高扬程长距离引黄灌溉泵站输水管道充水方式研究

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　　摘 要：高扬程长距离引黄灌溉泵站在首次启动时需要对输水管道进行空管充水，输水管道充水系统使用概率低且充水的水量大。针对该特点，宁夏盐环定扬黄共用工程采用水泵变速调节充水方式，充水操作简单、自动化程度高，保证了水泵充水的安全稳定运行，且不增加额外的工程投资，为今后类似工程提供了经验与参考。
　　关键词：输水管道充水;高扬程;长距离;水泵变速调节
　　中图分类号：TV672.2 文献标识码：A 文章编号：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 水泵初次啟动需要充水的原因
　　对于大流量高扬程离心水泵，其转轮在流量为0时（相当于出口阀门完全关闭），对应扬程最高，此时水泵的轴功率最小。随着水泵流量增加，水泵轴功率也随之加大[1]。因此，离心水泵一般采取闭阀造压启动，即在出口工作阀门关闭时启动水泵。
　　离心水泵首次启动，由于输水管道是空管，因此，当水泵出口工作阀开启时，会使水泵工况点从零流量迅速移向大流量区，使水泵工作点严重偏离设计点，从而引起效率下降，进入不稳定运行区域，空化严重造成机组振动。此外，水泵轴功率增加引起电机过载。因此，离心泵首次启动需要对空管充水。
　　2 输水系统充水水位的确定
　　对于高扬程离心水泵，最小过流量和最大过流量的运行范围是受制于水泵特性的。一般，水泵的最大运行流量不超过设计流量的20%～35%[2]。若偏离设计点太多，会造成效率快速下降，空化严重且水泵轴功率增加，从而引起机组振动。
　　为了防止水泵闭阀造压后，随着工作阀开启水泵工况点从零流量移向大流量区，通常需要使充水几何水柱高度达到水泵设计扬程的2/3及以上。
　　3 可选择的充水方式
　　高扬程长距离输水管道可供选择的充水方式一般有以下三种。
　　3.1 调节工作阀门充水
　　调节工作阀门充水方式是利用了阀门自身的“开度-损失”特性[3]，调整工作阀门实现不同开度时的水力损失变化，改变水泵输水系统的损失特性，使管路特性曲线变陡峭，从而改变水泵特性曲线与管路特性曲线的交点，使交点位于水泵稳定运行区域。使用调节工作阀门充水时，要注意阀门小开度工况时会产生振动和气蚀。
　　调节工作阀门充水的方法在实际使用中很难找到流量变化最大的点，操作较困难，且为了避免工作阀门小开度产生的振动和气蚀，需要选择性能稳定、抗气蚀性能好的阀门。
　　3.2 辅助充水泵充水
　　利用辅助充水泵对输水管道充水，一般需要设置2台充水泵（1台工作1台备用）。对于长距离大管径输水系统，充水泵一次只能充一排管道，充水时间较长，运行操作麻烦。空管充水使用概率低，专门设置一套充水设备增加了投资，而且多了一处运行维护点。
　　3.3 水泵变速调节充水
　　水泵变速调节充水，适用于设置变频电机的泵站。其通过改变电动机的频率调整电动机转速，从而改变水泵的工作特性曲线，使得输水系统管路特性曲线在保持不变的条件下改变水泵的实际工作点，使其一直处在该转速下的稳定运行区域，保证水泵平稳运行。水泵变速调节充水可利用变频器控制电机转速，操作方便、可控性强。
　　若泵站未设置变频电机，仅为了输水管道充水增加变频器等设备，会增加工程投资且使用概率较低，不推荐水泵变速调节充水。
　　4 盐环定扬黄共用工程采用的充水方式 　　4.1 工程概况
　　盐环定扬黄共用工程主干线经一泵站（取水泵站）从宁夏灵武市白土岗乡西南约2km处的黄河青铜峡東干渠处取水，后经二泵站～八泵站梯级输水至老盐池分水闸，向南至盐池县李家大庄，到达甘肃的分水点，向东到盐池县牛家口子给陕西分水。每级泵站后接压力管道、渡槽和干渠至下级泵站的进水池。
　　该工程是一项大型、远距离的扶贫民生灌溉工程，解决了盐环定革命老区295km2土地的灌溉用水问题，为贫困地区脱贫致富提供了水利保障。整个工程设计引水流量11.2m3/s，年引水量3.2亿m2，全年灌溉时间为170d。灌溉供水总干线共设5座公用工程梯级泵站，灌溉供水支线共设3座专用工程梯级泵站。提水总扬程435.27m，装机53台套，总装机容量达72.2MW，压力管道长度67.71km。灌溉供水总干线各级泵站装机情况详见表1。
　　泵站是梯级泵站中扬程最高、输水管道最长、装机容量最大的泵站，以二泵站为例详细分析输水管道的充水方式。
　　盐环定扬黄共用工程二泵站位于宁夏自治区灵武市五里坡村，泵站安装7台单级双吸中开卧式离心泵，其中5台为大泵（4用1备）、1台为小泵、另1台为灌溉专用泵（单独向五里坡灌区灌溉供水）。二泵站详细参数见表2。
　　4.2 二泵站变速调节充水方案
　　二泵站泵组设置了变频泵，利用变频泵对空管充水。通过变频器调节水泵转速、改变水泵特性曲线，在管路特性曲线基本不变的情况下，可以改变水泵的运行工况点，使其在不同转速下都能在最优运行区间，保证充水要求。
　　4.2.1 充水连通管设置。具体的充水连通管及阀门布置示意见图1。
　　泵组一和泵组二可利用各自泵组中的2#变频水泵和4#变频水泵对各自的输水管道充水。泵组三没有变频泵，在泵组二和泵组三之间设置充水连通管，利用泵组二变频水泵对泵组三管道充水。
　　二泵站设置二条连通管道。考虑充水连通管的布置应便于施工，离泵房近便于操作，充水连通管布置在：二台大泵（2#变频水泵和3#工频水泵）的单泵出水管道之间，旁通管上设置1个DN1 000 P1.6MPa的电动偏心半球阀以及1个DN1 000 P1.6MPa的钢制伸缩节;二台大泵（4#变频水泵和5#工频水泵）的单泵出水管道之间，旁通管上设置一个DN1 000 P1.6MPa的电动偏心半球阀以及1个DN1 000 P1.6MPa的钢制伸缩节。
　　4.2.2 充水水位。二泵站供水水泵泵壳淹没平压最低水位为1 153.94m，水泵的设计扬程为90.0m，则输水管道系统预充水位[LAP]为：
　　[LAP=1 153.94+2/3×90=1 213.94m]            （1）
　　根据二泵站输水管道布置走向，管道中心高程为1 213.94m时，对应的管道桩号在GX4+800处。该位置几何扬程为56.3m，水泵出口压力变送器显示压力约为0.56MPa时，即说明压力管道充水已达到预充水位。
　　4.2.3 各泵组充水方案
　　①泵组一和泵组二输水管道各自充水方案。泵组一和泵组二可利用各自泵组中的2#变频水泵和4#变频水泵充水。在开启变频水泵充水时，水泵转速由额定转速[n1]=740r/min降低至[n2]=604r/min（81.6%[n1]）。现场实时充水时，可以根据现场操作时的水泵压力、流量情况以及水泵的变速特性曲线，实时调整水泵的变频转速，保证变频水泵的安全运行。
　　②泵组一和泵组二输水管道互相充水方案。泵组一和泵组二的互相充水方案即在泵组一的2#水泵和泵组二的3#水泵出水压力钢管上设置连通管，以防止在泵组一变频泵（2#水泵）或泵组二变频泵（4#水泵）发生故障的情况下，利用泵组一或泵组二的变频泵进行互相充水，保证泵组一和泵组二压力管道能正常充水。
　　③泵组三压力管道充水方案。对于泵组三，因为没有设置变频水泵，考虑利用紧挨泵组三布置的泵组二的变频水泵（4#水泵），通过设置旁通管道向泵组三的压力管道充水。
　　④泵组一对三个泵组管道同时充水方案。当泵组二中4#变频水泵故障时，将不能通过泵组二的变频泵向泵组三充水，因此采用泵组一中的2#变频水泵通过二组连通管向泵组一、泵组二和泵组三同时充水。
　　4.3 充水系统运行情况
　　盐环定扬黄共用工程各泵站在2018年4月1日投入试运行，二至五泵站的充水系统因其操作方便、简单;充水过程平稳安全，充水效果好。受到了建设单位和运行管理单位的一致好评。
　　5 结语
　　高扬程长距离引黄灌溉泵站输水管道初次启动空管充水是工程安全运行的重要节点之一。一方面要保证水泵的安全稳定运行，另一方面要保证输水管道的安全。盐环定扬黄共用工程采用的水泵变速调节充水方式，使充水操作和充水程序简单化，提高了充水效率，且不额外增加工程投资。这为今后的引黄工程提供了参考。
　　参考文献：
　　[1]栾鸿儒.水泵及水泵站[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
　　[2]张世杰，郑月华.高扬程水泵站初扬水充水系统的设计[J].水力发电，2003（1）：47-50.
　　[3]孟丽芳，李军，白敬山.长距离输水管道充水方式的探究[J].包钢科技，2011（1）：13-16.
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