高揚(yáng)程長(zhǎng)距離引黃灌溉泵站輸水管道充水方式研究

劉紹謙 孫玉涵 王佳

摘 要：高揚(yáng)程長(zhǎng)距離引黃灌溉泵站在首次啟動(dòng)時(shí)需要對(duì)輸水管道進(jìn)行空管充水，輸水管道充水系統(tǒng)使用概率低且充水的水量大。針對(duì)該特點(diǎn)，寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程采用水泵變速調(diào)節(jié)充水方式，充水操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，保證了水泵充水的安全穩(wěn)定運(yùn)行，且不增加額外的工程投資，為今后類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)與參考。

關(guān)鍵詞：輸水管道充水;高揚(yáng)程;長(zhǎng)距離;水泵變速調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TV672.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）04-0119-03

Study on Water Filling Mode of Water Pipeline in High-lift and

Long-distance Irrigation Pumping Station

LIU Shaoqian SUN Yuhan WANG Jia

（Yellow River Survey Planning and Design Research Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： When the pumping station of high-lift and long-distance Yellow River diversion is first started， it needs to fill the empty pipe of the water conveyance pipeline. The probability of using the water conveyance pipeline filling system is low and the water quantity is large. In view of this characteristic， Ningxia Salt Ring Ding Yanghuang Common Project adopted pump variable speed regulation water filling mode. The water filling operation was simple and highly automated， which ensured the safe and stable operation of pump water filling without additional project investment. It provides experience and reference for similar projects in the future.

Keywords： water pipe filling; high lift;long distance;water pump variable speed adjustment

1 水泵初次啟動(dòng)需要充水的原因

對(duì)于大流量高揚(yáng)程離心水泵，其轉(zhuǎn)輪在流量為0時(shí)（相當(dāng)于出口閥門(mén)完全關(guān)閉），對(duì)應(yīng)揚(yáng)程最高，此時(shí)水泵的軸功率最小。隨著水泵流量增加，水泵軸功率也隨之加大[1]。因此，離心水泵一般采取閉閥造壓?jiǎn)?dòng)，即在出口工作閥門(mén)關(guān)閉時(shí)啟動(dòng)水泵。

離心水泵首次啟動(dòng)，由于輸水管道是空管，因此，當(dāng)水泵出口工作閥開(kāi)啟時(shí)，會(huì)使水泵工況點(diǎn)從零流量迅速移向大流量區(qū)，使水泵工作點(diǎn)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，從而引起效率下降，進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，空化嚴(yán)重造成機(jī)組振動(dòng)。此外，水泵軸功率增加引起電機(jī)過(guò)載。因此，離心泵首次啟動(dòng)需要對(duì)空管充水。

2 輸水系統(tǒng)充水水位的確定

對(duì)于高揚(yáng)程離心水泵，最小過(guò)流量和最大過(guò)流量的運(yùn)行范圍是受制于水泵特性的。一般，水泵的最大運(yùn)行流量不超過(guò)設(shè)計(jì)流量的20%～35%[2]。若偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)太多，會(huì)造成效率快速下降，空化嚴(yán)重且水泵軸功率增加，從而引起機(jī)組振動(dòng)。

為了防止水泵閉閥造壓后，隨著工作閥開(kāi)啟水泵工況點(diǎn)從零流量移向大流量區(qū)，通常需要使充水幾何水柱高度達(dá)到水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程的2/3及以上。

3 可選擇的充水方式

高揚(yáng)程長(zhǎng)距離輸水管道可供選擇的充水方式一般有以下三種。

3.1 調(diào)節(jié)工作閥門(mén)充水

調(diào)節(jié)工作閥門(mén)充水方式是利用了閥門(mén)自身的“開(kāi)度-損失”特性[3]，調(diào)整工作閥門(mén)實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)度時(shí)的水力損失變化，改變水泵輸水系統(tǒng)的損失特性，使管路特性曲線變陡峭，從而改變水泵特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)，使交點(diǎn)位于水泵穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。使用調(diào)節(jié)工作閥門(mén)充水時(shí)，要注意閥門(mén)小開(kāi)度工況時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和氣蝕。

調(diào)節(jié)工作閥門(mén)充水的方法在實(shí)際使用中很難找到流量變化最大的點(diǎn)，操作較困難，且為了避免工作閥門(mén)小開(kāi)度產(chǎn)生的振動(dòng)和氣蝕，需要選擇性能穩(wěn)定、抗氣蝕性能好的閥門(mén)。

3.2 輔助充水泵充水

利用輔助充水泵對(duì)輸水管道充水，一般需要設(shè)置2臺(tái)充水泵（1臺(tái)工作1臺(tái)備用）。對(duì)于長(zhǎng)距離大管徑輸水系統(tǒng)，充水泵一次只能充一排管道，充水時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行操作麻煩?？展艹渌褂酶怕实?，專門(mén)設(shè)置一套充水設(shè)備增加了投資，而且多了一處運(yùn)行維護(hù)點(diǎn)。

3.3 水泵變速調(diào)節(jié)充水

水泵變速調(diào)節(jié)充水，適用于設(shè)置變頻電機(jī)的泵站。其通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的頻率調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的工作特性曲線，使得輸水系統(tǒng)管路特性曲線在保持不變的條件下改變水泵的實(shí)際工作點(diǎn)，使其一直處在該轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，保證水泵平穩(wěn)運(yùn)行。水泵變速調(diào)節(jié)充水可利用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，操作方便、可控性強(qiáng)。

若泵站未設(shè)置變頻電機(jī)，僅為了輸水管道充水增加變頻器等設(shè)備，會(huì)增加工程投資且使用概率較低，不推薦水泵變速調(diào)節(jié)充水。

4 鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程采用的充水方式

4.1 工程概況

鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程主干線經(jīng)一泵站（取水泵站）從寧夏靈武市白土崗鄉(xiāng)西南約2km處的黃河青銅峽東干渠處取水，后經(jīng)二泵站～八泵站梯級(jí)輸水至老鹽池分水閘，向南至鹽池縣李家大莊，到達(dá)甘肅的分水點(diǎn)，向東到鹽池縣牛家口子給陜西分水。每級(jí)泵站后接壓力管道、渡槽和干渠至下級(jí)泵站的進(jìn)水池。

該工程是一項(xiàng)大型、遠(yuǎn)距離的扶貧民生灌溉工程，解決了鹽環(huán)定革命老區(qū)295km2土地的灌溉用水問(wèn)題，為貧困地區(qū)脫貧致富提供了水利保障。整個(gè)工程設(shè)計(jì)引水流量11.2m3/s，年引水量3.2億m2，全年灌溉時(shí)間為170d。灌溉供水總干線共設(shè)5座公用工程梯級(jí)泵站，灌溉供水支線共設(shè)3座專用工程梯級(jí)泵站。提水總揚(yáng)程435.27m，裝機(jī)53臺(tái)套，總裝機(jī)容量達(dá)72.2MW，壓力管道長(zhǎng)度67.71km。灌溉供水總干線各級(jí)泵站裝機(jī)情況詳見(jiàn)表1。

泵站是梯級(jí)泵站中揚(yáng)程最高、輸水管道最長(zhǎng)、裝機(jī)容量最大的泵站，以二泵站為例詳細(xì)分析輸水管道的充水方式。

鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程二泵站位于寧夏自治區(qū)靈武市五里坡村，泵站安裝7臺(tái)單級(jí)雙吸中開(kāi)臥式離心泵，其中5臺(tái)為大泵（4用1備）、1臺(tái)為小泵、另1臺(tái)為灌溉專用泵（單獨(dú)向五里坡灌區(qū)灌溉供水）。二泵站詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

4.2 二泵站變速調(diào)節(jié)充水方案

二泵站泵組設(shè)置了變頻泵，利用變頻泵對(duì)空管充水。通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速、改變水泵特性曲線，在管路特性曲線基本不變的情況下，可以改變水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)，使其在不同轉(zhuǎn)速下都能在最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間，保證充水要求。

4.2.1 充水連通管設(shè)置。具體的充水連通管及閥門(mén)布置示意見(jiàn)圖1。

泵組一和泵組二可利用各自泵組中的2#變頻水泵和4#變頻水泵對(duì)各自的輸水管道充水。泵組三沒(méi)有變頻泵，在泵組二和泵組三之間設(shè)置充水連通管，利用泵組二變頻水泵對(duì)泵組三管道充水。

二泵站設(shè)置二條連通管道。考慮充水連通管的布置應(yīng)便于施工，離泵房近便于操作，充水連通管布置在：二臺(tái)大泵（2#變頻水泵和3#工頻水泵）的單泵出水管道之間，旁通管上設(shè)置1個(gè)DN1 000 P1.6MPa的電動(dòng)偏心半球閥以及1個(gè)DN1 000 P1.6MPa的鋼制伸縮節(jié);二臺(tái)大泵（4#變頻水泵和5#工頻水泵）的單泵出水管道之間，旁通管上設(shè)置一個(gè)DN1 000 P1.6MPa的電動(dòng)偏心半球閥以及1個(gè)DN1 000 P1.6MPa的鋼制伸縮節(jié)。

4.2.2 充水水位。二泵站供水水泵泵殼淹沒(méi)平壓最低水位為1 153.94m，水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為90.0m，則輸水管道系統(tǒng)預(yù)充水位[LAP]為：

[LAP=1 153.94+2/3×90=1 213.94m] ? ? ? ? ? ?（1）

根據(jù)二泵站輸水管道布置走向，管道中心高程為1 213.94m時(shí)，對(duì)應(yīng)的管道樁號(hào)在GX4+800處。該位置幾何揚(yáng)程為56.3m，水泵出口壓力變送器顯示壓力約為0.56MPa時(shí)，即說(shuō)明壓力管道充水已達(dá)到預(yù)充水位。

4.2.3 各泵組充水方案

①泵組一和泵組二輸水管道各自充水方案。泵組一和泵組二可利用各自泵組中的2#變頻水泵和4#變頻水泵充水。在開(kāi)啟變頻水泵充水時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速[n1]=740r/min降低至[n2]=604r/min（81.6%[n1]）?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)充水時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)的水泵壓力、流量情況以及水泵的變速特性曲線，實(shí)時(shí)調(diào)整水泵的變頻轉(zhuǎn)速，保證變頻水泵的安全運(yùn)行。

②泵組一和泵組二輸水管道互相充水方案。泵組一和泵組二的互相充水方案即在泵組一的2#水泵和泵組二的3#水泵出水壓力鋼管上設(shè)置連通管，以防止在泵組一變頻泵（2#水泵）或泵組二變頻泵（4#水泵）發(fā)生故障的情況下，利用泵組一或泵組二的變頻泵進(jìn)行互相充水，保證泵組一和泵組二壓力管道能正常充水。

③泵組三壓力管道充水方案。對(duì)于泵組三，因?yàn)闆](méi)有設(shè)置變頻水泵，考慮利用緊挨泵組三布置的泵組二的變頻水泵（4#水泵），通過(guò)設(shè)置旁通管道向泵組三的壓力管道充水。

④泵組一對(duì)三個(gè)泵組管道同時(shí)充水方案。當(dāng)泵組二中4#變頻水泵故障時(shí)，將不能通過(guò)泵組二的變頻泵向泵組三充水，因此采用泵組一中的2#變頻水泵通過(guò)二組連通管向泵組一、泵組二和泵組三同時(shí)充水。

4.3 充水系統(tǒng)運(yùn)行情況

鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程各泵站在2018年4月1日投入試運(yùn)行，二至五泵站的充水系統(tǒng)因其操作方便、簡(jiǎn)單;充水過(guò)程平穩(wěn)安全，充水效果好。受到了建設(shè)單位和運(yùn)行管理單位的一致好評(píng)。

5 結(jié)語(yǔ)

高揚(yáng)程長(zhǎng)距離引黃灌溉泵站輸水管道初次啟動(dòng)空管充水是工程安全運(yùn)行的重要節(jié)點(diǎn)之一。一方面要保證水泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行，另一方面要保證輸水管道的安全。鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程采用的水泵變速調(diào)節(jié)充水方式，使充水操作和充水程序簡(jiǎn)單化，提高了充水效率，且不額外增加工程投資。這為今后的引黃工程提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]欒鴻儒.水泵及水泵站[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

[2]張世杰，鄭月華.高揚(yáng)程水泵站初揚(yáng)水充水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電，2003（1）：47-50.

[3]孟麗芳，李軍，白敬山.長(zhǎng)距離輸水管道充水方式的探究[J].包鋼科技，2011（1）：13-16.