變頻及旁通管路系統(tǒng)在泵站首次充水中的應(yīng)用

李 杰

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

1 泵站工程首次充水方案簡介

水利設(shè)計工作中的城鎮(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)，正常運行前需要對管道進行充水。充水過程是從0 m 凈揚程開始逐漸增加，至達到設(shè)計凈揚程的一個過程。根據(jù)離心泵特性曲線及泵站運行工況點計算理論，充水初始階段，水泵凈揚程幾乎為零，流量理論上無限大，若不人為采取一定的措施，將造成水泵空蝕、電機過載等問題，對主水泵電動機組危害巨大，此類問題在高揚程、長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題，較為常見的解決方案有壓閥運行、設(shè)置專用充水泵、變頻運行、泵后設(shè)旁通管路系統(tǒng)等。以下結(jié)合北方常規(guī)泵站工程水泵進出水布置，對這幾種解決方案分別進行簡要介紹。圖1 為北方常見固定干室半地下布置廠房的機組布置型式。

圖1 水泵進出水布置示意圖

1.1 壓閥運行

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

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組旁或檢修間下，由緊鄰的主水泵進水支管“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)計流量小于主水泵，按站后管路充水流量進行設(shè)計，初期運行過程中配合充水泵后出水管道上設(shè)置的閥門壓閥運行。該方案的優(yōu)點為充水過程無需啟動主水泵，不存在主水泵嚴重偏工況運行的情況，同時對充水泵后的閥門進行壓閥運行，不損害主水泵后的主工作閥；缺點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，同時需要有合適的空間安裝充水泵，可能會增加廠房尺寸。

1.3 變頻運行

有些由水庫、河道取水的供水、灌溉等泵站，由于水位變幅較大，泵站運行過程中流量變化大；梯級加壓泵站，由于每座泵站流量、揚程參數(shù)的變化，存在級間流量不匹配的現(xiàn)象。若要泵站抽水流量在某一時段維持在某一個設(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機其可適應(yīng)的頻率運行范圍是有限的。對于常規(guī)的普通電機，一般其運行頻率為[30～50］Hz，而變頻電機其最低運行頻率可降至20 Hz 左右。在實際工程中，由于變頻幅度有限，一般單靠變頻調(diào)速裝置，無法滿足泵站首次充水對流量調(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，筆者在設(shè)計過程中采用了變頻調(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，同時站后揚程較高、輸水管道較長。

旁通管路系統(tǒng)的布置方案如下：

（1）泵站向一個方向供水且安裝同型號水泵時，選擇一臺機組設(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，不影響機組其他配套設(shè)備的放置。泵站向一個方向供水，安裝不同型號水泵時，宜選擇小流量機組設(shè)置旁通管路系統(tǒng)。泵站向多個方向供水，且通過不同的輸水干管輸水時，應(yīng)為每個供水方向各設(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，繞過水泵出水支管檢修閥，在水泵出水支管左右兩側(cè)對稱布置旁通管路（受力平衡），在旁通管上設(shè)置手動工作閥及檢修閥。旁通管管徑通過水力計算試算得出，其管徑小于泵后出水支管，充水過程中確保其流速不超過規(guī)范允許值，其原理為通過縮徑增加管路損失。

（3）運行方式為，泵站首次充水前關(guān)閉充水主機組泵后檢修閥，打開泵后出水支管工作閥，打開旁通管上設(shè)置的檢修閥，關(guān)閉旁通管上設(shè)置的工作閥，變頻啟動水泵，待電機頻率達到計算需要值時，緩緩打開旁通管上設(shè)置的工作閥到需要開度。

工程實例中常常根據(jù)供水系統(tǒng)實際情況，采用“變頻+旁通”或者“變頻+旁通+初期旁通閥壓閥”運行的方式。該方案的優(yōu)點在于充分依托泵站主設(shè)備，所需額外增加的工程投資少，充水過程對主設(shè)備無損害，經(jīng)多個工程實踐，過程平穩(wěn)、安全。

2 工程實例及計算原理

以下以北方某城市供水工程為例，對變頻+旁通系統(tǒng)的應(yīng)用進行論述。該工程干線設(shè)6 級加壓泵站，輸水線路長約84 km，其中的二級泵站設(shè)計流量4.1 m3／s，設(shè)計凈揚程58.15 m，設(shè)計揚程66.0 m，站后輸水干管為單根長5.94 km 的DN1800球墨鑄鐵管+PCCP 管。泵站布置與圖1 模式相似，主廠房內(nèi)一列式安裝7 臺同型號水泵電動機組（5 用2 備），7 臺泵進水側(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 電動蝶閥（檢修閥）各1 臺。

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（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，宜控制充水流速不超過0.3 m／s～0.5 m／s，最大不超過1.0 m／s。根據(jù)適宜流速對二級站后輸水干管充水進行計算，則充滿時間需要3 h～5 h。經(jīng)計算充水過程中，僅依靠變頻可滿足[20，58.15］m凈揚程范圍內(nèi)平穩(wěn)充水的要求。充水初期[0，20］m 凈揚程區(qū)間范圍，僅依靠變頻無法滿足平穩(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)段凈揚程對應(yīng)管道總長約1.0 km，若采用壓主閥運行的方式，壓閥時長近1 小時，會對閥板造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。

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

依照規(guī)范《室外排水設(shè)計標準》（GB 50014-2021）“5.2.5 排水管道的最大設(shè)計流速，宜符合下列規(guī)定。1 金屬管道為10 m／s?！币约耙?guī)范《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50084-2017）“9.2.1 管道內(nèi)的水流速度宜采用經(jīng)濟流速，必要時可超過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算，綜合確定旁通支管管徑。對本工程而言，經(jīng)系統(tǒng)水力計算，選定旁通支管管徑為DN200，旁通管路對稱布置，來水側(cè)布置手動偏心半球閥作為工作閥，在單純依靠旁通管造阻達不到理想效果時壓該工作閥運行，工作閥后設(shè)手動閘閥作為檢修閥，該旁通系統(tǒng)布置見圖2。對該旁通系統(tǒng)來說，母管充水流量的上限值應(yīng)設(shè)定為0.64 m3／s，對應(yīng)旁通管流速為9.89 m／s，母管充水流速對應(yīng)為0.25 m／s。本工程實際充水過程中嚴格按照設(shè)計建議的充水過程，全程采用旁通管+變頻調(diào)速充水，過程中無需旁通管工作閥壓閥運行，充水過程平穩(wěn)高效、效果良好。具體充水計算圖見圖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

充水過程中旁通管閥門全開， 充水流量區(qū)間為［0.44，0.64］m3／s。在［0，50.2］m 凈揚程范圍內(nèi)進行變頻運行，其中，［0，20］m 凈揚程范圍內(nèi)電機運行頻率為32.83 Hz；（20，40］m 凈揚程范圍內(nèi)電機運行頻率為40.51 Hz；（40，50.2］m凈揚程范圍內(nèi)電機運行頻率為47.02 Hz。（50.2，58.15］m 凈揚程范圍內(nèi)電機投切至工頻狀態(tài)運行。整個充水過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)，總充水時間約7.8 h。

3 結(jié)語

當下提水泵站多配置有變頻調(diào)速裝置用于調(diào)節(jié)流量、揚程或機組啟動，變頻及旁通管路充水系統(tǒng)在延安黃河引水工程、陜西省涇河東莊水利樞紐施工供水工程等多項高揚程長距離輸水工程中進行了實際運用。上述工程水泵均為倒灌淹沒式安裝，首次充水前打開水泵進出水管道上設(shè)置的閥門，利用泵前后壓差對進水部分液面以下提水系統(tǒng)予以充水排氣，縮短充水時間，之后啟泵運用變頻及旁通管路系統(tǒng)充水。充水過程按設(shè)計成果執(zhí)行，過程安全平穩(wěn)，均順利完成管道充水任務(wù)。總結(jié)起來，該充水方案的核心思路為：通過布置旁通充水支管人為縮窄流道增阻，若管徑選擇得當，整個充水過程無需壓閥運行（即使壓閥也是對旁通管上設(shè)置的工作閥進行短歷時壓閥運行，泵后主閥始終無需壓閥運行）。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。