趙文喜

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京，100025）

0 前言

科威特蘇比亞配水工程C1標(biāo)是科威特蘇比亞配水工程四個(gè)標(biāo)段中最大、最復(fù)雜的核心項(xiàng)目，主要包括3座（共6座）25萬(wàn)m3水池、布置6臺(tái)（共9臺(tái)）1 650 kW清水泵的加壓泵站、布置2臺(tái)4 500 kW發(fā)電機(jī)的備用發(fā)電機(jī)房以及加氯間、混合間等項(xiàng)目，是中國(guó)葛洲壩集團(tuán)在科威特承接的第一項(xiàng)工程，也是當(dāng)時(shí)中國(guó)公司在科威特承建的最大的EPC合同項(xiàng)目，主要合同內(nèi)容為C1標(biāo)工程合同項(xiàng)目的供貨、設(shè)計(jì)和施工等。國(guó)內(nèi)類似項(xiàng)目進(jìn)行分期建設(shè)時(shí)一般采用各階段相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)理念，階段工程可獨(dú)立運(yùn)行，階段項(xiàng)目間只是有限的連通和互補(bǔ)，基本不會(huì)采用配置流量控制閥的方法來(lái)保證各階段項(xiàng)目的實(shí)施和運(yùn)行操作。

1 項(xiàng)目主要供水設(shè)備的布置和要求

1.1 流量控制閥

泵站的流量控制閥將分別安裝在4條壓力輸水管上的11A閥室內(nèi)。為保證泵出水端壓力的穩(wěn)定，要求流量控制閥能控制和穩(wěn)定管道內(nèi)的水流流速，調(diào)節(jié)輸出水流的流量和壓力，并要求所選用的流量控制閥門在最不利的條件下無(wú)氣蝕發(fā)生。

圖1 科威特Subiya供水系統(tǒng)（C1標(biāo)）示意圖Fig.1 C1 section of Subiya water distribution system in Kuwait

流量控制閥應(yīng)具備要求的流量控制特征，供水系統(tǒng)在全部或部分運(yùn)行的情況下，通過(guò)流量控制閥的調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)而不造成振動(dòng)或氣蝕損傷。規(guī)范要求對(duì)所安裝的流量控制閥都要列出包括水頭損失和閥孔的氣蝕特征等在內(nèi)的詳細(xì)資料，列出流量控制閥孔全波段的臨界氣蝕指數(shù)，并通過(guò)水力計(jì)算，驗(yàn)證所選的流量控制閥適應(yīng)運(yùn)行條件，滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

1.2 水泵機(jī)組

1.2.1 功能要求

一期項(xiàng)目合同中規(guī)定安裝的水泵機(jī)組為6臺(tái)套，正常運(yùn)行狀況下為4用2備，從Subiya泵站送出來(lái)的水將由兩條（一期）54 km長(zhǎng)的DN1200球墨鑄鐵管道將水送入139.15 masl（海拔高程）的Mutla High配水系統(tǒng)的蓄水池；項(xiàng)目二期安裝9臺(tái)套水泵機(jī)組，正常運(yùn)行狀況下為6用3備，3條輸水管線（一期2條，二期1條）運(yùn)行。在特殊情況下，7臺(tái)水泵運(yùn)行，將水送入3條輸水管道，最大流量達(dá)6.46 m3/s。

1.2.2 水泵運(yùn)行工況點(diǎn)基本要求

規(guī)范要求承包商提供的每臺(tái)泵機(jī)必須符合以下的工況點(diǎn)要求：170 m揚(yáng)程時(shí)對(duì)應(yīng)流量0.95 m3/s，122 m揚(yáng)程時(shí)對(duì)應(yīng)流量1.33 m3/s。

以上所給出的水泵工況點(diǎn)水頭不包括泵站損失和流量控制閥的損失等，承包商在選擇水泵機(jī)組時(shí)，應(yīng)充分考慮并計(jì)算這些損失。

1.2.3 對(duì)水泵機(jī)組有效氣蝕余量NPSHa的要求

規(guī)范要求承包商應(yīng)計(jì)算各種操作環(huán)境下可能出現(xiàn)的NPSHa，NPSHa計(jì)算應(yīng)按照吸水管道的Ks（摩擦系數(shù)）最小值0.03，最大值0.15，水溫50℃，只有一個(gè)供水主管供水的情況。計(jì)算的NPSHa必須大于必需汽蝕余量NPSHr至少2.0 m。

1.3 設(shè)備選擇情況

經(jīng)過(guò)反復(fù)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較和提交溝通，最終選擇了日本EABRA的CDM700×400型水泵和英國(guó)GLENFIELD的Fig1400 系列DN1000流量控制閥，獲得了業(yè)主和工程師的認(rèn)可。

2 水泵選型計(jì)算

2.1 水泵氣蝕余量計(jì)算

為保證規(guī)范要求的水泵工況點(diǎn)要求，首先對(duì)泵供水管路的水頭損失和有效氣蝕余量NPSHa進(jìn)行計(jì)算校核。根據(jù)項(xiàng)目供水設(shè)備初步選型，計(jì)算采用日本EABRA水泵廠家的CDM700×400型水泵的技術(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合規(guī)范要求的最不利的水力條件，也是水池的出口至泵站水泵進(jìn)口之間的泵供水管的最不利條件：

（1）系統(tǒng)供水流量為6.46 m3/s；

（2）泵供水管：一條DN1600吸水管線滿載運(yùn)行，另外一條DN1600吸水管線關(guān)閉；

（3）水池水位：取水池最低水位海拔高程67 m；

（4）吸水管路的摩擦系數(shù)Ks均取0.15。

水頭損失計(jì)算公式為：水頭損失hf2＝hf1×(Q2/Q1)2，其中：Q1、hf1與Q2、hf2分別為不同流量及其對(duì)應(yīng)的水頭損失。

氣蝕余量的計(jì)算公式為：NPSHa=(當(dāng)?shù)卮髿鈮?蒸汽壓力)+(水池水位-泵軸高程)-水頭損失。

計(jì)算結(jié)果詳見表1及圖2、圖3，其中NPSHr為EABRA水泵廠家提供的數(shù)據(jù)，水溫為50℃，蒸汽壓力為1.257m，水池水位67m，泵軸高程59m。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行有效氣蝕余量點(diǎn)計(jì)算Table 1 Hydraulic calculation of NPSHa

圖2 系統(tǒng)氣蝕余量（NPSHa）Fig.2 NPSHa of the system

圖3 各工況下的NPSHa和NPSHrFig.3 NPSHa and NPSHr under each condition

從表1和圖3可以看出，當(dāng)系統(tǒng)只運(yùn)行兩臺(tái)水泵時(shí)，NPSHr遠(yuǎn)小于NPSHa，水泵在正常工況范圍內(nèi)運(yùn)行不會(huì)發(fā)生氣蝕；當(dāng)系統(tǒng)的7臺(tái)水泵全部運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)氣蝕發(fā)生的臨界點(diǎn)為單臺(tái)泵流量1.18 m3/s，NPSHa比NPSHr大2 m的情況下，單臺(tái)水泵流量為1.10 m3/s；系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大流量為6.46m3/s，即單臺(tái)水泵流量為0.923m3/s，小于1.10m3/s，故無(wú)氣蝕發(fā)生。

2.2 水泵工況點(diǎn)水力計(jì)算

項(xiàng)目規(guī)范要求的水泵工況范圍為：170 m水頭、0.95 m3/s和122 m水頭、1.33 m3/s，沒有系統(tǒng)的水頭損失，在水力計(jì)算中主要考慮的是泵站損失和流量控制閥的水頭損失。

根據(jù)分析，水泵工況點(diǎn)的水力計(jì)算是按照以下方式進(jìn)行：（1）水力計(jì)算同時(shí)考慮二期工程管線的運(yùn)行狀況，即分別考慮1條輸水管運(yùn)行、2條輸水管運(yùn)行及3條輸水管運(yùn)行（二期）；（2）分別計(jì)算每種狀況的最不利點(diǎn)；（3）水力計(jì)算考慮流量控制閥、三通、異徑管等局部水頭損失；（4）管道光滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)取Ks＝0.03，粗糙狀態(tài)下摩擦系數(shù)取Ks=0.15。

水泵工況點(diǎn)水力計(jì)算結(jié)果詳見表2、表3。從表中計(jì)算結(jié)果可以確定：當(dāng)單泵流量為0.95 m3/s時(shí)，最大泵站水頭損失為1.248 m，流量控制閥（全部開啟）水頭損失為2.019 m，流量控制閥連接大小頭水頭的損失為0.087 m。水泵的工況范圍為：流量Q為0.95 m3/s時(shí)，揚(yáng)程H為170+1.248+2.019+0.087＝173.35 m。當(dāng)單泵流量為1.33 m3/s時(shí)，最大泵站水頭損失為2.196 m，流量控制閥（全部開啟）水頭損失為3.956m，流量控制閥連接大小頭水頭損失為0.170 m。水泵的工況范圍為：流量Q為1.33 m3/s時(shí)，揚(yáng)程H為122+2.196+3.956+0.170＝128.32 m。

考慮富裕水頭和水泵的實(shí)際工效后，最終確定水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)為：當(dāng)流量Q為0.95 m3/s時(shí)，揚(yáng)程H為176 m；當(dāng)流量Q為1.33 m3/s時(shí)，揚(yáng)程H為132 m。

3 流量控制閥運(yùn)行控制分析

根據(jù)泵廠家資料要求，單臺(tái)水泵的最大流量不能超過(guò)Q=1.39m3/s，流量控制閥的作用主要是為了限制泵送入輸水管道系統(tǒng)的最大流量不超過(guò)1.39m3/s。

流量控制閥水力計(jì)算詳見表4及圖4。根據(jù)圖4的系統(tǒng)曲線和水泵曲線顯示，在1臺(tái)泵輸送水、1條輸水管線運(yùn)行的條件下，流量控制閥的最小水頭損失為38 m，即：當(dāng)單泵流量為1.39 m3/s時(shí)，流量控制閥水頭損失應(yīng)達(dá)到38 m；在1臺(tái)泵輸送水、2條輸水管線運(yùn)行的條件下，流量控制閥的最小水頭損失為60 m，即：當(dāng)單泵流量為1.39 m3/s時(shí)，流量控制閥的水頭損失應(yīng)達(dá)到60 m。參照閥門廠家提供的資料，可以確定對(duì)應(yīng)的流量控制閥的閥板行程分別為29%和23%。再結(jié)合閥門廠家提供的Fig1400 系列

流量控制閥的氣蝕曲線，可以校核流量控制閥在上述條件下運(yùn)行是否會(huì)發(fā)生氣蝕。

表2 泵站水力計(jì)算(Q=1.9 m3/s)Table 2 Hydraulic calculation of pumping station(Q=1.9 m3/s)

表3 泵站水力計(jì)算(Q=2.66 m3/s)Table 3 Hydraulic calculation of pumping station(Q=2.66 m3/s)

表4 流量控制閥水力計(jì)算Table 4 Hydraulic calculation of flow control valve

圖4 系統(tǒng)曲線示水泵曲線Fig.4 Curve of the system and the pump

流量控制閥上游水頭為:水泵提升水頭132 m（流量為1.33 m3/s），流量控制閥下游水頭為Mut?la高位水池水位（139.15 m）與流量控制閥高程（59 m）的差值，即80.15 m，大于60 m，對(duì)照廠家提供的氣蝕曲線也可以看出，在該工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生氣蝕。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)備選型的水力計(jì)算表明，一期供水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，即2臺(tái)水泵結(jié)合1條輸水管線或4臺(tái)水泵結(jié)合2條輸水管線運(yùn)行，水泵在正常工況點(diǎn)運(yùn)行，對(duì)應(yīng)管線上的流量控制閥的閘板是全部開啟的，流量控制閥的系統(tǒng)損失也是在閘板全部開啟時(shí)的水頭損失，對(duì)系統(tǒng)的影響也是有限的。但在非正常運(yùn)行環(huán)境下，流量控制閥對(duì)保證水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)、控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行起了非常關(guān)鍵的作用。