大型轴流泵站设计优化策略详解
大型轴流泵站设计优化策略详解
大型轴流泵站是水利工程中的重要设施，其设计优化对于降低建设和运行成本、提高效率具有重要意义。本文将从水位优化、水泵控制系统以及土建建议等方面，详细介绍大型轴流泵站的设计优化策略。
设计水位优化
从运行的角度看，任何设施的总成本都是初始成本（CAPEX）和运行成本 (OPEX) 的综合考量。优化最低水位的设计可以相应的降低成本。
降低初始成本（CAPEX）
可以根据流量大小和运行的工况点来优化泵的选择，从而降低初始成本。通过这种方式可以减小建筑物面积和开挖深度，进而减少开挖量，降低混凝土用量，节约成本。大型泵站可以为防洪排涝提供可靠的安全保障，但是利用率低。
降低运行成本（OPEX）
根据泵的性能曲线进行选型，确保其在所有运行条件下都尽可能地接近高效点，进而降低运行成本。采用不同泵组合的形式，可同时实现降低初始成本和运行成本的目标。主泵覆盖正常运行工况，辅泵覆盖至较低水位的工况。
泵站排水持续时间和排水流量关系见下表：
双流道解决方案
防洪排涝泵站一般以极端洪水的最大峰值流量作为设计流量。然而，绝大部分年份洪水流量要比设计流量低得多，通常，泵站设计无法同时适用于这两种情况。设计的难题在于，如果采用峰值流量的流速进行泵站设计，泵站很可能在一年中大部分时间出现低流量淤积的现象。
为了解决这个问题，泵站可以分为两个流道：
- 流道1：枯水季运行
- 流道1+流道2：丰水季和峰值流量运行
两个流道之间的隔墙需设置一个较低处或可调节的堰，在极端洪水情况下，水流可从流道1溢流至流道2。
泵组轮值方案
泵组轮值方案建议用户将泵分成两组运行。在一般的流量条件下主泵组运行，而在低流量条件下小泵组运行，可以达到节约成本的目的。如在 80% 的时间内（典型的流量负荷情况）运行第一组泵，暴雨来临的情况下，启动第二组泵。
格兰富专用水泵控制系统
监测和控制
大型轴流泵站的建造投资巨大，服务和维修成本较高。尽管我们采用的是最优化的系统设计和高品质的水泵，但磨损依然不可避免。监测泵的运行状况可以降低水泵整个生命周期成本。
适当的监测和控制有助于：
- 保护昂贵的设备
- 确保泵站在最佳条件下运行
- 降低能源消耗
- 帮助避免溢流，并且报告意外事故
- 为运维人员提供最优化的定期检修日程表
- 满足更多精确报告的要求（比如，评估是否满足环境保护法律法规相关要求）
出于对上文提到的水泵运行工况的改变以及便于调试等需求，有必要引入格兰富专用控制器来对泵站运行进行监测和控制。
通信模块和SCADA的实施
格兰富现场总线（fieldbus）方案为实现水泵系统的完全控制提供了合理的解决方案。通信接口模块（CIM）和通信接口单元（CIU）能够通过开放和共享的网络实现数据传输，也可以方便地将数据集成到 SCADA 系统中。
将格兰富产品连接到现场总线控制网络有诸多优点：
- 完整的流程控制
- 格兰富产品统一控制理念
- 模块化设计——为未来需要做准备
- 以标准的功能配置为基础
- 在通信接口单元（CIU）供应 24 - 240V AC/DC 电源
- 配置简单，易于安装
- 开放式通信标准
格兰富 CIU/CIM 通信接口解决方案 能通过使用有线或无线的应用开放协议与任何SCADA、PLC或者建筑管理系统相连接并通讯。
电机保护单元 (MP204)
MP204可以保护电机免受欠压、过压以及其他的电源变化影响。所以，即使在外部电源供应不平稳的情况下，水泵依然会平稳运行。对于伴随上述电压波动出现的过热现象，MP204也会给予电机保护，以免影响水泵寿命。
相序错误也是水泵故障的一个常见原因。在设定了相关的相位后，MP204的学习功能会记录下设置好的相序并对错误做出反应。
MP204可同步监控水泵的功耗情况。功率降低的最大原因可能是水泵干转。如果功率降低到额定值的60%，MP204 就会立即停止泵的运行。
MP204可以提高性能，防止运行中断，使正常运行时间最大化。所有这些功能均集成在一个控制单元中，仅需2分钟即可完成设置。
变频驱动器（CUE）
格兰富变频驱动器（CUE）是为控制不同型号水泵转速而设计的一系列可变频率的驱动器。CUE 与格兰富E 泵（内置变频器电机）一样，有着相同的控制功能。采用变频控制可以实现相关功能，节省能耗。
例如：当流量与体积或压力相关时，变频控制可应用于水泵。泵可以通过调节转数达到设定值。根据现实需要调整流量或压力可以降低能耗。
降低能耗的同时也要考虑流速问题。理想的方式是找到最佳流速。比如流速较大时可以去除井筒中的沉淀，但是增加了能耗；流速较低降低了能源消耗，但是会增加井筒中的固体物浓度。这就会导致水的密度增大，造成电机过载跳闸。
最小流速取决于应用类型和排水管道的设计外，还有如下几项因素：
- 叶轮上方的水量
- 阀（拍）门开启力
- 速度反作用力
这些因素因情况而异。最小频率下，叶轮和螺旋桨必须产生足够的扭矩和力，以克服上述因素。
在含沙量高的应用环境中，例如水处理厂，必须保证自清洁速度至少达到1m/s。建议30秒以上的缓降至正流量的最小流速。
冲洗周期
水中沉淀和高浓度固体的问题也可以由控制器解决。格兰富专用控制器将自动加速水泵形成冲洗循环或反冲洗功能，来阻止这些常见问题的出现。
软启动器
此外，除了变频驱动器，软启动器也能实现保护水泵设施的功能。与直接启动方式的水泵相比，软启动消除了启动时电流浪涌的情况，保护了电机。
为了降低电源上的瞬时负载，或适应特定流量，往往会使用软启动器或者变频驱动器。使用速度控制时，有必要考虑泵和系统的谐振频率，以避免振动影响到结构或系统中的其他部件。斜坡时间也必须调整到与系统相适应。
关于土建的建议——支柱和横梁
如果需要安装横梁，就必须要考虑常水位，并且将梁放置在常水位之上。“牛鞭效应”，即被淹没的小部分横梁能在泵房引起相当大的波浪，设计时应防止“牛鞭效应”产生。
推荐 CFD 分析
当放置用来支撑结构的立柱时，要考虑到它们产生的“死水区”并且在合适的位置设置倒角。倒角能够防止死区和沉淀的形成。如果可能的话，死区应在操作开始前用混凝土填充。