取水泵站吸水井格網(wǎng)沖洗水系統(tǒng)的改造

謝江峽 趙凌

[摘要]蘭州城市供水集團制水一廠兩座河岸式原水提取泵房中，原水一級提升泵組吸水井內(nèi)安裝的旋轉(zhuǎn)格網(wǎng)所配置的沖洗水系統(tǒng)沖洗強度達不到要求，噴嘴出水壓力小，格網(wǎng)沖不干凈，當增壓泵組出水閘門開啟度為30﹪時泵組開始振動，且隨出水閘門開啟度的增加振動加劇。本文針對出現(xiàn)的現(xiàn)象對整套系統(tǒng)的現(xiàn)狀和管路設備配置全面解析，通過水力計算，找出產(chǎn)生問題的原因所在，根據(jù)現(xiàn)狀和分析結(jié)果設計出了系統(tǒng)改造的兩套可行性方案，并經(jīng)經(jīng)濟技術、運行耗能，結(jié)合現(xiàn)場施工的技術難易程度，對兩套方案比選，最終確定了方案二為最佳沖洗水系統(tǒng)的改造方案。

關鍵詞： 旋轉(zhuǎn)格網(wǎng)? 沖洗水系統(tǒng)? 沖洗強度? 配水支管? 噴嘴流速? 局部阻力

中圖分類號： TU991.35? ? ? 文獻標志碼：A

1.概述

格網(wǎng)在以地表水為水源的取水系統(tǒng)中起著攔截水中細小漂浮物的作用。特別在渾水高濁度時期[1]，漂浮物劇增，格網(wǎng)必須連續(xù)沖洗運行才能保證取水泵的正常運轉(zhuǎn)。其沖洗效果對取水泵的安全運行有著直接的影響，從而決定著能否保證工藝過程中后續(xù)工序的正常進行。

蘭州供水集團取水泵房擔負著從黃河取水的重任。據(jù)設計，上游泵房取水泵組的遠期最大運行工況為四運一備共五臺泵組;下游泵房取水泵組的遠期最大運行工況為五運二備共七臺泵組;每臺泵組設有彼此獨立的單個吸水井，每個吸水井的兩個進水口分別設裝一臺旋轉(zhuǎn)格網(wǎng)。

格網(wǎng)沖洗水系統(tǒng)由水源（一次沉淀池出水）、吸水管路、沖洗泵組、壓水管路、格網(wǎng)配水管路、面積為30平方毫米的矩形沖洗噴嘴組成。

根據(jù)目前的供水需求，正常情況下上游運行一臺泵組，下游運行兩臺泵組;預計近期最大運行工況為上游運行兩臺泵組，下游運行三臺泵組。

上游泵房擴建工程竣工時：沖洗泵總壓水配水管路由原來無變徑的DN200鋼管改造更新為有變徑的DN400?DN300?DN200鋼管;原型號為8K-10的1#沖洗泵更新為對應編號的KS350-50型泵;原型號為8K-10的2#泵仍保留;單臺泵的進出水管及其閘門規(guī)格未變均為DN200;總吸水管路未改造，其規(guī)格仍為DN200?DN300?DN200;沖洗水源未變，仍為2#、3#沉淀池出水;更新安裝了十臺套旋轉(zhuǎn)格網(wǎng)。

下游泵房擴建工程竣工時：沖洗泵總壓水配水管路由原來無變徑的DN200鋼管改造更新為有變徑的DN400?DN300?DN200鋼管;原型號為6SH-6A的1#沖洗泵仍保留;原型號為6SH-6A的2#、3#沖洗泵更新為對應編號的KS350-50型泵;單臺泵的進出水管及其閘門規(guī)格未變均為DN200;總吸水管路未改造，其規(guī)格仍為DN200?DN300?DN200，沖洗水源未變，仍為8#、9#沉淀池出水;更新安裝了十四臺套旋轉(zhuǎn)格網(wǎng)。

在渾水期高濁度時，除了運行泵組的格網(wǎng)要求連續(xù)沖洗運行外，規(guī)定其余所有格網(wǎng)據(jù)運行標準間歇運行。

2.存在的問題

2.1 沖洗強度達不到要求，噴嘴出水流速度太小，格網(wǎng)沖不干凈;

2.2 在目前系統(tǒng)現(xiàn)狀下運行時，當2#或3#沖洗泵在出水閘門開啟度為30﹪時開始振動，并隨出水閘門開啟度的增加而加劇;

2.3 為了能夠使用，對2#或3#沖洗泵采用控制出水閘門開啟度不超過30﹪的措施運行。然而長期這樣以大馬拉小車方式維持運行，一則滿足不了工藝要求;二則產(chǎn)生汽蝕損壞設備;三則運行效率極低，造成電能的浪費。

3.通過計算對系統(tǒng)進行校核分析

3.1 噴嘴沖洗流量的確定

由于格網(wǎng)的沖洗選用的是噴嘴[2]，其流量的計算可采用消防系統(tǒng)水槍的計算公式即：

公式一 ：

式中? ——為噴嘴的流量，L/s;

——為流速系數(shù)，取1;

——為噴嘴的內(nèi)徑，單位為mm;

——為噴嘴前的水壓，單位為m.

根據(jù)格網(wǎng)沖洗的水壓要求，據(jù)有關資料[3]一般為2～4kg/cm2，考慮到黃河地表水源在洪峰期時的水質(zhì)特點及實際情況，現(xiàn)取3.5kg/cm2，.通過將矩形噴嘴斷面面積30mm2進行換算，其相當于d=6mm的圓形斷面，這樣可采用上述公式進行計算。將d=6mm，Hg=3.5kg/cm2代入公式，則：

=0.74L/s=2.67m3/h

由于下游泵房共有七臺取水泵，設計最大運行工況為六運一備，此時六臺運行泵組的格網(wǎng)需連續(xù)沖洗，且每臺泵配備兩臺格網(wǎng)，每臺格網(wǎng)的噴嘴為21個，于是總的沖洗水量為Q’，則：

實際運行中按兩用一備進行設計，則單臺泵的流量，為了選泵的方便取整，即。

3.2 沖洗泵揚程的確定

3.2.1 自由水頭H0，據(jù)上所述，H0=Hg=35m;

3.2.2 壓水管路水頭損失hf的確定：

由于沖洗泵的運行不僅取決于格網(wǎng)最不利工況時的沖洗要求，同時還要滿足集水槽容納沖洗水的能力。經(jīng)對集水槽長度方向各斷面的復核計算，在最大設計取水工況且遇渾水期高濁度時只能每六臺格網(wǎng)為一組分組進行沖洗，不能實現(xiàn)同時沖洗。此時據(jù)計算開啟一臺Ks350—50沖洗泵正好可滿足要求。據(jù)目前取水泵組的工藝運行實際情況，已設計安裝的兩臺Ks350—50的泵，從沖洗水量方面而言，一用一備即可滿足工藝要求。

由此可見：壓水管路的計算管路為距離3#泵最遠的噴嘴與其之間形成的管路，計算流量為Q=350m3/h=0.0972m3/s;由于缺乏必要的資料，考慮到配水支管及噴嘴流速較大的現(xiàn)實，局部阻力與沿程阻力相比前者所占比重較大，粗估壓水管路的水頭損失為3m。

3.2.3 水泵的摩阻hf’的確定，粗估為1m。

3.2.4 吸水管路水頭損失hd的確定：

對1-1和2-2斷面建立伯諾理方程，設水泵進口壓力P1，則：

公式三：

圖中虛線所示即為1-1和2-2斷面間的水壓線[4]，凡是管道位于水壓線上部的管段呈負壓狀態(tài)，當壓力降至水的飽和蒸汽壓時就有氣體產(chǎn)生，該氣體與水一起進入水泵，并使水泵產(chǎn)生振動。

可見，吸水管路水頭損失過大是導致沖洗泵振動的根本原因。

4.提出改造方案

方案一：格網(wǎng)最不利管路噴嘴壓力按Hg=3.5kg/cm2計，據(jù)上述計算分析沖洗泵采用已設計安裝的兩臺Ks350—50，一運一備分兩段沖洗。通過計算分析進行總吸水管路的改造，設法減小吸水管路的阻力，以消除氣體產(chǎn)生的環(huán)境，保證沖洗泵安全、經(jīng)濟、可靠的運行。

（1）通過計算確定技術上可行，經(jīng)濟上合理的管徑DN

對吸水干管而言，取經(jīng)濟流速v經(jīng)=0.8m/s，Q=350m3/h=0.097m3/s，則：

（2）合理選取管材

從技術方面而言，為了使沖洗泵吸水管路的水頭損失足夠的小及施工的方便，泵房內(nèi)的水泵吸水干管考慮到與整體銜接的一致性，采用DN400即外徑為426×9的鋼管，布設形式與原來室內(nèi)DN200鋼管的布設形式一樣，管道長度為30m;泵房內(nèi)單臺沖洗泵的進水管選用DN300鋼管，并設DN300蝶閥一臺;泵房外的管道部分，考慮到塑料管質(zhì)輕、易施工、耐腐蝕、水頭損失小的特點和在廠內(nèi)安裝覆土地面荷載小的實際情況，以采用DN400PE管為好，管道長度為241m;沿線設兩座閥門井，設DN400m碟閥3臺，DN100泄水閘閥1臺。

從經(jīng)濟性方面而言，經(jīng)詢價：DN400鋼管的室外安裝工程造價為716元/m;DN400PE管的室外安裝工程造價為1000元/m。經(jīng)性價比分析吸水管路的改造全線采用DN400的鋼管相對適宜。

（3）? 吸水管路全線采用DN400的鋼管改造后的水力計算復核

（4）沖洗泵吸水管路更新改造概算費用為：

DN400的鋼管更新安裝為271×716元/m=19.4萬元;

砌筑兩座閥門井為2×3000元/座=0.6萬元;

DN400蝶閥安裝為3×8000元/臺=2.4萬元;

DN300蝶閥安裝為3×6000元/臺=1.8萬元;

拆除原有管線、閥門井等人工費0.5萬元

完成該項改造項目約需資金24.7萬元

方案二：格網(wǎng)最不利管路噴嘴壓力按Hg=2.0kg/cm2計，吸水及壓水管路均保持原狀，以經(jīng)濟流速為約束計算確定吸水管路安全運行的最大流量，據(jù)其對現(xiàn)有沖洗泵組進行校核，通過計算分析更新泵組，并確定沖洗方案。

（1）噴嘴沖洗流量的確定

公式四：[6]

將Hg=2.0kg/cm2 =20m ; d=6mm ，代入公式經(jīng)計算q=0.56 l/s= 2.0 m3/h

（2） 一組格網(wǎng)（兩臺）沖洗流量V的確定

據(jù)上所述? V=2×21×2.0=84 m3/h

（3）吸水管路最大流量Q的確定及其水力校核計算

最大流量Q的確定

按DN300選取其經(jīng)濟流速v=0.78 m/s，則Q=3.14×0.152×0.8=0.055 m3/s=198 m3/h，此時DN200管的流速v=1.75 m/s.

水頭損失hw的計算

據(jù)上所述 hw=0.0552（9.273×30+241×0.932）+{0.882（2×1.0+2×0.12）+

0.782（3+2×1.7）+1.752（0.22+2×1.7+2+0.12）}÷（2×9.8）

=2.2+1.27

=3.47m

水泵進口法蘭處的壓力p的計算

據(jù)上所述 p=（1542.5-1538.47）-1.752÷（2×9.8）-3.47

=0.4m

沖洗泵參數(shù)（Q，H）及其臺數(shù)的確定

據(jù)上所述 Q=168～198 m3/h，H=25～30m;由于吸水管路流通能力所限，只能選用兩臺同型號的參數(shù)為Q=168～198 m3/h，H=25～30m的泵，一運一備，對現(xiàn)有沖洗泵進行更新。

（4） 沖洗方案的確定

據(jù)上所述，格網(wǎng)一次沖洗的組數(shù)n=Q/V=198÷84=2.4（組），據(jù)此可按如下方案進行沖洗：

渾水期考慮到黃河源水漂浮物較多，格網(wǎng)所需沖洗強度相對較大的特點，每四臺為一組進行沖洗;

除渾水期外，由于源水漂浮物較少，格網(wǎng)勿需太大的沖洗強度，因此可允許每六臺為一組分組進行沖洗。

（5）改造費用

經(jīng)詢價，選用國產(chǎn)泵組完成此項目需概算資金5萬元。

5、最佳實施方案的確定

從技術方面而言，據(jù)以上所述，由于客觀條件的局限，兩方案都不能實現(xiàn)遠期最大運行工況時全部連續(xù)沖洗運行的要求，但方案一因其沖洗水頭足、沖洗強度大，沖洗效果較好，但耗能高;方案二不僅能滿足目前及近期沖洗要求，而且耗能低。

從經(jīng)濟方面而言，據(jù)概算可知，方案二要比方案一經(jīng)濟得多;且工程量小，施工難度低，工期短，施工過程對生產(chǎn)運行幾乎沒有影響。

綜上所述，從目前及近期來看方案二優(yōu)于方案一。

6、實施效果

6.1 完全能保證近期生產(chǎn)運行過程中的工藝要求;

6.2 完全能保證設備安全正常運轉(zhuǎn);

6.3 沖洗泵運行效率比原來提高30%

參考文獻

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[2]顧振興， 王金娥， 高壓自旋轉(zhuǎn)噴頭的參數(shù)分析與應用 ，科技風， 2016年 第18期

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[4]徐文忠，陳淑靜，尚雅斐，? 多熱源環(huán)網(wǎng)補水定壓方式及定壓值得確定，區(qū)域供熱， 2015年01期;王桂麗， 給水管網(wǎng)等水壓線的研究及應用，黑龍江科技信息， 2012，（13）231-231

[5] [6] 未碧貴，張洪偉，給水排水管網(wǎng)設計—鴻業(yè)市政管線8.0，

作者簡介：

謝江峽 （1980.10），男，漢族，甘肅莊浪人，大學本科，工程師，主要從事城市供水（自來水生產(chǎn)）工作。

單位地址：蘭州城市供水（集團）有限公司制水一廠（西固環(huán)形西路64號）郵編730060