(jì)效益高。

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，具備生產(chǎn)該泵型的廠家和滿(mǎn)足本泵站的參數(shù)要求的產(chǎn)品均較多，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)行業(yè)內(nèi)較優(yōu)的不同廠家推薦方案進(jìn)行比選，推薦工頻運(yùn)行水泵參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 工頻運(yùn)行機(jī)組主要參數(shù)表

從機(jī)組選型結(jié)果分析，凱麻泵站最大揚(yáng)程為92.0 m，最小揚(yáng)程為65.5 m，揚(yáng)程變幅為26.5 m，變幅較大，最大揚(yáng)程與最小揚(yáng)程工況下單臺(tái)機(jī)組流量輸出相差0.55 m3/s，兩臺(tái)工作泵運(yùn)行時(shí)流量輸出1.1 m3/s（即3960 m3/h）。宣威水庫(kù)年平均水位676.89 m，說(shuō)明水庫(kù)長(zhǎng)期處于正常蓄水位681.00 m附近運(yùn)行，即水泵長(zhǎng)期在低揚(yáng)程65.5 m附近運(yùn)行，此時(shí)，水泵并不在高效區(qū)運(yùn)行，且機(jī)組輸出流量比設(shè)計(jì)流量大許多，可能造成水資源的大量浪費(fèi)和運(yùn)行成本的大幅增加[1]，故需采取合理的調(diào)節(jié)方法及措施解決出現(xiàn)的問(wèn)題。

4 調(diào)節(jié)方式分析

基于以上問(wèn)題，解決思路應(yīng)從泵站運(yùn)行方式考慮，離心泵相應(yīng)工況點(diǎn)是建立在水泵和管道系統(tǒng)能量供求關(guān)系的平衡上，只要兩者之一的情況發(fā)生變化，其工況點(diǎn)就會(huì)轉(zhuǎn)移。工況點(diǎn)的改變由兩方面引起：一是管道系統(tǒng)特性曲線改變，二是水泵本身的特性曲線改變。

（1）改變管道系統(tǒng)特性曲線可以通過(guò)節(jié)流措施實(shí)現(xiàn)[2]，如調(diào)流閥或其它節(jié)流措施，此種方式小水泵轉(zhuǎn)速保持不變（一般為額定轉(zhuǎn)速），其實(shí)質(zhì)是改變管路特性曲線的位置來(lái)改變泵的工況點(diǎn)。閥門(mén)開(kāi)度減小時(shí)，管道局部阻力增加，水泵工況點(diǎn)向左移，相應(yīng)流量減少。此種方式來(lái)控制流量時(shí)，水泵本身的供水能力不變，揚(yáng)程特性不變，管阻特性將隨閥門(mén)開(kāi)度的改變而改變，這種方法操作簡(jiǎn)便、流量連續(xù)，但是以消耗離心泵的多余能量來(lái)維持一定的供給量，離心泵的效率也將隨之下降，能量浪費(fèi)較大[3]。

（2）水泵特性曲線主要指Q-H、Q-P、Q-η曲線，分別表示流量與揚(yáng)程、流量與軸功率、流量與效率之間的關(guān)系。根據(jù)水泵葉輪的相似原理[4]，其轉(zhuǎn)速與相應(yīng)參數(shù)存在以下比例關(guān)系：

式中：n為轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速；S為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；f為定子頻率；Q為流量；H為水泵揚(yáng)程；P為電機(jī)功率。

從比例關(guān)系可以看出通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速能達(dá)到改變流量及揚(yáng)程的目的。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

式中：n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為異步電動(dòng)機(jī)的頻率；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

由式（4）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50%，最好處于75%～100%，故考慮通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，從而達(dá)到流量調(diào)節(jié)，是一種高效率、高性能的調(diào)節(jié)手段。

綜合以上分析，與閥門(mén)節(jié)流相比，變頻調(diào)速的節(jié)能效果很突出，離心泵的工作效率也更高。另外，采用變頻調(diào)速后，不僅有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性，而且還可以通過(guò)對(duì)升速/降速時(shí)間的預(yù)置來(lái)延長(zhǎng)開(kāi)機(jī)/停機(jī)過(guò)程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而在很大程度上消除了極具破壞性的水錘效應(yīng)，大大延長(zhǎng)了水泵和管道系統(tǒng)的壽命。

5 運(yùn)行方式優(yōu)選

變頻調(diào)速也有局限性，除了投資較大外，當(dāng)水泵變速過(guò)大時(shí)會(huì)造成效率下降，超出泵比例定律范圍，不可能無(wú)限制調(diào)速[5]。結(jié)合凱麻泵站機(jī)組選型及實(shí)際情況，對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行以下兩種方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選。①方案A：工頻運(yùn)行，利用高位水池進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)行；②方案B：變頻運(yùn)行。

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265-2010）中規(guī)定的“從河流、湖泊或水庫(kù)取水時(shí)，設(shè)計(jì)運(yùn)行水位應(yīng)取滿(mǎn)足設(shè)計(jì)供水保證率的日平均或旬平均水位”要求，工頻泵確定設(shè)計(jì)揚(yáng)程按90.6 m進(jìn)行選型；變頻泵則按最高揚(yáng)程92.0 m進(jìn)行選型，可覆蓋水庫(kù)水位變幅引起的揚(yáng)程范圍。按以上原則選型，工頻機(jī)組和變頻機(jī)組性能特性曲線分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 工頻機(jī)組性能曲線圖

圖4 變頻機(jī)組性能曲線圖

根據(jù)工頻機(jī)組和變頻機(jī)組性能特性曲線[6]，結(jié)合凱麻泵站實(shí)際情況，得出兩個(gè)運(yùn)行方案各主要參數(shù)指標(biāo)，指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表4。

根據(jù)以上兩種方案選型及表4數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

表4 艱工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行主要指標(biāo)對(duì)比表

（1）從輸出流量方面分析，在方案A工頻運(yùn)行方式下，泵站在最高揚(yáng)程下輸出總流量為2.440 m3/s，每小時(shí)少于設(shè)計(jì)總流量329.6 m3；在最低揚(yáng)程下總流量輸出為3.540 m3/s，每小時(shí)超設(shè)計(jì)總流量3570.4 m3。根據(jù)水文專(zhuān)業(yè)提供水庫(kù)多年平均水位為676.89 m，所對(duì)應(yīng)的平均揚(yáng)程為68.6 m，說(shuō)明泵站機(jī)組將長(zhǎng)期處于低揚(yáng)程段運(yùn)行，泵站總流量將長(zhǎng)期處于超設(shè)計(jì)流量輸出狀態(tài)[7]，輸水系統(tǒng)為滿(mǎn)足該狀態(tài)下運(yùn)行，勢(shì)必加大用于調(diào)節(jié)的高位水池有效容積或增加輸水管道（或渠道）的斷面面積來(lái)保證其過(guò)流能力，由于流量超量較大（超設(shè)計(jì)流量約1 m3/s），所需高位水池調(diào)節(jié)容積很大，投資增加較大。方案B為機(jī)組變頻運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)恒定設(shè)計(jì)流量輸出，不存在流量超標(biāo)（或不足）的情況。

（2）從水泵效率方面分析，在方案A工頻運(yùn)行方式下，水泵需覆蓋的揚(yáng)程范圍較寬，在最低揚(yáng)程下效率僅為80.0%，單泵軸功率達(dá)1 416.7 kW。方案B在變頻運(yùn)行方式下，最高揚(yáng)程到最低揚(yáng)程下對(duì)應(yīng)的變頻調(diào)速范圍為1000～880 r/min，頻率范圍為50～44 Hz，，最低轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的88.0%，效率下降不大。在最低揚(yáng)程下，水泵效率為88.0%，單泵軸功率為925.9 kW。由于方案A泵站機(jī)組將長(zhǎng)期處于低揚(yáng)程段運(yùn)行，經(jīng)計(jì)算，方案B變頻運(yùn)行方式（考慮扣除3%變頻器自身?yè)p耗）比方案A工頻運(yùn)行方式效率能提高約5%的效率，每年將節(jié)約電能117.9萬(wàn)kW·h，節(jié)能效果明顯。

（3）從投資方面分析，方案A工頻運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)機(jī)組需配備軟啟動(dòng)[8]，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，每臺(tái)軟啟動(dòng)比相同容量變頻器投資每臺(tái)少15萬(wàn)元，但考慮方案A所需增大高位水池容積或增大輸水管道（或渠道）所帶來(lái)的投資較大，故方案B更經(jīng)濟(jì)，更合理。

（4）從泵站運(yùn)行維護(hù)方面分析，方案A需要通過(guò)高位水池來(lái)調(diào)節(jié)，每年泵站大部分運(yùn)行時(shí)間里，7200 m3的高位水池有效容積僅可調(diào)節(jié)2 h機(jī)組運(yùn)行，即機(jī)組間隔2 h就得啟停一次，啟停頻繁，調(diào)度很復(fù)雜，不利于泵站運(yùn)行維護(hù)工作；方案B基本保證恒定設(shè)計(jì)流量輸出，調(diào)度簡(jiǎn)單。

綜合以上分析，在流量輸出、節(jié)能效果、經(jīng)濟(jì)投資及運(yùn)行維護(hù)方面，方案B變頻運(yùn)行方式均較優(yōu)，故本階段凱麻泵站機(jī)組運(yùn)行方式推薦采用變頻調(diào)速運(yùn)行。最終，凱麻泵站推薦裝機(jī)方案說(shuō)明見(jiàn)表5。

表5 凱麻泵站推薦裝機(jī)方案說(shuō)明表

6 結(jié)語(yǔ)

水泵特性曲線上每個(gè)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)一個(gè)工況，在最高效率工況點(diǎn)下運(yùn)行是最理想的，當(dāng)工況點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)，其水泵效率、流量及軸功率等指標(biāo)均發(fā)生變化。我國(guó)西南地區(qū)水庫(kù)往往存在水位消落大的特點(diǎn)，這就導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)取水泵站面臨充分利用水能問(wèn)題與機(jī)組揚(yáng)程范圍變化大選型問(wèn)題之間的矛盾。如何平衡兩者，使得水泵滿(mǎn)足提水流量和揚(yáng)程的前提下，長(zhǎng)期在高效范圍內(nèi)運(yùn)行，并考慮盡量節(jié)約工程投資，調(diào)度簡(jiǎn)單和降低運(yùn)行成本等因素，選擇合理的裝機(jī)方案，是泵站產(chǎn)生最大效益的關(guān)鍵。