大型水泵机组变工况方式的选择

大型水泵机组变工况方式的选择

0按水泵扬程的变工况运行水生百合工程是国家重点工程。分层站总安装功率为1117.7w。年运营时间超过5000小时，年运营成本30.40亿元。项目影响广泛，运营成本高，尤其是分级泵站。如果同时出现问题，将影响整个项目的正常运行。另一方面,泵站每提高1%的运行效率,每年即可节省数千万元的运行费用。因此,工程要求泵站在保证运行可靠性的前提下,提高运行效率,降低调水成本。由于工程梯级泵站情况各不相同,有些泵站扬程变化频繁,泵站机组在相当一部分时间内偏离高效区运行,运行费用增加。而根据泵站扬程的变工况经济运行是提高泵站运行效率的有效途径。因此,在规划设计选型阶段要根据经济运行和起动、停机及正常运行的需要,正确合理确定各级泵站的变工况运行方式,在运行阶段正确实施运行方案。1机组运行维护大型水泵工况调节方法有:变叶轮叶片角、变频调速、采用双速电动机和可调前导叶角等。工况调节的主要作用有:①经济运行;②减小机组起动功率,防止过载;③减小机组运行功率,防止过载;④调节流量(如增大排涝流量);⑤安全停机断流。Szychta分析了泵装置效率与流量、扬程和转速之间的关系,提出了装置效率与这些参数之间的函数关系,提出了一种自动控制系统,根据泵装置运行扬程,通过变速调节使装置效率最高。1.1机械全调节机构大型水泵一般采用叶片全调节方式。叶片全调节机构费用占水泵设备费用的1/3～1/4左右,液压全调节系统包括调节机构、油压装置、中压压缩空气系统,设备费用大于机械全调节机构。叶片全调节机构可用于调小叶片角,减小机组起动转矩(限于运行全调节);正常运行时调至小角度运行,保证电机不过载(如江苏皂河泵站叶轮直径5.7m立式蜗壳式混流泵配7000kW电机);调大叶片角,增大抽水流量。如表1,水泵调至最大正角度运行,流量可增大15%～20%。油压式调节机构可靠性高,耐久性好,但系统复杂,管理操作烦琐。机械式调节机构结构紧凑,操作简便,是发展趋势,目前己广泛使用,但可靠性还有待提高。叶片调节方式比较如表2所示。1.反渗透水泵采用机械全调节方式的泵叶轮直径0.85m以下的水泵轮毂和轴颈较小,设置全调节机构较为困难,一般做成半调节式。半调节机构简单、成本低、可靠性好,若泵站起动要求不高,运行扬程变化不大,则对叶片调节功能要求不高,更大的水泵(叶轮直径可达3m左右)也可采用半调节式。停机全调节在机组不运行时由人工调节,一般用于叶轮直径1～1.4m的水泵。液压式全调节因采用油压装置,系统复杂,辅助设备多,设备费用高,运行操作、管理维护烦琐,2.0m以下的水泵一般不采用,常用于2.0m以上的水泵。与液压式叶片调节方式相比,机械式运行全调节机构调节力较小,但设备紧凑、费用少,管理方便,主要用于1.5～2.0m的水泵,若扬程不高,叶轮设计合理,要求调节力不大,也可用于3.0m左右的水泵。如江苏省刘老涧泵站采用3.1m立式轴流泵,设计扬程4.2m,采用了机械式运行全调节,在3m以上的大泵上采用机械式全调节,这是首次,但可靠性有待提高。不同叶轮直径的水泵可选用的叶片调节方式如表3所示。机械式全调节是发展方向,但要应用到更大及较高扬程的水泵,则应从机构合理设计和减小需要调节力方面进行研究,提高其可靠性。油压式叶片调节方式虽然需要油压装置,系统复杂,但因其可靠性高,调节量大,技术成熟,在机械式可靠性没有很好解决的情况下,对叶轮直径3.5m以上的水泵目前仍是首选。2.机组撞击按泵站特点选择叶片调节方式如表4所示。叶轮直径为0.87～3.1m的水泵,叶片调节方式有2种或3种选择,选择哪一种,根据泵站特点和要求确定。根据水泵叶片调节的作用,不同泵站对叶片调节功能的要求也不相同。轴流泵站为保证不因起动、停机或误操作闭门而致电机过载烧损,一般采用虹吸式出水流道,但因起动时出水需翻越驼峰,而此时驼峰真空还未形成,正常起动扬程较大。为减小起动扬程和电机起动功率,减轻机组起动振动,可以调小叶片角度起动,稳定运行后再调至正常角度,叶轮直径在1.5m以上的水泵需采用运行全调节。年运行时间较短的泵站,运行费用和装置效率为次要因素,一般不进行变角经济运行,初次投资为主要因素。如果采用平直管出水,机组起动扬程不是很高,达不到不稳定区,则即使较大的水泵,仍可采用半调节叶轮。如安徽省凤凰颈泵站叶轮直径3.1m的轴流泵仍采用半调节,与液压式全调节相比,节省了水泵费用的1/4～1/3和两套油压装置。泵站年运行时间较长,运行费用大,则泵装置效率为主要因素,若进出水水位经常变化,为提高装置效率,实现变角经济运行,宜采用全调节水泵。1.2交流交流变频装置城镇自来水厂因其运行时间长,较早应用变频调速经济运行,一般变频装置功率不大。随着变频装置功率及其可靠性的提高,使得大型泵站变频调速经济运行成为可能。利用变频装置还可低速起动,低速停机,减小功率,提高机组运行的安全可靠性。1.3水泵调节机构造价针对水库不同季节的调蓄水位,深圳向香港供水的东深供水工程泵站采用了双速电机,水泵装置具有两个不同扬程的高效区,装置效率明显提高。但电机造价增加,不能连续调节,且需停机改变电机接线,没有改善机组起动和停机性能。水泵叶轮叶片调节机构造价高,叶片根部密封易失效,液压调节方式操作维护难,机械调节方式可靠性低,不宜频繁调节。德国KSB公司设计生产的具有可调前导叶的立式导叶式混流泵,机构简单可靠,造价低。由于可调前导叶水泵等效率线长轴基本与流量-扬程曲线平行,因而泵站扬程变化对效率的影响不大,即用于针对扬程变化的泵站经济运行的效果并不显著。2梯级泵站及水泵规格大型泵站机组工况调节方式的选用主要取决于机组起动、运行特性、泵站形式、泵站水位及扬程情况和运行时数长短。南水北调东线工程应根据泵站和机组特点,在满足技术和使用要求的前提下,选择可靠性好、成本低的工况调节方式。本工程黄河以南输水干线全长651km,设13级泵站,经洪泽湖、骆马湖、微山湖和东平湖等调蓄湖泊。如图1,根据水位、扬程情况,梯级泵站可分为源头站、中间站、进湖站和出湖站。由于本工程设计年运行时数5000h以上,年运行时间长,运行费用大,梯级泵站应该实现优化调度和经济运行,因此,机组工况调节方式同时应能满足经济运行的要求。根据我国40多年大型泵站应用情况,从经济性、可靠性和技术性各方面综合考虑,本工程梯级泵站宜选用叶轮直径为2.5～3.1m左右的混流泵和轴流泵。轴流泵在高扬程、小流量区域运行时,功率较大,且存在不稳定工况区。如果采用直管出水、快速闸门断流,机组起动过程中的启门时间及速度、停机过程中的闭门时间和速度难以掌握,特别是误操作,容易造成闭门运行而过载,损坏机组。如某轴流泵站因操作电源失电引起流道闭门误操作,造成泵站所有机组电机烧毁的重大事故。因此,轴流泵宜采用虹吸式出水流道,虽然起动扬程较大,但可以避免发生闭门运行。由于混流泵具有流量-功率曲线平缓、高效区范围宽等优点,因此本工程应优先选用。采用混流泵的泵站,由于不存在闭门过载问题,宜采用水力损失较小的平直管出水流道,快速闸门断流。2.1控制合理的限制扬程变化,设置交流推动液压系统本工程源头泵站从江苏省境内长江三江营附近取水,取水点距长江入海口较近,受海水潮位影响明显,一天两次高潮、两次低潮。根据泵站取水点附近上下游水文站实测资料内插,1951～1998年6～9月份,月平均最高和最低潮位如表5,平均潮位差达2.353m。源头泵站可以根据扬程变化情况,实现变角经济运行。由于前池水位受潮位影响,泵站扬程变化频繁,要求频繁调节叶片角度,叶片根部与轮毂之间的“λ”型橡皮密封极易损坏,造成轮毂腔内用于密封润滑的油体泄漏污染水质和环境,或轮毂腔进水引起叶片调节操作机构锈蚀受损。因此,水泵叶片不宜频繁调节。源头泵站宜设置变频装置,实现变速经济运行,经济上是合理的,技术上也是可行的。以江苏省泰州引江河口高港泵站设2000kW变频装置为例,设备及安装调试费用约需110万元,按年运行5000h计算,3至4年所节省的电费即可收回增加的设备投资。通常,大型泵站变速经济运行效果好于变角经济运行。如果实现变速-变角综合经济运行,泵装置效率还可再提高1～6个百分点(如图2),节能效果十分明显。而且,泵站还可利用变频装置实现机组低速起动和低速停机,防止电机过载,提高安全可靠性。2.2按水泵扬程调节本工程梯级泵站的中间泵站通过输水河道与上、下梯级泵站相连,对确定的输水河道,其运行扬程与上级泵站出水池水位和下级泵站前池水位及输水流量有关。因此,泵站扬程可以进行调节控制。采用运行全调节叶轮,基本能够满足泵站经济运行和机组无过载起动、停机的需要。由于泵站扬程变化频度低,叶片调节次数少,叶轮直径3.0m左右及以下的水泵宜采用机械式运行全调节机构,以节省设备投资,简化运行管理,同时可靠性也能保证。2.3水泵扬程变积比为510进湖泵站前池和出湖泵站出水池分别通过河道直接与上级泵站和下级泵站相连,其水位可以控制基本不变,进湖泵站出水池和出湖泵站前池与调蓄湖相连,其水位随不同季节的调蓄水量而变,因而泵站扬程变化较大,但不频繁,采用变频调速和变角都可以实现经济运行和机组安全起动、停机,变频调速经济运行效果更为显著,但设备成本较高。几种变工况运行方式比较如表6。3按水泵流量为导向,采用交流变工况运行南水北调东