高原地区给水水泵与电机选型设计

2018-07-09马延强

净水技术 2018年6期

关键词：气蚀高原地区温升

马延强

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

泵房是给水厂至关重要的组成部分，不仅是水厂运行中能耗最大的一个单元，更关系到整个城市供水系统是否能够顺利运行。

在低海拔地区水泵的选型可以根据水泵厂家给出的样本进行设计，但是在高海拔地区气候条件特殊，高原气候的特点主要表现为大气压强低、空气密度低、氧气含量小、空气湿度小、温差变化大、紫外线强度大、降水量小等，需要对水泵和电机的参数进行修正。

1 水泵安装高度设计

1.1 水泵安装高度计算方法

离心泵的正常工作是建立在水泵吸水条件正确的基础上，水泵的故障常常是由于吸水条件选择不当，所谓的正确的吸水条件就是指在吸水过程中不产生气蚀情况下的最大吸水高度。当泵中的最低压力降低到被抽液体工作温度下的饱和蒸气压时，水就大量气化，同时原先溶解在水里的气体也会自动逸出，产生气蚀现象[1]。水的饱和蒸气压和温度有密切的关系，如表1所示。

另外,水泵的气蚀条件和运行环境下的大气压有关系，大气压力和海拔高度有密切的关系，如表2所示。

表1 水的饱和蒸气压和温度关系表

表2 大气压力和海拔高度关系表

(1)

当水泵厂家给出NPSHR时，可根据式(2)换算。

(2)

其中：Hg—水泵安装地点的大气压力，m H2O，其值和海拔高程相关；

Hz—液体相应温度下的饱和蒸汽压力水头，m，其值和水温有关；

V1—水泵吸入口流速，m3/s。

水泵的实际安装需要考虑吸水管的水头损失，水泵的安装高度如式(3)。

(3)

其中：Zs—吸水高度，m；

[Hs]—实际采用真空吸上高度，m，为考虑安全一般采用[HsJB)]≤(0～90%)Hs；

∑hs—吸水管路沿程和局部损失之和，m。

一般吸水管路的沿程损失可由式(4)计算。

(4)

其中：Ch—海曾·威廉系数；

Q—设计流量，m3/s；

Dj—管道计算内径，m。

吸水管路的局部管道损失可由式(5)计算。

(5)

其中：ε—局部阻力系数；

v—吸水管中流速，m/s。

1.2 高原地区水泵安装高度计算实例

拉萨某水厂海拔高度为3 650 m，最热月的平均气温为15.5 ℃，最冷月的平均气温为-2.3 ℃，极端最高温度为29.4 ℃，极端最低温度为-16.5 ℃。由表1、表2得出，当地大气压为6.65 m H2O、最高月平均气温为15.5 ℃时，水饱和蒸气压为0.17 m H2O。

在设计工程中，以水泵A为例，水泵流量为3 750 m3/h，扬程为41 m，水泵进水口直径为700 mm，进水口流速为3.7 m/s，参考水泵样本给出的NPSHR为3.5 m，水泵流量由式(6)可以得出。

(6)

由此可以得出Hs为3.52 m。

另外，吸水管管径为DN 900，吸水管中流速为1.63 m/s，管路损失∑hs经计算得出，∑hs=1.8 m。

水泵的安装高度可由式(7)计算。

(7)

由此可以得出Zs=1.2 m，一般使用过程中需要考虑0.5 m的富余量，因此水泵的安装高度为 0.7 m。

另外水泵在运行过程中可能不在最佳工况点，水泵工况点往右偏移时，水泵的NPSHR可能达到5 m左右，在这个工况点水泵的安装高度经过计算是小于0的。也就是说水泵的吸水水位要比水泵的泵轴水位要高。因此在二级泵房设计时，考虑到安全因素，尽量采用正进水形式。

水泵的必需气蚀余量越小越安全，水泵的气蚀余量和水泵的构造有关系，一般来讲水泵的转速越低，必需气蚀余量越小，因此在高原地区尽量选择低转速的水泵，提高水泵的安全运行性能。

2 高原水泵电机选择

高原地区的电机选择与平原地区有很大区别，在海拔高于1 000 m时，需要采用高原电机，高原气候对电机有很大影响。

2.1 对电机功率的影响

由于高原地区海拔高，空气稀薄，电机转子和定子之间的间隙内导磁能力降低，直接影响电机额定功率输出，相同功率的电机在高原运转时，实际功率会有所降低，电机带负荷能力降低，同时发热量增加，因此选用电机时需要对电机降容使用[3]。

2.2 对绝缘材质介质强度的影响

空气压力或密度的降低，会引起低密度、低浓度、多空隙材料(如电工绝缘材料、隔热材料等)的物理和化学性能发生变化，导致外绝缘强度的降低，在5 000 m范围内，每升高1 000 m，平均大气压力降低7.7～10.5 kPa，外绝缘强度降低8%～13%。

另外，紫外辐射强度在海拔3 000 m时已达到低海拔时的2倍。高强度紫外线也会引起有机绝缘材料的迅速老化，使空气容易电离，以而导致外绝缘强度降低。

2.3 对电气间隙击穿电压的影响

对于设计定型的电机，由于其电器间隙已经固定，随着空气压力的降低，其耐击穿电压也下降，为了保证产品在高原环境使用时有足够的耐穿能力，必须增大电气间隙。

电气间隙可按照表3进行修正。

表3 电气间隙海拔高度修正表

2.4 对温升的影响

空气压力或空气密度的降低，会引起空气介质冷却效应的降低。对于以自热对流、强迫通风或空气散热为主要方式的电机，由于散热能力的下降、温升增加，在海拔5 000 m内，海拔每升高1 000 m，则平均气压降低7.7～10.5 kPa，温升增加3%～10%。因此，电机在高原运转时需要增强其温升等级。

高原环境下，若电机的额定输出功率需保持不变，则需满足式(8)。

(h-1 000)Δi≪40-tat

(8)

其中：h—电机使用海拔，m；

tat—电机使用地点的环境温度；

Δi—为海拔在1 000～5 000 m，海拔每提高100 m所需要的最高环境温度补偿值，取Δi=0.01×电机绕组温升极限/100，℃/m。

若无法满足这一环境温度需求，则电机额定输出功率将有所降低，额定功率降低一半可按照每补偿1 ℃，功率降低1%计算，其关系如式(9)。

(9)

其中：Ne—电机的额定功率，kW；

ΔNe—电机额定功率降低值。

在拉萨地区，海拔高度为3 650 m，如果电气保护选用F级，允许温升为155 ℃，代入式(8)：(3 650-1 000)×155×0.01/100≪40-tat。由此可得出，tat=-1.075 ℃，即环境温度需要在-1.075 ℃条件下，电机才能在温升极限内安全运行。拉萨夏季极端最高温度为29.4 ℃，不能满足环境要求，因此需要对电机进行降容处理。

代入式(9)得式(10)。

ΔNe=[(3 650-1 000)×155×0.01/1 000

(10)

由此可得到ΔNe/Ne=30%，因此需要降容30%使用。

以水泵A为例，水泵的流量为3 750 m，扬程为41 m，泵和电机的效率为80%，电机功率如式(11)。

=444.7 kW

(11)

由此可得出水泵需要的电机功率为444.7 kW，一般水泵厂家在配电机时考虑1.1～1.3的安全系数，按1.2计算，水泵所选电机功率为533 kW。

在高原需要考虑降容30%使用，因此水泵选用的功率为762 kW，对照电机功率等级表，水泵最终选用800 kW的电机。由此可见，最终选的电机功率和计算功率之间差值很大，这是高原地区特殊气候条件所致。

2.5 强紫外对电气设备的影响

2.5.1 对塑料性能的影响

海拔5 000 m时的最大太阳辐射强度为低海拔时相应值的1.25倍。热辐射对物体有加热作用，对于户外用电产品，太阳热辐射的增加会引起较大的表面附加温升，降低有机绝缘材料的性质性能，使材料变形，产生机械热应力等影响。热固性塑料分子键呈网状结构，密度相对较大，因此光化裂解作用对其机械性能影响不大，对热塑性的机械性能影响较大，比如绝缘材料等。

2.5.2 对油漆涂层的影响

高原地区日照强烈，温差变化大，会加速油漆涂层的老化和龟裂。据分析，油漆涂层的老化是光氧老化，其速度和太阳光的辐射强度和辐射量总量有关，也和大气中的水分、氧气、温度、湿度都有关。