（水利工程专业论文）变频器在交口灌区泵站的应用与节能研究.pdf

摘要 论文题目：变频器在交口灌区泵站的应用与节能研究 学科专业：水利工程 研究生姓名：杜军顾签名： 指导教师姓名：南海鹏教授签名： 徐经忠教授级高工签名： 摘要 水泵机组的调速运行是泵站经济运行的重要手段。泵站应用最多的动力机是三相异步 电动机。本文首先介绍了国内外泵站概况和交口灌区的概况，指出我国泵站与国外发达国 家泵站的差距，并提出灌区发展中所存在能耗过大韵问题。 接着分析水泵和电动机的基本原理，通过比较几种调速方式，指出变频调速是最节能 的调速运行方式。 在近几年中，交口灌区各低压泵站采用一台变速泵与多台定速泵配合使用的方法来解 决配水和节能的难题。本次在已改造的低压泵站选取一个典型站，通过现场做测试，得到 变频器运行参数，仔细分析测试数据，发现其运行规律基本符合二次方律负载特性。通过 计算，从而得到泵站运行节能的量化指标。从提高三相异步电动机的效率出发，采用变频 器u f = c o n s t 的控制模式，可以实现节能目的。要实现更高程度控制效果，应考虑采用变 频器的矢量控制模式。结合本灌区近几年应用变频器的实际情况和存在问题，仔细研究机 组设备节能的方法和措施。并且提出提高运行效益和管理水平的几点建议。 本文最后简要分析了国内外高压变频器发展的现状，接着从技术性和经济性出发，论 证了在灌区高压泵站安装高压变频器的必要性和重要性。为了适应新的能源形势，争取解 决资金问题，建议尽快安装使用。 关键词：泵站；变频器；节能；效益 a b s t r a c t 1 3 t i e ：a p p l i c a t l 0 na n de n e r g y 二s j a v i n gr e s e a r c h o n i n v e r t e ri np u m ps t a l - i o no fj i a o k o ui r r i g a t i o na r e a m a j o r - h y d r o l o g ye n g i n e e r i n g n a m e ：j u n s h u nd u s u p e r v i s o r ：p r o f h a i p e n gn a n p r o f j i n g z h o n gx u a b s t r a c t a d j u s t a b l e s p e e do p e r a t i o no fw a t e rp u m pu n i t si sv e r yi m p o r tf o rt h eo p e r a t i o no ft h e p u m p i n ge c o n o m i c a ls t a t i o n t h et h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r sa r em o s t l y w i d e l yu s e r ti nt h e s t a t i o n t h es t a t u so ft h ep u m p i n gs t a t i o na n dj i a o k o ui r r i g a t e da r e aa r ei n t r o d u c e do u t s i d ea n d i n s i d et h ec o u n t r y t h ed i f f e r e n c ei sp o i n t e do u t t h ep r o b l e mi sg i v e nd u r i n gt h ed e v e l o p m e n t o ft h ei r r i g a t e da r e a , w h i c hi st h a tt h es t a t i o nc o s t st o om u c h e n e r g y n e x tt h eb a s i ct h e o r yo ft h ep u m pa n de l e c t r o m e t e ra r ei n t r o d u c e d i ti sp r o v e dt h a tt h e v a r i a b l e - f r e q u e n c ya d j u s t a b l e - s p e e do p e r a t i o ni st h eb e s tw a y f o re n e r g y - s a v i n ga f t e rc o m p a r e d w i t hs o m eo t h e ra d j u s t a b l e - s p e e dm e t h o d s i nr e c e n ty e a r s ，av a r i a b l e - s p e e dp u m pa n dm a n y c o u s t a n t s p e e dp u m p sa r ew o r k e dt o g e t h e r i no r d e rt os o l v et h ew a t e rd i s t r i b u t i o na n de n e r g y - s a v i n gi nl o w - p r e s s u r ep u m p i n gs t a t i o n a d a s s i c a ls t a t i o ni sc h o s ef l o mt h er e c o n s t r u c t i v el o w - p r e s s u r ep u m ps t a t i o n s t h et e s t sw e r e d o n el o c a l l ya n dt h ed a t aw e r ea n a l y z e dc a r e f u l l y i t sf o u n dt h a tt h eo p e r a t i o ns 砌鹊t h el a w o ft h es q u a r el e a d sl o a d sb a s i c a l l y a f t e rc a l c u l a t i o n ，t h ep a r a m e t e r sa b o u te n e r g y - s a v i n ga r e f o 吐d e d i no r d e rt oi m p r o v et h ee 伍c i e n c yo ft h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r s ，t h ec o n t r o l m o d e lo fu f = c o u s ti su s e d , w h i c hc a ns a v et h ee n e r g y t h ev e c t o rc o n t r o lm o d e ls h o u l db e c o n s i d e r e di no r d e rt oc o n t r o li tb e s t t h em e t h o d so fs a v i n g - e n e r g yi nt h eu n i t sa r ec a r e f u l l y r e s e a r c h e db a s e do nt h et r u ec o n d i t i o na n d p r o b l e m s w h i c ha p p e a r e di nt h ei r r i g a t e da r e au s i n g t h ei n v e r t e r s o m es u g g e s t i o n sa r eg i v e ni no r d e rt oi m p r o v et h em a n a g e m e n te f f e c t i v e n e s sa n d 西安理工大学工程硕士学位论文 l e v e l f i n a l l yt h es t a t u so fh i g h - p r e s s u r ei n v e r t e ri nt h ew o r l di ss i m p l ya n a l y z e d t h en e c e s s a r y a n di m p o r t a n c ea r ev a l i d a t e dt h a tt h eh i g hi n v e r t e rs h o u l db eb u i l ti nt h ehj i g hp u m ps t a t i o ni n t h ei r r i g a t e da r e af r o mt e c h n o l o g ya n de c o n o m y i no r d e rt oa d a p tt h en e we n e r g yp o s i t i o na n d s a v e t h ef i m d i t ss u g g e s t e dt h a tt h eh i g h p r e s s u r ei n v e r t e rs h o u l db ei n s t a l l e da ss o o na s p o s s i b l e k e yw o r d s ：p u m ps t a t i o n ；i n v e r t e r ；e n e r g y - s a v i n g ；e f f e c t i v e n e s s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：毒撒t 产，。月2 l 目 学位论文使用授权声明 本人鑫塑在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在鳃密后，适用本授权说明) 论文作者签名：三燃导师签名：羔蚴c 严，p 月2 2 日 1 泵站概述 1 泵站概述 泵站是将电能转化为水能进行排灌或供水的提水设施，通常由水泵、动力机及辅 助设备和相应配套的建筑物组成。泵站是解决洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化当今 三大水资源问题的有效工程措施之一“1 。它承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和 供水的重任，主要用于农田排灌、城市给排水以及跨流域调水等。泵站与其它水利建筑物 不同，它无需修建挡水和引水建筑物，对资源和环境无影响，受水源、地形、地质等条件 的影响较小，且具有投资省、成本低、工期短、见效快、灵活机动等优点”。但是，泵 站运行要耗能，设备维护和更新费用高。尽管如此，许多国家还是把泵站工程建设列为优 先考虑的重点。 1 1 泵站的主要类型 白生产实践中，水泵的型号规格很多，泵站的类型各不相同。根据泵站的不同特点， 可以有不同的分类方法。 1 1 1 按功能分类“1 a 供水泵站 向农田、工矿企业、城镇居民等提供水源的泵站分别称为农业灌溉泵站，工业供 水泵站以及城乡居民给水泵站等。 b 捧水泵站 将农田、城镇、工矿企业多余的雨水、污水排除，或降低过高的地下水位，以确 保工农业生产的安全正常进行的泵站称为农业捧水泵站、城镇排水或排污泵站、工业 排水泵站以及矿山排水泵站等。 c 调水泵站 调水泵站的主要功能是根据经济和社会发展的需要，在较大范围内调节流域之间 的水资源不平衡问题，其功能主要是解决沿途的城镇及工业供水、农业灌溉和排水， 有时还可以利用输水渠道或河道进行航运等。 d 加压泵站 对于长管道输水的工程，为了克服沿途的压力损失，需要中途设置泵站增加压力， 对于城市给水工程，当水源泵站将原水输送到自来水厂经处理后，还需要泵站加压送 往管网。对于扬程较高的灌区、城镇供水或跨流域调水工程，由于受地形地质等条件 的限制，往往需要采取多级提水方式，途中增加的泵站有时也称为加压泵站和中继站。 e 蓄能泵站 火电厂和核电站是不允许间断工作的。为确保电网的稳定运行，在夜间有多余电 量时，可以通过水泵将水抽至高处( 蓄能) ，而在白天的用电高峰时在将水从高处放下， 通过水轮机进行发电。这类泵站称为蓄能泵站。 同时，有的泵站同时具有灌溉和排水功能，称其为排灌泵站。也有的泵站同时具 有提水灌溉、自流灌溉、水泵排水、自流排水等功能，有的还具有发电、通航等功能， 西安理工大学工程硕士学位论文 这些泵站可称为多功能泵站。 1 1 2 按水泵的类型分类 水泵是泵站中最主要的机械设备。泵站的结构形式、运行方式等都与水泵类型有 关。因此，泵站经常按水泵类型进行分类。 取水输水工程常用水泵为叶片泵，按泵轴安放方向，分为立式、斜式和卧式。按 水泵叶轮的数目分为单级泵和多级泵。按水泵吸水口的数目可分为单吸泵和双吸泵。 通常按工作原理进行水泵分类的泵站形式，主要可分为离心泵站、轴流泵站和混 流泵站等。 1 1 3 按水泵的动力分类 a 电动泵站 电动泵站是以电动机为动力的泵站。由于电动机的启动、停机以及运行管理等方 面比较方便，因此，近代大中型泵站的动力机普遍采用电动机。以电动机为动力的捧 灌泵站称为电力排灌泵站。 b 机动泵站 以煤、汽油和柴油等为燃料的蒸汽机和内燃机为动力机的泵站称为机动泵站。在 泵站建设初期，因当时电网建设不完善，在一些用电困难的地区，最先采用蒸汽机作 为水泵的动力机。后来因为柴油机和汽油机体积较小使用较方便而取代了蒸汽机，而 且柴油机油逐渐成为驱动水泵的主要动力机。不过，和电动机相比，柴油机因为体积、 振动和噪音较大，其适用范围在不断减小。但是，在一些台风较多的国家和地区，一 旦电网供电遭遇台风破坏时，排水泵站难以及时恢复运行，将会造成很大的经济损失。 因此，为了提高泵站的可靠性，这些地区的泵站常常采用电动机和柴油机两种动力机 驱动水泵。 c 水轮泵站 水轮泵站是我国独特的提水工程。其中安装的水轮泵是由水轮机带动水泵抽水的， 其能量转换率高。由于其结构简单，制造维修方便，运行安全可靠，便于综合利用， 而且可以利用山区溪流、潮汐河道、渠道跌水的水位差工作，工程投资少，运行费用 低。不过，因为水轮泵站的设备利用率不高，水资源利用不够充分，使得其发展受到 很大限制，发展速度逐渐减慢，保有量逐渐减少。 d 风力泵站 风力泵站是以风车为动力机的泵站。我国的风力资源很丰富，如何充分利用风力 资源是值得关注的重要问题。风力泵站应该走提水和发电同时并举的道路，在降低运 行费用的同时，增加泵站的发电效益，才能使风力泵站健康发展。 o 太阳能泵站 以太阳能为动力的泵站称为太阳能泵站。太阳能是廉价的清洁能源，有着广阔的 发展前景。目前，太阳能泵站的发展速度比较缓慢。 2 1 泵站概迷 1 2 国外泵站的概况“儿5 1 “ 近几十年来，世界各国广泛应用各类泵站为各自的生产生活服务，下面分别简要 介绍国外一些典型泵站的概况。 1 2 1 荷兰 荷兰是一个地势低洼的国家，约有三分之一的国土面积低于海平面，历史上即以筑堤、 排水、围海造田而著称，再加上部分地区开垦沼泽地等，其排水问题十分突出。为了解决 这些矛盾，荷兰政府兴建了众多的大型排水泵站，迄今已从围海造田中增加土地面积约 6 0 万公顷“。 荷兰排水泵站的特点是扬程低、流量大。1 9 7 3 年在北海入海口建成的爱茅顿排水泵 站，装有4 台贯流式轴流泵，排水能力达1 5 0 m 3 s ，单泵流量3 7 5 耐y s ，最大扬程为2 3 m ， 配套电机为变频调速的异步电动机，电源频率可从5 0 h z 变至1 6 5 h z 。 在水泵设计及装置配套方面，荷兰有世界著名的水力机械专家，可对水泵装置进行性 能测试、水锤计算、模型试验等；在机械方面，可进行振动计算和测量、性能和噪音的监 测等。他们还广泛利用计算机从计算机辅助选型( c a s ) 、计算机辅助设计( c a d ) 到计 算机辅助制造( c a m ) ；从水力、结构优化设计到叶片、导叶加工的严格控制，全程使用计 算机，使产品在高度先进的设计和工艺基础上制造出来。荷兰比较注重科研的投入，科研 力量很强，研究机构齐全，设施非常完善，对水泵及其进、出水流道均有比较系统的研究。 完美的设计和制造，提高了机组的性能指标，增加了泵站运行的安全性和稳定性咛。 1 2 2 日本 日本是一个岛国，国土面积大部分为山地、丘陵，人均拥有的耕地面积较少。为获得 土地面积，日本采用了大规模拦海造地的方法，同时兴建了一批排水泵站，以解决易涝地 区的排渍问题。如今，灌溉排水设旄与自然密切共存，相依相伴。它们在贮存地下水、防 洪、防污治污、国土治理的生态环境中，发挥着极为重要的作用，维护和创造了日本优美 的农村景观和人文文化。 日本全国排灌设备的总提水能力1 1 万m 3 s 。其中排水流量9 4 0 0m 3 s ，提灌流量为 1 6 0 0m 3 s 。全国排灌泵站7 2 0 0 多座，其中中小型泵站占9 3 。在该国众多的大型泵站中， 新川河口排水站共装有6 台直径为4 2 m 的贯流式轴流泵，扬程4 2 m ，单台泵流量4 0 3 s ， 泵站总容量为7 8 0 0 k w 。三乡排水泵站选用了3 台口径为4 6 m 、1 台口径为3 6 m 、1 台口 径为3 0 i i l 的立式蜗壳式混流泵，单台泵流量5 0m 3 s ，设计扬程6 3 m 。 日本的大型离心泵主要用于供水工程。东京都水道局练马给水泵站选用了3 台进出口 口径分别为1 5 m 、1 o m ( 配套功率为5 6 0 0 k w ) 、3 台进出口口径分别为1 2 m 和0 9 m ( 配 套功率为1 9 0 0 k w ) 的双吸卧式离心泵。大阪市水道局城东配水站( 加压用) 选用了4 台 进出口口径为1 2 m 和1 o m ( 配套功率为1 4 0 0 k w ) 和2 台进出口口径为0 8 m 和0 5 m ( 配 套功率为9 7 0 k w ) 的双吸卧式离心泵。日本矿业公司水岛炼油厂( 输送海水) 选用了2 台 进出口口径为0 8 m 和0 6 m ( 配套功率为9 0 0 k w ) 的双吸卧式离心泵14 1 。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 1 2 3 美国 美国西部的北水南调工程经过1 2 年的建设，于1 9 7 3 年竣工。该工程是从加利福尼亚 州的北部把水抽送到南部的洛杉矶，灌溉沿海农田。该工程全线11 2 6 k m ，共有2 2 座大坝， 6 座电站，2 3 座泵站。其中拥有世界上流量和扬程最大的泵站一埃德蒙斯顿泵站。该泵站 装有1 4 台单泵的流量为9 m 3 s ，需提供的静扬程为5 8 7 m ( 不包括管路损失) ，效率为9 2 2 ， 转速是6 0 0 r p m ( 与电动机同) ，配套电动机功率为6 万k w 。泵站总流量为1 2 5 m v s ，配套 总功率8 4 万k w ，年耗电量约6 0 亿k w h 。水泵为立轴4 级串联，高9 4 5 m ，转轮直径4 8 8 m ， 重2 2 0 t 。水泵与电动机直联，机组总高近2 0 m ，重4 2 0 t 。大古力泵站是美国焦躁的大 型泵站。该站安装有6 台立式混流泵和6 台抽水蓄能机组。混流泵单泵流量为4 5m v s ， 扬程9 4 m ，配套电机为4 7 8 0 7 k w 。蓄能机组抽水能力为4 8 m 1 s 。 总而言之，国外泵站技术装备好，在运行、管理方面自动化程度高，监控系统很完善。 这样，既提高了泵站运行的安全性、可靠性和经济性，又节约了人力资源，为工程的维护 提供了可靠依据。国外泵站技术装备、投资和经营管理、人员培训机制方面，很多都值得 我们借鉴和学习。 1 3 国内泵站的概况“1 n 1 1 新中国成立以来，我国人民大修水利，泵站建设得到了突飞猛进的发展，主要经历了 起步、提高、发展和巩固等四个阶段。”1 截止2 0 0 4 年底，全国已拥有大、中、小型固定 灌排泵站5 0 余万座，机电灌排动力保有量近8 0 0 0 万k w 。全国泵站灌排总效益面积达5 3 亿亩，其中灌溉面积：4 6 8 亿亩，排涝面积0 6 2 亿亩。1 1 3 1 机电排灌泵站 我国机电排灌泵站的主要特点是：数量大、范围关、类型多、发展速度快。根据不同 的自然条件，我国机电排灌泵站的主要类型有： a 长江中下游及珠江三角洲以低扬程排涝泵站为主的地区，主要包括长江中下游地 区的湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江和珠江三角洲地区的广东等7 省。该地区地势 平坦，低洼易涝，泵站工程主要以排为主，灌排结合。该区泵站的特点是以低扬程、大流 量，年平均利用小时不高的排涝泵站为主。 湖北樊口泵站的水泵口径为4 o m ，单泵流量为5 3 5m 3 s ，水泵额定扬程9 5 m ，配套 功率为6 0 0 0 k w ，是目前我国单泵容量最大的轴流泵站。 b 黄河中上游以高扬程多级提灌泵站为主的地区，主要包括黄河中上游地区的陕 西、甘肃、宁夏、山西、内蒙古5 个省( 区) 。该区泵站的特点是以高扬程双吸式离心泵 多级提灌泵站为主；发展速度快、类型较单一，单座泵站规模大；扬程一般在l o o m 以上， 最高可达8 0 0 多米。 由于建站时泵型选择和地形的限制，泵站都建成若干级，每级泵站扬程在3 0 m - 8 0 m 左右。一处泵站群多为五级以上，最多的高达3 8 级。 甘肃的景泰川提水工程于1 9 7 4 年完成第一期工程，设计流量1 0 5 6m 3 s ，灌溉面积 4 1 泵站概述 3 0 4 2 万亩，共分1 1 级，累计扬程4 4 5 m ，总装机容量6 4 0 0 0 k w ，最大单泵容量为2 0 0 0 k w 。 第二期工程1 9 8 4 年开始兴建，设计灌溉面积4 9 9 万亩，共分1 8 级，累计净扬程4 4 5 m ， 总扬程7 0 8 m 。 陕西东雷提灌工程设计流量6 0m 3 s ，共分8 级，累计净扬程3 1 1 m ，总装机容量为 1 2 0 0 0 0 k w 。其中二级泵站的水泵额定扬程为2 1 5 m ，单泵容量为8 0 0 0 k w 。 c 丘陵地区蓄、引、提相结合，合理设置泵站，使之与水库、渠道相通，以泵站提 水解决地势高低变化复杂，地块分布零散的问题。 1 3 2 跨流域调水泵站 近年来，跨流域调水工程正在我国迅速发展。随着经济的迅速发展，沿海大中城市的 用水量大幅度增加。在当地水资源不足，海水淡化成本很高的情况下，跨流域调水工程成 为解决用永紧张状态的重要途径。 “南水北调”工程是我国最大的跨流域调水工程。该工程共分东线、中线和西线三条 调水路线。东线工程由江苏的江都和泰州引江水利枢纽从长江取水，通过多级泵站提升到 达沿线最高的黄河，经隧道穿越黄河后，经京杭大运河自流到达天津。中线工程从湖北丹 江水库取水，经河南、河北自流到达京津地区。虽然中线输水干线上无须提水泵站，但沿 途很多分水处都需要泵站加压。西线工程是从长江上游的金沙江、雅砻江和大渡河取水， 跨越巴颜格拉山调往黄河上游，目前已经开始规划，主要解决青海、甘肃、陕西、内蒙古、 山西等地的用水困难。 东线第一期工程输水干线6 4 6 1 a n ，新建和扩建2 0 座大型泵站，提水流量为5 0 0m 3 s 第二期工程抽水7 0 0 3 s ，其中通过隧道穿越黄河的流量为2 0 0m 3 s ，全线共3 7 座泵站， 总功率达8 0 万k w ，输水线路长1 1 5 0 k r a 。淮安二站安装的是我国口径最大的轴流泵，口径 为4 5 m ，单泵容量为5 0 0 0 k w 。皂河泵站安装的则是我国最大的立式蜗壳式混流泵，口径 为6 o l ，单泵流量为l o o m 3 s ，扬程6 m ，配套功率为7 0 0 0 k w 1 3 3 抽水蓄能泵站 抽水蓄能泵站在我国有着广泛的发展前途。我国最早的抽水蓄能泵站是1 9 6 0 年建成 的河北省平山县岗南抽水蓄能泵站。广东省从化抽水蓄能泵站，上下水库建在流溪河支流 的召大水和九曲水上，落差为5 8 8 m 。上下水库用2 2 0 0 m 长的压力隧道相连，下厂房内安 装4 台3 万k w 的抽水蓄能机组，装机容量为1 2 0 万k w ，该泵站是为大亚湾核电站调峰 而建的。 1 3 4 大型潜水电泵站 近年来，由于潜水电泵安全可靠性和自动耦合装置等技术问题得到解决，是潜水电泵 的大型化提到了议事日程。2 0 世纪9 0 年代以来，我国的大型轴流式和混流式潜水电泵发 展很快，其口径从3 5 0 n n n 已发展到1 6 0 0 r a m ，单泵流量己超过8 哪3 s 。潜水电机的工作 电压由3 8 0 v 增加到6 0 0 0 v 和1 0 0 0 0 v 。这些大型潜水电泵站已在国内城市给水排水、农业 灌溉排水和工业供水和排水等方面得到了广泛应用。 5 西安理工大学工程硕士学位论文 总之，我国的泵站工程建设发展的很快，给国家防洪、除涝和抗旱、减少灾害损失， 保障人民生命财产安全和保护城乡建设，以及解决一些地区工业生产、城乡生活用水等方 面发挥了极其重要的作用，做出了巨大的贡献。但与发达国家相比，我国泵站普遍上还存 在着先期设计不合理，建设标准低；老化失修严重；能源消耗超标；效益衰减，抗灾能力 减弱；技术落后，自动化程度不高等多方面的差距。 我国泵站存在的问题，已经引起各级政府部门的重视，自上世纪9 0 年代以来，掀起 了大规模的泵站改造，目前大型泵站的改造已列入国家“十一五”发展规划 1 4 泵站工程的发展趋势 认真总结国内外泵站发展经验，将可以不断促进我国泵站工程的技术进步和健康 发展。泵站工程的发展趋势有以下几个特点： a 应用范围日益扩大 以往泵站工程多用于农业灌溉排水和城市给水排水。谁着近代城市和工农业生产 迅速发展，大规模的南水北调工程和沿海城市的调水工程将有广阔的发展前景。在工 业供水方面，泵站工程己成为火电厂和核电站等工业企业中锅炉给水和循环冷却水系 统不可缺少的组成部分。在工程施工中，基坑排水、井点排水、水力开挖土方及泥浆 输送等都具有广泛的发展前景。这些都需要水泵和泵站。 b 工程规模逐渐增大 随着工农业生产的不断发展，泵站工程的规模也在逐渐增大。近年来，除量大、 面广的泵站工程外，主要发展动向是“高、大、深”，即在高扬程、大流量及深井提水 方面发展很快。目前，我国灌溉用泵的单泵扬程已达2 4 0 m ，低扬程大流量泵站中单泵 流量己达1 0 0m a s ，深井提水的最大深度己达2 5 0 m ，单泵容量已从8 0 0 k w 发展到8 0 0 0 k w 由于工农业生产的需要，大型泵站工程将会逐渐增多。 c 高效节能的要求更高 过去，泵站工程的建设考虑工农业生产的需要和节约工程投资方面的问题较多， 很少考虑泵站工程的能量消耗和运行费用，致使不少泵站工程长期处于低效工况下运 行。这不仅增加了能量消耗，而且把节省下来的投资转嫁给了运行费用。对全国的很 多泵站进行测试和普查证明，泵站效率普遍偏低。因此，全国开展了一系列泵站节能 技术方面的研究和规模较大的技术改造工作，并取得了明显的经济效益。 d 安全可靠性要求更高 随着多级泵站提水、抗洪抢险以及工业企业工艺流程的需要，对泵站工程的安全 可靠性的要求也越来越高。对大范围的农田和城镇排水、矿井排水的可靠性，不仅会 影响工农业的产量，而且会给人民群众的生命财产造成很大威胁。越来越多的人认识 到，泵站的可靠性不仅是泵站本身的问题，而且已成为影响地区社会发展和社会效益 的重要因素。 e 自动化水平不断提高 6 1 泵站概述 现代泵站工程自动化已经进入采用计算机技术来代替人工操作，同时还可以完成 人工所不能及时判断和处理的各项任务的人工智能阶段。其内容包括泵站工程规划和 优化设计计算、相关文件的自动生成和自动化绘图等，也包括泵站内部的机电设备自 动化操作和保护、故障分析处理与事故报警、优化调度与运行、泵站科学管理等。由 于机组容量的不断增大、泵站工程的安全可靠性和节约能源要求的不断提高，靠人工 手动操作是难以满足要求的。国外不少泵站已经实现了无人值守的全自动控制。在我 国，也有一些泵站开始重视这方面的研究和实施。 f 更加讲究投资效益 泵站的投资主要包括工程建设中的投资和工程建成后每年的运行费用。工程效益 主要指泵站在发展工农业生产和提高人民生活水平方面发挥的效益，包括经济效益和 社会效益。现在不少泵站工程开始重视泵站工程的投入产出，运用系统工程的观点和 方法，以及优化理论解决工程投资、运行费用和工程效益之间的关系，从而使泵站的 规划设计和运行管理水平明显提高。 1 5 交口灌区泵站的概况 1 5 1 泵站的概况 新中国成立以来，在党和政府的领导下，陕西省水利建设事业取得了辉煌的成就，电 力提灌工程得到了快速发展，泵站从无到有，规模从小到大。1 9 5 5 年建成我省第一批四 座机灌泵站；1 9 5 9 年建成渭高电力抽水工程，1 9 7 0 年我国抽水灌溉面积最大的交口抽渭 灌区建成，总灌溉面积1 2 6 万亩，1 9 7 5 年动工建设东雷抽黄一期灌溉工程，累计抽水扬 程高达3 3 1 7 m ，总灌溉面积9 6 万亩；1 9 9 0 年又开工建设东雷抽黄续建工程，灌溉面积 t 2 6 5 万亩。截止2 0 0 4 年底，全省共建成大、中、小型电力排灌泵站1 1 2 8 6 座，总装 机容量6 6 6 8 万k w ，抽水设施灌溉面积8 8 5 4 5 万亩。其中大( 一) 型2 处，共建泵 站6 5 座，安装机组2 0 3 台，总装机2 3 3 2 万蝌，抽水有效灌溉面积1 2 1 7 0 万亩； 大( 二) 型4 处，共建泵站7 l 座，安装水泵机组2 9 4 台，总装机9 6 8 万k w ，抽水 有效灌溉面积2 1 8 2 6 万亩：中型3 7 处，共建泵站1 1 2 座，安装水泵电动机组4 7 1 台， 总装机容量7 3 6 万k w ，抽水有效灌溉面积8 7 0 6 万亩；小型2 5 9 4 处，共建泵站3 0 9 8 座，安装水泵机组6 5 1 7 台，总装机容量1 6 7 8 万k w ，抽水有效灌溉面积2 4 8 4 3 万亩， 全省抽水有效灌溉面积5 9 7 0 2 万亩，其中2 4 0 座分布在关中地区，有效灌溉面积 4 2 0 6 6 万亩，占全省大中型泵站有效灌溉面积的9 8 5 儿川。 陕西省交口灌区位于渭河下游关中平原东部，西起西安l 临潼区石川河畔，东到大荔县 沙苑地区，东西长约5 4 k i n ；南临渭河北岸，北至蒲城县卤泊滩，南北宽约3 0 1 c a n 。灌溉 着西安和渭南两市六县( 区) ，设施灌溉面积1 2 6 0 万亩，有效灌溉面积1 1 2 9 6 万亩。 交口灌区属暖温带半干旱季风区，春季少雨多风，气候干燥；夏季高温炎热，常有伏 旱和局部暴雨；秋季气候温凉，多连阴雨；冬季晴冷干燥，风多而雨雪稀少。灌区多年平 均降雨量5 4 1 5 m m ，多年平均蒸发量1 2 3 4 7 衄，蒸发量是降雨量的2 2 8 倍，故有“十年 7 西安理工大学工程硕士学位论文 九早”之说。 交口灌区分两期建成，1 9 6 0 年2 月一1 9 6 0 年1 0 月建成一期工程，完成灌溉设施面积 5 4 万亩；1 9 6 6 年1 0 月一1 9 7 0 年4 月建成二期工程，完成灌溉设施面积6 4 万亩。现为一 个直接以渭河为水源一处取水、分级提水的灌溉工程“。 交口灌区是一个灌排并举的大型电力提水灌区，共建有抽( 捧) 水泵站3 l 座，安装 机组1 3 3 台( 套) ，总装机容量3 1 2 4 9 万k w 。其中抽水泵站2 6 座，装机容量2 6 8 0 9 k w ，分 八级抽水，最高累计总扬程9 5 8 3 米( 净扬程8 6 2 5 米) ；渠首设计抽水流量3 7m 3 s ，加 大抽水流量4 1m 3 s 。排水泵站5 座，安装机组2 9 台( 套) ，装机容量4 4 4 0 k w ，最大排水 能力3 8 m 3 s 。 按照供电电压来划分，高压泵站6 座，其中包括1 座排水泵站，供电电压分别为6 k y 和l o k v ，总装机容量2 1 1 4 5 k w ；低压泵站2 5 座，其中包括4 座排水泵站，供电电压为3 8 0 y ， 总装机容量l o l 0 4 k w 。 自上世纪九十年代以来，经过国家农业综合开发项目、世行改造项目和节水续配等多 个项目的改造，现在各抽水泵站的机电设备都得到了更新，泵站装置效率得到了提高，能 源单耗指标有所降低。 1 5 2 存在问题 1 9 7 8 年以后，特别是1 9 8 3 年以后，随着我省农村改革的深入发展，联产承包责任 制的实行，有效地培育了农业发展的激励机制，拓展了农民自身行为选择的空间，促使其 有效地将资源配置到生产活动中，从而使结构调整的主体从政府转向农户。过去是政府依 靠宏观的政策和行政手段直接干预作物种植计划，灌水时间、灌溉流量，都由公社大队统 一安排。现在则由农民掌握调整的主动权，农民依据市场需求、价格、水价、农作物的需 水情况，适时适量地向水管部门提出用水申请。因此农作物年灌溉用水量与过去相比有显 著变化。以我省宝鸡峡、泾惠渠、交口抽渭、洛惠渠四大灌区为例，1 9 7 8 1 9 8 2 年之间 用水量均保持在较高水平，从1 9 8 3 年1 9 9 7 年四大灌区斗口用水量呈下降趋势“”。 随着农村经济体制改革的深入发展，农业和农村经济结构的快速调整，农业灌溉用水 量呈现出了大流量短历时，小流量长历时的特点。原来的单座泵站安装的小流量机组偏少， 单泵抽水流量偏大与农业用水的小流量长历时的矛盾日益突出，为了满足农业适时用水， 泵站应该设有小流量的水泵或利用变频调速装置，扩大泵站可供水流量范围，为农业实行 合理用水，进一步节水节能创造良好条件。 农业和农村经济结构的快速调整，农民以市场为导向，以效益为中心，以增收为目标， 积极适应市场对农产品优质化和多样化的需求，发展优质高产高效农业。名、特、优、杂 经济作物品种增加，为水管部门开拓了新的水市场，但是这些农作物生长阶段的需水时间、 需水量都不同，使得同一时间作物灌溉用水量减少，灌溉用水时间延长 t 3 i 近年来，影响交口灌区灌溉效益的主要问题是：农村体制的变化，农民自立耕作，作 物种植田块分散，种植结构复杂，面对千家万户，作物需水时效差异大，用水流量变化幅 8 1 泵站概迷 度大。冬春灌溉时间长，灌溉开始及后期引用流量偏小，要求泵组减少出流，小负荷运行； 而夏灌期间，作物需水时效集中，引用流量大，要求泵组满负荷大流量运行，以抢引河源 有限流量，满足作物适时灌溉。这就要求泵组单机出流量能大能小，可以任意调配。 交口灌区各泵站都配置多台水泵，配置方案一般采用一台或两台小流量泵和另外几台 大流量泵相结合，一台小流量泵的流量多为一台大流量泵流量的一半左右。这种配置方案 已经难以适应近年来的灌溉需求。 回顾总结灌区灌溉面积为什么发展缓慢，泵站经营入不敷出，其中一个主要原因是泵 站的单机流量过大，不适应当前农业灌溉用水小流量长历时的特点，也是水管单位自身滚 动发展能力薄弱，可持续发展潜能不足的重要原因所在“。 为了适应这种灌溉需水现状，交口管理局出台多种方法和措施，安排灌溉人员深入用 水农户家中，掌握第一手信息，及时汇报给配水部门。配水部门及时协调各泵站之间的用 水关系，统一安排各机电部门开启、关闭机组的数量，来配置用水量。这就更要求机电管 理部门平时维护和检修好机电设备，做到“随叫随开”，服从安排。 虽然各部门协调合作，但是由于机电设备固有特性的限制，和水这种流体的特性，使 灌溉期问经常发生弃水、倒水的不良现象。这就使得灌溉效益不好，机电设备的性能发挥 不出来，能源单耗指标偏高，达不到泵站改造的要求。而这也反过来加重了灌区农民的负 担，影响了农民种地的积极性。 1 6 本论文的研究内容和意义 1 6 研究内容 在2 0 0 3 年3 月，交口灌区管理局在经过一定的研究论证的基础上，在固市抽水站先 安装了一台变频器进行试验，随后在全灌区进行推广。现在经过近几年的运行和现场测试， 运行工况、性能良好，节能效果比较明显。 但是由于灌区水泵电机数量众多，型号各异，而且电网供电质量较差，再加上水源含 沙量较大的特点，使得变频器在各抽水泵站使用的过程中，情况大不相同。 本论文主要研究内容： a 仔细分析水泵、异步电动机、变频器等机电设备原理； b 进行现场测试，对安装变频器后机组的实际节能效果进行量化分析； c 对安装变频器后产生的综合效益进行分析，提出变频器优化运行的管理模式； d 在灌区高压( 6 k v 、1 0 k v ) 抽水泵站安装变频器进行可行性研究分析 1 6 2 意义 本论文主要研究意义： 色是适应灌区用水市场，解决多级泵站水量调配难题，提高水量对口率的需要。 b 是降低能耗，减少维修费用，提高灌溉经济效益的需要。 c 是减小职工劳动强度，以人为本的科学发展观的需要。 d 是建设资源节约型、环境友好型社会的需要。 9 西安理工大学工程硕士学位论文 2 泵站主要设备的运行原理m ， 泵站的主要设备包括水泵和电动机。大型轴流泵和立式导叶式混流泵是我国大型泵站 的主要泵型。三相交流异步电动机在泵站占有绝对的数量。首先我们分析了解水泵的调速 运行原理和交流异步电动机原理。 2 1 水泵的调速运行 水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工况点的 位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的工况点是由自 身性能曲线h q 和装置需要扬程曲线i - i z q 的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的 形状或位置有了改变，工况点的位置也就随之改变。所以，水泵的调节从原理上讲是通过 改变水泵的性能曲线或装置需要扬程曲线或二者同时改变来实现的。 水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调 节方式，即改变装置需要扬程曲线进行调节。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很 大的能量损失。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的 主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并改进它们的调节方式，是节 能最有效的途径和关键所在”。 目前常见水泵的调节方法有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节、液力偶合 器调节、变极调速、变频调速、绕线式异步电动机的串极调速等。 2 1 1 节流调节 节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡板的开 度，以改变管路局部阻力损失，使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置 的变化。 节流调节具有调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少等优点，故以前各种 离心泵多采用这种调节方式。但由于其能量损失很大，目前已逐渐被其它调节方式所取代。 2 1 2 动叶调节 采用动叶调节的轴流泵、混流式泵，他们都有较大的轮毂，故可在轮毂内部安装动叶 调节机构，从而使动叶调节得以实现。轴流式、混流式泵的动叶调节机构有液压调节和机 械式调节两种类型，对于大型的泵，均趋向采用液压传动调节。 动叶调节有以下特点： a 轴流式及混流式泵采用动叶调节方式时有较宽的高效区，这就意味着在调节过程 中其效率变化很小，能在较大范围保持高效率。 b 动叶调节不但可从安装角为零向减小流量方向调节，也可向增大流量方向调节。 因此，在选择水泵时可把1 0 0 流量的额定工况点选在最高效率点，而把考虑安全裕量的 最大流量点选在大流量侧。这就使得水泵在实际运行时经常处于最高效率点附近。 c 动叶调节的轴流式、混流式水泵的初投资较高，但具有高的运行效率，适用于大 容量水泵需要调节范围宽的场合。 1 0 2 泵站主要设备的运行原理 2 1 3 液力偶合器 水泵通过液力偶合器实现变速调节，其主要目的是为了节能，尤其是为了在水泵的流 量调节量较大时的节能。但从液力偶合器的特性来看，其调节效率等于转速比，故当调节 量越大，其转速比越低，传动效率也越低。 液力偶合器的优点有无级变速、工作平稳、隔离振动、无机械磨损和节能，还比较便 于实现自动控制，适用于各伺服系统控制。 液力偶合器的缺点：在电动机额定转速较低的场合，要求同样的转矩而采用较小的转 速时，液力偶合器的工作腔直径将加大，即液力偶合器的尺寸和重量将相应增加，这不但 增加造价，而且还会使偶合器调速的延迟时间增加，不适应处理紧急事故的要求，对于大 功率的液力偶合器，除本体外还要有一套诸如供油泵、冷却器、油箱等辅助设备与管路系 统，使设备复杂化：在运转中随着负载的变化，转速比也相应变化，因此不可能有精确的 转速比；液力偶合器一旦产生故障，水泵也不能继续工作。 2 1 4 电磁转差离合器 电磁转差离合器又称电磁离合器、涡流联轴器等。由于鼠笼式电动机本身的转速基本 上是不变的，故电磁调速电动机的机械特性主要是指电磁转差离合器的机械特性。机械特 性是指负载( 水泵) 的转速与负载转矩之间的关系，机械特性与励磁电流值i m 有关。当 励磁电流较小时，机械特性较软( 即随着负载转矩的变化，转速变化较大) l 当励磁电流 较大时，机械特性较硬。励磁电流越小，特性越软。所以，这种特性不适宜用于水泵在转 速稳定的情况下运行。 电磁调速电动机的主要优点是：可靠性高，只要把绝缘处理好，就能长期无检修运行； 控制装置的