李 杰

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 泵站工程首次充水方案簡(jiǎn)介

水利設(shè)計(jì)工作中的城鎮(zhèn)、工業(yè)供水或灌溉等工程，為克服地形高差及管道輸水損失，常需設(shè)置加壓泵站。此類工程建成后，站后輸水管道為空管狀態(tài)，正常運(yùn)行前需要對(duì)管道進(jìn)行充水。充水過(guò)程是從0 m 凈揚(yáng)程開(kāi)始逐漸增加，至達(dá)到設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程的一個(gè)過(guò)程。根據(jù)離心泵特性曲線及泵站運(yùn)行工況點(diǎn)計(jì)算理論，充水初始階段，水泵凈揚(yáng)程幾乎為零，流量理論上無(wú)限大，若不人為采取一定的措施，將造成水泵空蝕、電機(jī)過(guò)載等問(wèn)題，對(duì)主水泵電動(dòng)機(jī)組危害巨大，此類問(wèn)題在高揚(yáng)程、長(zhǎng)距離輸水工程中尤為突出。解決首次充水工況存在的上述問(wèn)題，較為常見(jiàn)的解決方案有壓閥運(yùn)行、設(shè)置專用充水泵、變頻運(yùn)行、泵后設(shè)旁通管路系統(tǒng)等。以下結(jié)合北方常規(guī)泵站工程水泵進(jìn)出水布置，對(duì)這幾種解決方案分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。圖1 為北方常見(jiàn)固定干室半地下布置廠房的機(jī)組布置型式。

圖1 水泵進(jìn)出水布置示意圖

1.1 壓閥運(yùn)行

一般泵后出水支管設(shè)置有工作閥及檢修閥，首次充水過(guò)程中可以采用關(guān)小工作閥的方式運(yùn)行。充水初期工作閥小開(kāi)度運(yùn)行，隨著凈揚(yáng)程的增加逐漸加大閥門開(kāi)度，即通過(guò)壓閥增阻，用以調(diào)節(jié)出水流量在設(shè)計(jì)需要的范圍內(nèi)，同時(shí)要注意保證電機(jī)電流值不超額定值。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易行，充水過(guò)程無(wú)需外加設(shè)備；缺點(diǎn)是壓閥運(yùn)行過(guò)程中過(guò)閥流速大，會(huì)對(duì)閥板及閥體產(chǎn)生汽蝕破壞等一系列傷害，進(jìn)而導(dǎo)致閥門密封不嚴(yán)、壽命縮短。因此，壓閥運(yùn)行方案適用于揚(yáng)程較小、站后輸水管道較短的泵站工程，此類工程通過(guò)短時(shí)間的壓閥運(yùn)行即可完成站后管道充水，對(duì)閥門傷害相對(duì)較小。

1.2 設(shè)置專用充水泵方案

為站后管路充水工況設(shè)置一套專用的充水泵系統(tǒng)，充水泵可以安裝在主機(jī)組旁或檢修間下，由緊鄰的主水泵進(jìn)水支管“T”接管道取水，經(jīng)充水泵加壓后匯入緊鄰的主水泵出水支管。專用充水泵的設(shè)計(jì)流量小于主水泵，按站后管路充水流量進(jìn)行設(shè)計(jì)，初期運(yùn)行過(guò)程中配合充水泵后出水管道上設(shè)置的閥門壓閥運(yùn)行。該方案的優(yōu)點(diǎn)為充水過(guò)程無(wú)需啟動(dòng)主水泵，不存在主水泵嚴(yán)重偏工況運(yùn)行的情況，同時(shí)對(duì)充水泵后的閥門進(jìn)行壓閥運(yùn)行，不損害主水泵后的主工作閥；缺點(diǎn)為需要增加一套充水泵及配套閥門等設(shè)備，增加工程投資，同時(shí)需要有合適的空間安裝充水泵，可能會(huì)增加廠房尺寸。

1.3 變頻運(yùn)行

有些由水庫(kù)、河道取水的供水、灌溉等泵站，由于水位變幅較大，泵站運(yùn)行過(guò)程中流量變化大；梯級(jí)加壓泵站，由于每座泵站流量、揚(yáng)程參數(shù)的變化，存在級(jí)間流量不匹配的現(xiàn)象。若要泵站抽水流量在某一時(shí)段維持在某一個(gè)設(shè)定值，常設(shè)置變頻調(diào)速裝置用于泵站的流量調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速裝置的配置為其在泵站首次充水過(guò)程中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，理論上變頻調(diào)速裝置可適應(yīng)的頻率范圍較大，但作為水泵配套的電動(dòng)機(jī)其可適應(yīng)的頻率運(yùn)行范圍是有限的。對(duì)于常規(guī)的普通電機(jī)，一般其運(yùn)行頻率為[30～50］Hz，而變頻電機(jī)其最低運(yùn)行頻率可降至20 Hz 左右。在實(shí)際工程中，由于變頻幅度有限，一般單靠變頻調(diào)速裝置，無(wú)法滿足泵站首次充水對(duì)流量調(diào)節(jié)的需求。

1.4 變頻調(diào)速裝置+旁通管路系統(tǒng)

基于前述各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了變頻調(diào)速裝置+旁通管路系統(tǒng)的泵站首次充水方案。該方案的使用條件為泵站中設(shè)置有變頻調(diào)速裝置，同時(shí)站后揚(yáng)程較高、輸水管道較長(zhǎng)。

旁通管路系統(tǒng)的布置方案如下：

（1）泵站向一個(gè)方向供水且安裝同型號(hào)水泵時(shí)，選擇一臺(tái)機(jī)組設(shè)置旁通管路系統(tǒng)，原則是旁通管路系統(tǒng)安裝后便于操作，不影響機(jī)組其他配套設(shè)備的放置。泵站向一個(gè)方向供水，安裝不同型號(hào)水泵時(shí)，宜選擇小流量機(jī)組設(shè)置旁通管路系統(tǒng)。泵站向多個(gè)方向供水，且通過(guò)不同的輸水干管輸水時(shí)，應(yīng)為每個(gè)供水方向各設(shè)置一套旁通管路系統(tǒng)。

（2）旁通管路系統(tǒng)的布置具體為，繞過(guò)水泵出水支管檢修閥，在水泵出水支管左右兩側(cè)對(duì)稱布置旁通管路（受力平衡），在旁通管上設(shè)置手動(dòng)工作閥及檢修閥。旁通管管徑通過(guò)水力計(jì)算試算得出，其管徑小于泵后出水支管，充水過(guò)程中確保其流速不超過(guò)規(guī)范允許值，其原理為通過(guò)縮徑增加管路損失。

（3）運(yùn)行方式為，泵站首次充水前關(guān)閉充水主機(jī)組泵后檢修閥，打開(kāi)泵后出水支管工作閥，打開(kāi)旁通管上設(shè)置的檢修閥，關(guān)閉旁通管上設(shè)置的工作閥，變頻啟動(dòng)水泵，待電機(jī)頻率達(dá)到計(jì)算需要值時(shí)，緩緩打開(kāi)旁通管上設(shè)置的工作閥到需要開(kāi)度。

工程實(shí)例中常常根據(jù)供水系統(tǒng)實(shí)際情況，采用“變頻+旁通”或者“變頻+旁通+初期旁通閥壓閥”運(yùn)行的方式。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于充分依托泵站主設(shè)備，所需額外增加的工程投資少，充水過(guò)程對(duì)主設(shè)備無(wú)損害，經(jīng)多個(gè)工程實(shí)踐，過(guò)程平穩(wěn)、安全。

2 工程實(shí)例及計(jì)算原理

以下以北方某城市供水工程為例，對(duì)變頻+旁通系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行論述。該工程干線設(shè)6 級(jí)加壓泵站，輸水線路長(zhǎng)約84 km，其中的二級(jí)泵站設(shè)計(jì)流量4.1 m3／s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程58.15 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程66.0 m，站后輸水干管為單根長(zhǎng)5.94 km 的DN1800球墨鑄鐵管+PCCP 管。泵站布置與圖1 模式相似，主廠房?jī)?nèi)一列式安裝7 臺(tái)同型號(hào)水泵電動(dòng)機(jī)組（5 用2 備），7 臺(tái)泵進(jìn)水側(cè)分別由吸水池取水，出水側(cè)7 條出水支管合并為1 根DN1800 干管。水泵出水支管上由前到后分別設(shè)DN700 液控緩閉蝶閥（工作閥）、DN700 電動(dòng)蝶閥（檢修閥）各1 臺(tái)。

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS 193:2005）規(guī)定，壓力輸水管道充水時(shí)，宜控制充水流速不超過(guò)0.3 m／s～0.5 m／s，最大不超過(guò)1.0 m／s。根據(jù)適宜流速對(duì)二級(jí)站后輸水干管充水進(jìn)行計(jì)算，則充滿時(shí)間需要3 h～5 h。經(jīng)計(jì)算充水過(guò)程中，僅依靠變頻可滿足[20，58.15］m凈揚(yáng)程范圍內(nèi)平穩(wěn)充水的要求。充水初期[0，20］m 凈揚(yáng)程區(qū)間范圍，僅依靠變頻無(wú)法滿足平穩(wěn)充水的需求，需采取一定的措施人為增加出水管路系統(tǒng)損失，該區(qū)段凈揚(yáng)程對(duì)應(yīng)管道總長(zhǎng)約1.0 km，若采用壓主閥運(yùn)行的方式，壓閥時(shí)長(zhǎng)近1 小時(shí)，會(huì)對(duì)閥板造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。

因此設(shè)計(jì)考慮其他更為科學(xué)且可行的增阻方式，即在泵后出水支管上對(duì)稱布置管徑明顯小于出水支管的旁通管，通過(guò)縮窄過(guò)流面積增加系統(tǒng)水頭損失，但管道的過(guò)流流速是有其自身限制的。

依照規(guī)范《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014-2021）“5.2.5 排水管道的最大設(shè)計(jì)流速，宜符合下列規(guī)定。1 金屬管道為10 m／s?！币约耙?guī)范《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50084-2017）“9.2.1 管道內(nèi)的水流速度宜采用經(jīng)濟(jì)流速，必要時(shí)可超過(guò)5 m／s，但不應(yīng)大于10 m／s?！钡囊?guī)定。因此，旁通支管內(nèi)的最大允許流速應(yīng)限定在10 m／s 以內(nèi)，再結(jié)合母管的適宜充水流速及充水工況計(jì)算，綜合確定旁通支管管徑。對(duì)本工程而言，經(jīng)系統(tǒng)水力計(jì)算，選定旁通支管管徑為DN200，旁通管路對(duì)稱布置，來(lái)水側(cè)布置手動(dòng)偏心半球閥作為工作閥，在單純依靠旁通管造阻達(dá)不到理想效果時(shí)壓該工作閥運(yùn)行，工作閥后設(shè)手動(dòng)閘閥作為檢修閥，該旁通系統(tǒng)布置見(jiàn)圖2。對(duì)該旁通系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，母管充水流量的上限值應(yīng)設(shè)定為0.64 m3／s，對(duì)應(yīng)旁通管流速為9.89 m／s，母管充水流速對(duì)應(yīng)為0.25 m／s。本工程實(shí)際充水過(guò)程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)建議的充水過(guò)程，全程采用旁通管+變頻調(diào)速充水，過(guò)程中無(wú)需旁通管工作閥壓閥運(yùn)行，充水過(guò)程平穩(wěn)高效、效果良好。具體充水計(jì)算圖見(jiàn)圖3。

圖2 旁通管路系統(tǒng)布置示意圖

圖3 壩體內(nèi)的水流矢量圖

充水過(guò)程中旁通管閥門全開(kāi)， 充水流量區(qū)間為［0.44，0.64］m3／s。在［0，50.2］m 凈揚(yáng)程范圍內(nèi)進(jìn)行變頻運(yùn)行，其中，［0，20］m 凈揚(yáng)程范圍內(nèi)電機(jī)運(yùn)行頻率為32.83 Hz；（20，40］m 凈揚(yáng)程范圍內(nèi)電機(jī)運(yùn)行頻率為40.51 Hz；（40，50.2］m凈揚(yáng)程范圍內(nèi)電機(jī)運(yùn)行頻率為47.02 Hz。（50.2，58.15］m 凈揚(yáng)程范圍內(nèi)電機(jī)投切至工頻狀態(tài)運(yùn)行。整個(gè)充水過(guò)程旁通管流速控制在［6.80，9.89］m／s 區(qū)間范圍內(nèi)，出水母管充水流速在［0.17，9.89］m／s 區(qū)間范圍內(nèi)，總充水時(shí)間約7.8 h。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)下提水泵站多配置有變頻調(diào)速裝置用于調(diào)節(jié)流量、揚(yáng)程或機(jī)組啟動(dòng)，變頻及旁通管路充水系統(tǒng)在延安黃河引水工程、陜西省涇河?xùn)|莊水利樞紐施工供水工程等多項(xiàng)高揚(yáng)程長(zhǎng)距離輸水工程中進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)用。上述工程水泵均為倒灌淹沒(méi)式安裝，首次充水前打開(kāi)水泵進(jìn)出水管道上設(shè)置的閥門，利用泵前后壓差對(duì)進(jìn)水部分液面以下提水系統(tǒng)予以充水排氣，縮短充水時(shí)間，之后啟泵運(yùn)用變頻及旁通管路系統(tǒng)充水。充水過(guò)程按設(shè)計(jì)成果執(zhí)行，過(guò)程安全平穩(wěn)，均順利完成管道充水任務(wù)?？偨Y(jié)起來(lái)，該充水方案的核心思路為：通過(guò)布置旁通充水支管人為縮窄流道增阻，若管徑選擇得當(dāng)，整個(gè)充水過(guò)程無(wú)需壓閥運(yùn)行（即使壓閥也是對(duì)旁通管上設(shè)置的工作閥進(jìn)行短歷時(shí)壓閥運(yùn)行，泵后主閥始終無(wú)需壓閥運(yùn)行）。變頻及旁通管路充水方案成本低、效果好、安全可靠，既保護(hù)了泵站主要設(shè)備不受非正常工況損害，又充分利用了泵站已有配套設(shè)備，值得類似工程借鑒采用。