综述Application FrequencyControl Mid--routeProject South—to-North Water Diversion 摘要:惠南庄泵站工程配套大型异步电动机变频驱动,以适应调水下程大 幅度流量调节需求。文中结合工程特点,合理配置设备,使泵站运行安全 可靠,高效节能。变频调速技术广泛应用于水工业领域是供水、水处理等 工艺提升的需求,也是节能降耗的需求。 关键词:南水北调-大型泵站,变频装置,节能 Abstract:In order regulatingflow awiderange watertransfer projectfrequency control largeinduction motors HuiNan Zhuang Pump Station.In paper’reasonableConfiguration engineeringcharacteristics.It has improvesafety efficiency.Thetechnology of行equency control widelyused waterindustry techniquesupgrade watersupplywater treatment ere,and energy—saving. Key words:South-to—North Water Diversion;large-scale pump station; frequency control;energy saving 南水北调工程是为解决我国北方水资源严重短缺,生态 环境恶化的一项具有重大战略意义的特大型基础设施,中线 工程是解决北京水资源紧缺的根本措施,该工程建成后将丹 江口水库的优质水安全、可靠的从河北境内输送到终点团城 湖。工程的实施对彻底解决北京水资源短缺问题,提高城市 供水保证率,改善北京水环境,促进北京社会、经济可持续 发展具有十分重要的意义。同时,该工程实施过程中,充分 运用自动控制技术,成功实现了预计的节能目标。 l工程概况 南水北调中线工程北京段采用全线管涵加压输水,渠首 设计流量50m3/s,加大流量60m3/s。惠南庄泵站上接北拒马河 暗渠,经泵站加压输水至大宁调压池。惠南庄一大宁段采用 双排DN4000预应力钢筒混凝土压力管(PCCP),管线长度约 56.4km。设计流速2.39m/s,沿线设5处分水口。泵站输水流量 Q_<20m3/s时,加压输水段全线自流,流量Q>20m3/s时,启动 泵站加压输水至大宁调压池。调压池之后采用重力流低压输 水至终点团城湖,全长约80kin。 惠南庄泵站是南水北调中线工程总干渠唯一的一座大型 加压泵站,为大(I)型1等工程,泵站设计流量60m3/s,共 万方数据安装8台卧式单级双吸离心泵(2台备用),水泵设计扬程为 58.2m,单泵流量为l Om3/s,单机配套功率7300kW,总装机容 量58.4MW。 水泵采用大型卧式单级双吸离心泵,为国内最大的卧式 机组高扬程泵站,年运行5000d、时以上。泵站特征参数变幅 大,流量变化达3倍,扬程变幅达2.2倍,机组采用大功率异步 电动机配套大型中压变频装置,调速运行范围宽,机组关键 技术难度高,优选先进可靠的设备并研究能够满足工程供水 要求的运行方式,确保供水工程发挥效益。 2调速运行的必要性分析 (1)供水系统主要特点 泵站输水流量变幅20-60m3/s,水泵需要调节运行;泵站 起点至终点地形高程差小,几何扬程小,水泵的扬程主要取 决于压力管道输水的水力损失,沿线共设5处分水口,系统扬 程随分流不同而降低。 (2)供水频率分析 北京市需要南水北调供水多年平均为l O.5fLm3,供水频率 见表1。 表1供水频率表 泵站供水流量在20~40m3/s范围出现频率约24%,供水流 量在40~60m3/s范围出现的频率最高,占41%,且超过40m3/s 流量的运行几率较高。 (3)泵站流量~扬程变化 泵站在各种工况下运行水泵扬程随流量不同将产生变 化,当泵站流量在20~60m3/s范围内调节时,单管20~30m3/s 变化时,设计扬程变幅26.52~58.20 111达2.2倍l另外,根据加 压段沿线5处分水口用户需水的不同,组合不同的分水流量, 最大分流14.2m3/s,双管分流系统扬程最大降低约12m,单管 分流系统扬程最大降低约18m。为适应流量扬程变幅,采用 水泵调速运行十分必要。该泵站设计扬程58.2m,其中净扬程 1.17m,水泵扬程主要取决于压力输水管道的水力损失,此种 管路特性更适合水泵调速运行…调节流量。 3设备选择 根据水泵相似率,同一台水泵有赛=竹n_:L,鲁=(奇)2, 西QI弋inl J3,当调节水泵转速时,其流量、扬程、轴功率等随 之变化,而转速在一定范围变化时,其水泵效率变化不大, 因此可通过改变水泵转速来实现流量调节,使机组运行在高 效区,以保证工程的安全性、经济性。 该泵站在如此大的流量~扬程变幅下运行,水泵机组配置 大功率变频装置,泵站的设计和机电设备配置着眼于国内外 的先进技术和设备。 (1)水泵 泵站设计流量为60m,/s,安装8台卧式单级双吸离心泵 (2台备用),单泵流量为IOm3/s,设计扬程58.20m,设计转 速375 r/min。 (2)电动机 根据水泵运行最大轴功率进行电动机配套功率选择。运 行工况最大轴功率为6560kW,考虑一定的储备量,电动机功 率取7300kW,转速为375dmin。 型式比选:同步电动机:效率高(>96%),比相同 容量的异步电动机约高一个百分点,功率因数高(0.95~ 1),与电网匹配合理,稳定性能好,抗干扰能力强,转速稳 定,不受电网电压的影响,但同步电动机较异步电动机一次 性投资大。异步电动机:与同步电动机相比,其效率略低 (s96%),功率因数低(O.85~O.88),会消耗大量无功,在 小负荷情况下较为突出,影响电网品质,须增设无功补偿装 惠南庄泵站水泵由变频器驱动电动机而构成的变速驱动系统,因此,可抑制异步电动机的劣势,而突出其优点,选 定异步电动机。 (3)变频装置 早期的LCI型变频器不适用于惠南庄泵站,谐波含量大, 电网功率因数低,且必须使用同步电动机。现代PWM控制 型变频器克服了上述的缺点,采用了输入电流和输出电压的 PWM控制,使电网和负载侧的电压与电流波形更逼近正弦 波,提高了功率因数,减少了谐波,取消了谐波滤波装置。 电压源型变频器采用先进的自关断大功率半导体器件嘲, 应用现代PWM控制技术,大大改善了整流与逆变的正弦波形 质量,降低了高次谐波,提高了功率因数,不毖增加无功补 偿装置,因此改善了LCI型变频器对电网的不良影响,是今 后变频技术的发展方向。电压源型变频器可以驱动异步电动 机,而LCI型变频器必须配同步电动机,这也是电压源型变频 万方数据综述 器的优势。 同步电动机需要一套励磁装置,增加了设备,也就降 低了可靠性,但同步机提高了功率因数,因此可减少定子电 流,降低电动机造价。电压源型变频器由于直流回路电容的 作用,可以改善异步电动机的功率因数,异步机的造价低于 同步电动机,且可靠性高于同步电动机。 变频器的型式采用半导体器件、PWM控制、实现交一直-交 频率变换、静止型中压变频器。整流器使用IGCT开关管p1,采 用PWM技术,使电网中的电压及电流谐波含量大大的减少, 整流器件为有源模块化结构,便于安装维护,逆变单元采用 PWM控制技术,使变频器输出端流入电动机的电流接近正弦 波,减少谐波对电动机以及通过空间对其他设备和通信的影 响及干扰。根据本工程的技术参数,经综合比较,泵站采用 异步电动机,PWM型变频驱动。 (4)电动机/变频装置主要参数 电动机:卧式鼠笼型变频异步电动机,冷却方式IC8lW, 输出功率7300kW,额定转速375r/min,效率97%,功率因数 0.86。 变频变压器:三相油浸双绕组变压器,冷却方式ONAN, 电压l 0000/3 160V,额定容量8620kVA。 变频器:冷却方式水冷,额定电压3150V,额定容量 8760kVA。 4泵站运行及流量调节 泵站的运行需要满足各种运行工况,在保证机组安全、 平稳运行的前提下,以泵站节能为目标组合运行方式。