譚劍波， 何自立， 王立青

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

泵站是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田高效節(jié)水灌溉、促進(jìn)農(nóng)村新興經(jīng)濟(jì)體快速發(fā)展的重要基礎(chǔ)保障設(shè)施。截止2010底，全國機(jī)電灌排容量已從1994年的7×104kW增加到8753×104kW[1]。遍布全國各地的各類灌排泵站，在新農(nóng)村社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、精準(zhǔn)扶貧和抗旱應(yīng)急等方面均發(fā)揮著非常重要的作用。然而，受當(dāng)時(shí)建設(shè)規(guī)劃理念、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工技術(shù)、設(shè)備制造水平和運(yùn)維管理意識等因素制約，加上數(shù)十年運(yùn)行又缺乏合理養(yǎng)護(hù)，1990至1995年以前建成的大部分灌排泵站現(xiàn)已處于低效運(yùn)行甚至病險(xiǎn)狀況。為提高泵站水泵機(jī)組電能轉(zhuǎn)換效率，降低能源損耗，促進(jìn)農(nóng)業(yè)灌排泵站的技術(shù)升級，流量調(diào)節(jié)節(jié)水節(jié)能改造是一項(xiàng)重要的工程措施。文獻(xiàn)[3-4]基于并聯(lián)水泵工況點(diǎn)求解基礎(chǔ)上，建立水泵并聯(lián)流量隨并聯(lián)臺數(shù)間變化的能耗分析模型，可為灌溉泵站節(jié)能改造設(shè)計(jì)提供重要理論支撐。李明思等[5]中探討了滴灌泵站流量總調(diào)節(jié)與離心泵變頻調(diào)速特性間的調(diào)速工況等效性因素。文獻(xiàn)[6-7] 基于風(fēng)機(jī)泵類變頻調(diào)速節(jié)能改造前后的揚(yáng)程特性和管阻特性變化規(guī)律，對流量調(diào)節(jié)的節(jié)能原理、節(jié)能影響因素及節(jié)能效果進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8-10]探討了水泵流量調(diào)節(jié)變頻控制策略及灌溉泵站運(yùn)行效率提高的技術(shù)措施。田云等[11]、孫洪義[12]、蘇麗秋等[13]分析得出：泵站采用恒定供水水壓與變流量相結(jié)合的恒壓變頻調(diào)速節(jié)能改造后，水泵能耗可以減少30%以上。近年來，研究人員和工程實(shí)踐人員在灌溉水泵變頻節(jié)能調(diào)速控制策略和裝備性能等方面做了很大努力，也取得較多研究成果，而基于管網(wǎng)特性與水泵并聯(lián)的高壓變頻流量調(diào)節(jié)方面的應(yīng)用研究較少。在此背景下，結(jié)合灌溉加壓泵站管網(wǎng)特性與水泵并聯(lián)流量調(diào)節(jié)特性，通過篩珠洞抽水灌區(qū)泵站技術(shù)升級改造實(shí)例，對灌溉泵站流量調(diào)節(jié)及變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用效益進(jìn)行了分析研究。通過制定合理的流量調(diào)節(jié)策略和技術(shù)升級改造設(shè)計(jì)方案，確保灌溉泵站的社會、經(jīng)濟(jì)等綜合效益高效穩(wěn)定發(fā)揮。

2 水泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性關(guān)聯(lián)性函數(shù)

水泵作為將電能轉(zhuǎn)換為水能的一種流體機(jī)械，其在不同運(yùn)行工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)特性復(fù)雜多變，不同流量調(diào)節(jié)方式會對水泵揚(yáng)程特性和管道阻力特性帶來較大影響。要確保水泵長期運(yùn)行在高效節(jié)能工況，必須通過對水泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線進(jìn)行全面分析，掌握其與實(shí)際運(yùn)行相匹配的運(yùn)轉(zhuǎn)特性關(guān)系，以便選擇合理的節(jié)能改造方案。

2.1 水泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線

水泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性由水泵各參數(shù)間關(guān)系表示，但由于這些參數(shù)相互間關(guān)系較復(fù)雜，很難用單一數(shù)學(xué)函數(shù)來表達(dá)其變化規(guī)律，通常采用關(guān)系曲線進(jìn)行表達(dá)。體現(xiàn)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性的關(guān)系曲線主要有揚(yáng)程(H)與流量(Q)和效率(η)與流量(Q)兩種，其曲線擬合函數(shù)表達(dá)為[4]：

H=k0+k1Q+k2Q2

η=c0+c1Q+c2Q2

(1)

式中:k0,k1,k2和c0,c1,c2為待定系數(shù)，可根據(jù)廠家數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

除了揚(yáng)程特性外，影響水泵運(yùn)行性能的因素還有管道阻力特性，由管道系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況決定，在某一特定條件下其值是固定的。對于農(nóng)業(yè)灌溉泵站而言，水流通過加壓水泵的能量增值，除用于提升水流能量外，還需克服管道阻力，也即工程中的需要揚(yáng)程，其具體函數(shù)表達(dá)為：

H=H0+kQ2

(2)

式中：k為管阻系數(shù)；Q為管道流量，m3/s；H0為泵站凈揚(yáng)程(提水高度)，m。

2.2 水泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性分析

圖1 不同調(diào)節(jié)方式水泵運(yùn)轉(zhuǎn)工況特性

根據(jù)水泵調(diào)速原理可認(rèn)為流量、揚(yáng)程和軸功率均可由轉(zhuǎn)速來體現(xiàn)，其具體函數(shù)表達(dá)為[10]：

Q∝n;H∝n2;P軸∝QH∝n3

(3)

采用閘閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)實(shí)際是人為增加管道阻力，造成大量電能浪費(fèi)在節(jié)流閥上。同時(shí)，工況點(diǎn)從(A)調(diào)節(jié)到(B)時(shí)，水泵運(yùn)行效率(η)從高效工況區(qū)轉(zhuǎn)移到低效工況區(qū)，電能轉(zhuǎn)換效率降低，能耗增加。采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，水泵閘閥長期處于全開狀態(tài)，可以降低閥門的節(jié)流損失，且軸功率也隨流量和揚(yáng)程減小而大大降低。因此，對于大功率水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)升級改造后，可在維持現(xiàn)狀管道系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)灌溉需求流量適時(shí)控制水泵轉(zhuǎn)速，完成流量調(diào)節(jié)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

3 灌溉泵站變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造實(shí)例分析

3.1 工程概況

篩珠洞抽水灌區(qū)位于涇陽縣王橋鎮(zhèn)西北部，涇惠渠渠首下游，始建于1982年，從涇河直接引水。灌區(qū)由一級至四級泵站提水，總裝機(jī)7臺，裝機(jī)容量1 395 kW，總揚(yáng)程176 m，設(shè)計(jì)引水流量0.56 m3/s，灌區(qū)設(shè)施灌溉面積1 400 hm2，有效灌溉面積1 120 hm2。其中，三級泵站裝機(jī)2臺(原設(shè)計(jì)3臺)，裝機(jī)功率600 kW，設(shè)計(jì)流量0.44 m3/s，凈揚(yáng)程73 m,電壓等級為6 kV。三級泵站目前輸水渠道、進(jìn)水前池、壓力管道和泵站廠房等水工建筑物運(yùn)行性能良好。但水泵機(jī)組、電氣設(shè)備和輔助設(shè)備從機(jī)組及設(shè)備選型就存在一定的技術(shù)問題，加上多年非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行且沒有得到合理養(yǎng)護(hù)，機(jī)組效率逐年降低、能耗逐年增加，安全隱患凸顯，亟待對水泵機(jī)組進(jìn)行全面技術(shù)升級改造[14]。

3.2 機(jī)組技術(shù)升級改造方案

三級泵站一是向四級泵站引水渠供水，二是向西苗、范李、宗溝等8個(gè)村約267 hm2滴灌和噴灌區(qū)管網(wǎng)供水。泵房內(nèi)原安裝2臺設(shè)計(jì)流量為900 m3/h工頻泵，由水泵出口閘閥控制流量。實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水泵長期運(yùn)行在低效工況區(qū)，單位配水能耗高[15]。由于三級泵站供水管網(wǎng)復(fù)雜且流量、水壓波動較大，常規(guī)閘閥調(diào)節(jié)方案在調(diào)節(jié)可靠性、準(zhǔn)確性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性等方面，均很難滿足灌區(qū)精細(xì)化、精益化調(diào)節(jié)供水需求。另外，規(guī)劃在太和村和岳家坡村新建噴灌區(qū)約100 hm2，經(jīng)水資源供需平衡分析，原2臺水泵供水水量不能滿足新增噴灌區(qū)用水需求。為此，設(shè)計(jì)在泵房原預(yù)留3#機(jī)的位置增設(shè)1臺6kV機(jī)組，裝機(jī)容量由600kW擴(kuò)容到900kW。同時(shí)，結(jié)合二級泵站6kV機(jī)組變頻調(diào)速改造經(jīng)驗(yàn)，三級泵站3臺機(jī)組均采用SLW節(jié)能型單級單吸臥式離心泵，并配置高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能控制。6kV水泵機(jī)組“一拖一”高壓變頻調(diào)速電氣方案，如圖2所示。

圖2 一拖一高壓變頻調(diào)速電氣方案

水泵變頻調(diào)速改造選用西安西馳公司生產(chǎn)的“CFV高-高電壓源型”雙核數(shù)字控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，配置DL進(jìn)線斷路器柜1面和CFV變頻柜1面。高壓變頻柜內(nèi)裝設(shè)1臺CFV-300kW型6.3kV變頻器，3個(gè)高壓真空接觸器KM1-KM3和2個(gè)高壓負(fù)荷開關(guān)QS1-QS2。6kV電源經(jīng)DL進(jìn)線斷路器柜、QS1和KM2將高壓電源送入變頻器，經(jīng)內(nèi)部DSP算法硬核+并發(fā)控制硬核雙控制引擎運(yùn)算分析后形成對應(yīng)控制策略，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出電源頻率經(jīng)KM3和QS2完成水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速(流量)的動態(tài)調(diào)節(jié)，以匹配實(shí)時(shí)灌溉用水需求[16-17]。另外，對于灌溉用水高峰期，電動機(jī)需長期運(yùn)行在滿負(fù)荷工況，如繼續(xù)采用變頻調(diào)速控制，則一方面變頻器自身運(yùn)行會帶來4%～8%電能損耗，且變頻器大功率運(yùn)行會產(chǎn)生大量熱量對設(shè)備性能和質(zhì)量會帶來損壞。為此，設(shè)計(jì)在高峰灌水期由控制模塊自動將控制方式切換到工頻運(yùn)行工況，由KM1不經(jīng)變頻器直接將電源供給電動機(jī)，以額定工況工頻運(yùn)行[18]。

3.3 改造效益分析

技改設(shè)計(jì)采用3臺SLW300-500、0.25 m3/s型單級單吸臥式離心泵，配3面DL進(jìn)線斷路器柜和3面CFV變頻啟動柜。經(jīng)電能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，泵站配水綜合能耗(全站總電耗(含站用電)/供水總流量)和配水能耗(水泵機(jī)組總電耗/(供水總流量×水頭))的變化特性如圖3所示。

圖3 泵站2013-2017年運(yùn)行能耗分析

從圖3可知，改造前2013-2016年期間配水能耗和配水綜合能耗均呈上升趨勢，機(jī)組運(yùn)行效率不斷降低，且在2015-2016年期間有明顯惡化加劇趨勢，技術(shù)改造已刻不容緩。

3臺機(jī)組全部更新升級改造并采用CFV變頻調(diào)速智能控制，配水能耗從改造前2016年的0.433(kW·h)/(m3·MPa)降低到改造后2017年的0.368(kW·h)/(m3·MPa)；配水綜合能耗也從改造前2016年的0.343(kW·h)/m3降低到改造后2017年的0.255(kW·h)/m3。改造前后，單機(jī)運(yùn)行工況下水泵機(jī)組運(yùn)行特性參數(shù)如表1所示。

從圖3和表1水泵機(jī)組運(yùn)行狀況來看，在灌溉同面積條件下改造前后機(jī)組運(yùn)行電流、出口壓強(qiáng)和頻率均有明顯降低，運(yùn)行條件得到明顯改善。在機(jī)組100%～50%負(fù)荷區(qū)間，電流下降幅度達(dá)29.2%～56.8%。按年均供水800×104m3計(jì)算，采取CFV變頻調(diào)速智能控制后，2017年相比2016年泵站全年總節(jié)省電能=800×104m3×(0.343 kW·h/m3-0.255 kW·h/m3)=70.4×104(kW·h)。按陜西省2017年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電電價(jià)0.433元/(kW·h)計(jì)算，泵站經(jīng)技術(shù)升級節(jié)能改造后，2017年比2016年全年節(jié)約電費(fèi)30.48×104元，節(jié)電效果非常明顯。

采用CFV變頻調(diào)速智能控制為核心的泵站改造,達(dá)到預(yù)期機(jī)組自動化技術(shù)升級和節(jié)能降耗的目的，不僅提高機(jī)組運(yùn)行效率、減少供水用電單耗和電費(fèi)支出，同時(shí)CFV變頻器雙核數(shù)字控制引擎實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)高速并行處理，能在很大程度上提高機(jī)組自動控制水平、降低沖擊振動及運(yùn)行噪聲，確保泵站機(jī)組高效優(yōu)質(zhì)、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行。

表1 水泵機(jī)組改造前后特性參數(shù)

4 結(jié) 論

泵站更新改造是提高機(jī)組效率、降低能耗、提升自動化水平、改善運(yùn)行環(huán)境和促進(jìn)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的再創(chuàng)造過程。通過對篩珠洞灌區(qū)6kV高壓機(jī)組改造方案中流量調(diào)節(jié)控制策略和變頻調(diào)速技改方案的可行性與節(jié)能效益分析，主要取得如下結(jié)論：

(1)基于水泵揚(yáng)程特性和管阻特性分析，選用與工程調(diào)節(jié)特性更加匹配的變頻調(diào)速方案可實(shí)現(xiàn)泵站機(jī)組更新改造和節(jié)能降耗。

(2)優(yōu)選的SLW機(jī)組具有較高電能轉(zhuǎn)換效率，可節(jié)約灌溉供水用電單耗，且能滿足泵站在不同灌溉條件下的流量調(diào)節(jié)運(yùn)行需求，匹配性好、適應(yīng)性強(qiáng)。

(3)采用“一拖一”雙引擎數(shù)據(jù)運(yùn)算的CFV變頻調(diào)速智能控制方案，按灌溉用水量進(jìn)行變頻/工頻自動切換，提高了機(jī)組運(yùn)行效率和智能自動化控制水平，可為灌區(qū)精細(xì)化、精益化灌溉供水提供保障。

(4)灌溉供水流量調(diào)節(jié)方式選擇及控制策略制定是灌區(qū)泵站技術(shù)更新升級改造的關(guān)鍵內(nèi)容，也是工程改造后能否取得預(yù)期效益的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。除此之外，在技改方案設(shè)計(jì)中還需考慮泵站其他電氣設(shè)備及輔助設(shè)備的配套設(shè)計(jì)，優(yōu)化“電-機(jī)-水”三者間的匹配性能，確保泵站灌溉供水運(yùn)行效益最大程度地發(fā)揮。