離心泵供水泵站自動化系統變頻運行工況研究

曹 揚

（山西省水利建筑工程局集團有限公司 山西太原 030006）

0 引言

山西省某供水泵站實驗室自動化系統自建成以來，多次進行更新改造，目前實驗室平臺運行穩定，組態界面友好，經多次改造后，愈趨于智能化、高精度化、人性化運行管理[1]。由于線路及自動化監測系統更新改造過程歷時較長，為檢驗現有線路及監控程序的準確率，本文擬將泵站實驗室在變頻運行的不同工況下的數值模擬結果與實測結果進行比較分析，以期尋求規律性結論，為大型泵站工程提供參考經驗。

1 山西省某供水泵站實驗室簡介

山西省某供水泵站實驗室于2012年初步建成并完成計算機自動監控系統安裝調試，2018年對部分泵站設備進行更換與維護，進行供水泵站管路改造和老舊水泵更換，優化計算機自動監控系統，增強自動化系統安全性，提高監測精度[2]。

供水泵站實驗室現有臥式離心泵2 臺（TQW100-160A）、液控蝶閥2 個（DN100）、10W1H DN100 一體化電磁流量計1 臺、ASQ-100 電動蝶閥1 個、PMC41系列壓力變送器9 只、PLC 控制柜、工控機等設備儀器。管路設計采用鋼管，進水管管長3.2 m，出水管管長1.43 m，總管管長12.72 m。供水泵站實驗室管網布置示意圖如圖1所示。

圖1 供水泵站實驗室管網布置示意圖

本實驗系統帶有變頻運行調節功能，但由于實驗室建設期所采用的變頻器功率限制，只能實現在實驗過程中兩臺水泵中的一臺水泵進行變頻運行，因此基于供水泵站實驗室的變頻運行模擬對比實驗可分為以下兩種工況：1）單獨一臺水泵變頻運行；2）同型號的兩臺水泵，一臺水泵變頻運行，另一臺水泵工頻運行。

2 水泵變頻調節穩態運行的數學模型

2.1 頻率與轉速關系

本系統采用近似方法對實驗過程中的轉速進行測量，根據實驗系統在工作狀態下的運行頻率間接反映電動機轉速。其工作原理為：根據系統變頻器輸送至PLC 控制柜中的頻率信號所占整個系統額定頻率信號的比值近似換算為電動機的瞬間轉速[3]。

對于異步電動機而言，其轉速n受到轉差率S的影響，通過公式（1）進行計算：

式中：n0表示交流電動機的同步轉速，其值與電源頻率f、磁極對數p等參數相關，如公式（2）所示：

將公式（1）和公式（2）聯立求解，可以得到異步電動機轉速n 的表達式：

由此可得，若要實現交流電動機轉速調節，可以通過改變電源頻率f、磁極對數p或轉差率S中任意參數即達到改變轉速的目的，由于本系統在建設時所采用的電動機磁極對數一定，在轉差率變化范圍較小的區域內，電動機轉速與電源頻率基本呈現成正比例關系[4]。故本系統采用變頻器作為變頻電源對水泵轉速進行調節，通過變頻器的工作從而改變離心泵電動機的電源頻率，當電源頻率發生變化時，電動機的轉速亦會發改變，進而實現改變離心泵轉速的目的。

在實際運行及模擬中，水泵的轉速變化應控制在一定范圍內。水泵轉速的下降幅度應控制在30%范圍內，若水泵的實際降幅超過30%時，實際的等效率曲線將會與相似拋物線相差較大，即相似工況點對應的效率與水泵在實際運行中的效率不可等同對待，實際運行中的水泵效率大幅下降，如果再采用比例率公式進行變頻運行工況求解就會引起較大偏差；水泵轉速的提高不宜超過額定轉速的10%，過大的轉速會引起電機超載運行，壓力升高，機組振動，損壞設備等嚴重事故。綜上，在進行水泵變頻調節運行過程中，應將水泵的調速范圍控制在額定轉速的70%～110%之間，這一控制要素在編寫軟件程序代碼中已有體現。

2.2 同水位、同型號并聯運行的兩臺水泵在額定轉速下工況點的確定

確定并聯運行水泵在額定轉速下的工作點，可以利用水泵廠家所提供的某種型號水泵特性曲線參數，采用最小二乘法的方法擬合該水泵的Q-H曲線方程[5]，即水泵特性曲線方程：

由于兩臺水泵型號相同，運行水位相同，故兩臺水泵Q-H曲線相同。在已知一臺水泵Q-H曲線的基礎上，采用扣損法的方式扣除并聯節點前進水管、出水管的水頭損失，即得到水泵在扣除損失后的曲線（Q-H）’，方程如公式（5），曲線見圖2：

將曲線（Q-H）’進行橫加法計算，縱坐標（揚程）不變，橫坐標（流量）擴大二倍，方程表示如公式（6），曲線見圖2。

根據管路特性，在同一坐標軸上繪制Q-H需曲線，即管路特性曲線，方程表示如公式（7），曲線見圖2。

圖2 同型號兩臺水泵并聯時的性能曲線

將公式（6）和公式（7）聯立求解，可得水泵特性曲線Q-H曲線和管路特性曲線Q-H需在同一坐標系下的交點B點，B點為同型號、同水位兩臺水泵并聯運行時的工況點。過B點作垂直于縱坐標的垂線，交（Q-H）’于點A，A點為兩臺水泵并聯運行時，單臺泵在整個系統中的工況點。

2.3 同水位、同型號并聯運行的兩臺水泵在變頻調節下工況點的確定

水泵的變頻調節運行采用相似工況法進行求解。

由比例律：

式中：n1、Q1、H1、N1——水泵變頻運行時的轉速、流量、揚程、功率；

n2、Q2、H2、N2——水泵的額定轉速、流量、揚程、功率。

將公式（8）中的轉速替換消元，可得：

公式（10）表示為一條過原點的拋物線曲線，由于滿足比例律關系，所以該曲線上的所有點效率相等。

由公式（4）和公式（10）整合，可得水泵在改變轉速后，其特性方程：

將公式（6）與公式（11）整合，可得兩臺同型號變頻水泵在并聯運行后其特性方程：

管路特性曲線Q-H需曲線方程與水泵在額定轉速工況下運行相同，如公式（7），將公式（7）與公式（12）連立求得兩臺同型號、同水位變頻泵在并聯情況下的工作點。

3 數值模擬計算軟件介紹

本實驗所采用的數值模擬計算軟件是利用Visual Basic 6.0 作為開發語言，自行開發“同型號并聯泵穩態計算軟件”，數值模擬計算軟件界面友好，操作簡便，分為同型號無變頻并聯泵穩態計算和同型號有變頻并聯泵穩態計算兩大部分。軟件初始界面如圖3所示，同型號無變頻并聯泵穩態計算界面如圖4所示，同型號有變頻并聯泵穩態計算界面如圖5所示。

圖3 軟件初始界面

圖4 同型號無變頻并聯泵穩態計算界面

圖5 同型號有變頻并聯泵穩態計算界面

4 結果分析

本實驗利用水泵循環抽取實驗室水箱內的水進行實驗，測得單獨一臺水泵變頻運行、兩臺水泵中一臺變頻運行，另一臺工頻運行兩種工況下水泵的流量、泵后壓力、泵站流量等參數。將實測結果和VB 程序計算機數值模擬結果對比分析，驗證供水泵站實驗室儀器及供水泵站自動化監控系統準確性；在此基礎上，探究水泵變頻運行中，泵站內流量、揚程、效率等參數的變化趨勢，力求為大型泵站工程運行提供參考經驗。

表1 為山西省某供水泵站實驗室所選用的TQW100-160A 型水泵的特性曲線參數。

表1 TQW100-160A 水泵性能參數表

4.1 數值模擬計算結果

一臺變頻泵運行時的模擬成果見表2，一臺變頻泵一臺工頻泵運行時的模擬成果見表3。

表2 一臺變頻泵運行時的模擬成果表

表3 一臺變頻泵一臺工頻泵運行時的模擬成果表

4.2 供水泵站實驗室實測結果

一臺變頻泵運行時的實測成果見表4，一臺變頻泵一臺工頻泵運行時的實測成果見表5。

表4 一臺變頻泵運行時的實測成果表

表5 一臺變頻泵一臺工頻泵運行時的實測成果表

4.3 數值模擬計算結果與實測結果對比分析

一臺變頻泵不同轉速下運行時結果對比分析圖如圖6所示，一臺變頻泵一臺工頻泵不同轉速運行時結果對比分析圖如圖7所示。

圖6 一臺變頻泵不同轉速下運行時結果對比分析圖

圖7 一臺變頻泵一臺工頻泵不同轉速運行時結果對比分析圖

4.4 結果分析

根據圖6、圖7所示，將計算機數值模擬結果與實測結果相對比，可以看出二者在變化趨勢上大體處于基本吻合狀態，由此可得，該計算機模擬系統具有一定的可靠性，可以在實際工程投入運行前，先運用本計算機模擬系統進行模擬計算，以確保工程安全高效運行。

在上述兩種工況下，隨著轉速的增大，水泵的流量、揚程均隨之增大。當兩臺水泵中一臺變頻運行，另一臺工頻運行的工況下，當轉速增大時，變頻泵的效率逐漸減小，工頻泵的效率逐漸增大，當應用于實際工程中時，當多臺水泵處于并聯運行工況時，可基于計算機模擬計算，對變頻泵適當降低水泵轉速，以保證工頻泵運行效率，使整個水泵系統處于相對高效區的轉速范圍。

5 結論

本文利用山西省某供水泵站實驗室進行工頻運行和變頻運行相組合運行的研究方法，以實測數據為基礎，在此基礎上編寫VB 程序進行計算機數值模擬計算，將模擬計算結果與實測結果對比分析，驗證了供水泵站實驗室自動化系統的可靠性，同時提出了供水系統不同運行方式組合下水泵變化規律，為實現供水系統優化調度運行提供參考。但本文僅針對兩臺水泵的不同運行工況進行VB 程序的編寫，后續還需完善改進。