高揚程長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：高揚程長距離引黃灌溉泵站在首次啟動時需要對輸水管道進行空管充水，輸水管道充水系統使用概率低且充水的水量大。針對該特點，寧夏鹽環定揚黃共用工程采用水泵變速調節充水方式，充水操作簡單、自動化程度高，保證了水泵充水的安全穩定運行，且不增加額外的工程投資，為今后類似工程提供了經驗與參考。

關鍵詞：輸水管道充水;高揚程;長距離;水泵變速調節

中圖分類號：TV672.2 文獻標識碼：A 文章編號：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 水泵初次啟動需要充水的原因

對于大流量高揚程離心水泵，其轉輪在流量為0時（相當于出口閥門完全關閉），對應揚程最高，此時水泵的軸功率最小。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啟動，即在出口工作閥門關閉時啟動水泵。

離心水泵首次啟動，由于輸水管道是空管，因此，當水泵出口工作閥開啟時，會使水泵工況點從零流量迅速移向大流量區，使水泵工作點嚴重偏離設計點，從而引起效率下降，進入不穩定運行區域，空化嚴重造成機組振動。此外，水泵軸功率增加引起電機過載。因此，離心泵首次啟動需要對空管充水。

2 輸水系統充水水位的確定

對于高揚程離心水泵，最小過流量和最大過流量的運行范圍是受制于水泵特性的。一般，水泵的最大運行流量不超過設計流量的20%～35%[2]。若偏離設計點太多，會造成效率快速下降，空化嚴重且水泵軸功率增加，從而引起機組振動。

為了防止水泵閉閥造壓后，隨著工作閥開啟水泵工況點從零流量移向大流量區，通常需要使充水幾何水柱高度達到水泵設計揚程的2/3及以上。

3 可選擇的充水方式

高揚程長距離輸水管道可供選擇的充水方式一般有以下三種。

3.1 調節工作閥門充水

調節工作閥門充水方式是利用了閥門自身的“開度-損失”特性[3]，調整工作閥門實現不同開度時的水力損失變化，改變水泵輸水系統的損失特性，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，使交點位于水泵穩定運行區域。使用調節工作閥門充水時，要注意閥門小開度工況時會產生振動和氣蝕。

調節工作閥門充水的方法在實際使用中很難找到流量變化最大的點，操作較困難，且為了避免工作閥門小開度產生的振動和氣蝕，需要選擇性能穩定、抗氣蝕性能好的閥門。

3.2 輔助充水泵充水

利用輔助充水泵對輸水管道充水，一般需要設置2臺充水泵（1臺工作1臺備用）。對于長距離大管徑輸水系統，充水泵一次只能充一排管道，充水時間較長，運行操作麻煩。空管充水使用概率低，專門設置一套充水設備增加了投資，而且多了一處運行維護點。

3.3 水泵變速調節充水

水泵變速調節充水，適用于設置變頻電機的泵站。其通過改變電動機的頻率調整電動機轉速，從而改變水泵的工作特性曲線，使得輸水系統管路特性曲線在保持不變的條件下改變水泵的實際工作點，使其一直處在該轉速下的穩定運行區域，保證水泵平穩運行。水泵變速調節充水可利用變頻器控制電機轉速，操作方便、可控性強。

若泵站未設置變頻電機，僅為了輸水管道充水增加變頻器等設備，會增加工程投資且使用概率較低，不推薦水泵變速調節充水。

4 鹽環定揚黃共用工程采用的充水方式

4.1 工程概況

鹽環定揚黃共用工程主干線經一泵站（取水泵站）從寧夏靈武市白土崗鄉西南約2km處的黃河青銅峽東干渠處取水，后經二泵站～八泵站梯級輸水至老鹽池分水閘，向南至鹽池縣李家大莊，到達甘肅的分水點，向東到鹽池縣牛家口子給陜西分水。每級泵站后接壓力管道、渡槽和干渠至下級泵站的進水池。

該工程是一項大型、遠距離的扶貧民生灌溉工程，解決了鹽環定革命老區295km2土地的灌溉用水問題，為貧困地區脫貧致富提供了水利保障。整個工程設計引水流量11.2m3/s，年引水量3.2億m2，全年灌溉時間為170d。灌溉供水總干線共設5座公用工程梯級泵站，灌溉供水支線共設3座專用工程梯級泵站。提水總揚程435.27m，裝機53臺套，總裝機容量達72.2MW，壓力管道長度67.71km。灌溉供水總干線各級泵站裝機情況詳見表1。

泵站是梯級泵站中揚程最高、輸水管道最長、裝機容量最大的泵站，以二泵站為例詳細分析輸水管道的充水方式。

鹽環定揚黃共用工程二泵站位于寧夏自治區靈武市五里坡村，泵站安裝7臺單級雙吸中開臥式離心泵，其中5臺為大泵（4用1備）、1臺為小泵、另1臺為灌溉專用泵（單獨向五里坡灌區灌溉供水）。二泵站詳細參數見表2。

4.2 二泵站變速調節充水方案

二泵站泵組設置了變頻泵，利用變頻泵對空管充水。通過變頻器調節水泵轉速、改變水泵特性曲線，在管路特性曲線基本不變的情況下，可以改變水泵的運行工況點，使其在不同轉速下都能在最優運行區間，保證充水要求。

4.2.1 充水連通管設置。具體的充水連通管及閥門布置示意見圖1。

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

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

4.2.2 充水水位。二泵站供水水泵泵殼淹沒平壓最低水位為1 153.94m，水泵的設計揚程為90.0m，則輸水管道系統預充水位[LAP]為：

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

根據二泵站輸水管道布置走向，管道中心高程為1 213.94m時，對應的管道樁號在GX4+800處。該位置幾何揚程為56.3m，水泵出口壓力變送器顯示壓力約為0.56MPa時，即說明壓力管道充水已達到預充水位。

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。在開啟變頻水泵充水時，水泵轉速由額定轉速[n1]=740r/min降低至[n2]=604r/min（81.6%[n1]）。現場實時充水時，可以根據現場操作時的水泵壓力、流量情況以及水泵的變速特性曲線，實時調整水泵的變頻轉速，保證變頻水泵的安全運行。

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）發生故障的情況下，利用泵組一或泵組二的變頻泵進行互相充水，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。對于泵組三，因為沒有設置變頻水泵，考慮利用緊挨泵組三布置的泵組二的變頻水泵（4#水泵），通過設置旁通管道向泵組三的壓力管道充水。

④泵組一對三個泵組管道同時充水方案。當泵組二中4#變頻水泵故障時，將不能通過泵組二的變頻泵向泵組三充水，因此采用泵組一中的2#變頻水泵通過二組連通管向泵組一、泵組二和泵組三同時充水。

4.3 充水系統運行情況

鹽環定揚黃共用工程各泵站在2018年4月1日投入試運行，二至五泵站的充水系統因其操作方便、簡單;充水過程平穩安全，充水效果好。受到了建設單位和運行管理單位的一致好評。

5 結語

高揚程長距離引黃灌溉泵站輸水管道初次啟動空管充水是工程安全運行的重要節點之一。一方面要保證水泵的安全穩定運行，另一方面要保證輸水管道的安全。鹽環定揚黃共用工程采用的水泵變速調節充水方式，使充水操作和充水程序簡單化，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：

[1]欒鴻儒.水泵及水泵站[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[2]張世杰，鄭月華.高揚程水泵站初揚水充水系統的設計[J].水力發電，2003（1）：47-50.

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