氣系統在低揚程泵站應用探討

田葛

（北京市南水北調團城湖管理處，北京 100000）

0 引言

密云水庫調蓄工程前7級泵站為立式軸流機組及立式混流機組，電機類型均為立式異步電動機，設計揚程1.2至6米，斷流方式為真空破壞閥斷流。前池進水采用肘形流道進水，后池出水采用虹吸式出水流道出水，按照設計構想是開機前通過真空泵對出水管道抽真空，停機時利用真空破壞閥破壞真空的方式斷流，真空破壞閥的動力為壓縮空氣[1]。

密云水庫調蓄工程自2015年正式運行以來，根據運行實際情況，泵站氣系統未能充分利用，在機組調水運行過程中，只是利用壓縮空氣為主水泵停機時向真空破壞閥供氣實現斷流。復雜的氣系統、諸多的設備閑置為安全調水運行造成了隱患，其主要表現如下：

（1）系統中儲氣罐及管路為有壓設備，儲氣罐中的有壓氣體具有強大的膨脹性，一旦泄露，會直接威脅運行人身和泵站設備的安全。

（2）空壓機產生的高分貝噪聲對工作人員聽力造成損害。

（3）雖然作為真空破壞閥的配套設備其使用率很低，但空壓機需要長期工作以保持儲氣罐及管道壓力，耗電量多，運行成本高。

（4）壓縮空氣系統，管路長、閘閥多、控制系統繁瑣，維護工作量大。

（5）抽真空設備雖未使用但設備、管道、閘閥都需要每天進行維護。

1 抽真空設備作用及必要性

1～7級泵站設計為虹吸式出水流道，抽真空設備是為了在開啟機組時將出水流道內空氣抽出形成真空，減少開機阻力，保證能正常開啟機組。

根據設計時軟啟的開機及后來增加的變頻啟動開機運行，自泵站投入運行至今1～7級泵站在實際運行中，未進行抽真空操作都能順利的開啟機組。且根據站內實際運行情況，在最不利工況下開啟機組，站內機組主要參數匯總如下：

表1 站內機組圖表

通過對實際運行開機參數分析，在最不利工況下且不啟動抽真空設備，水泵開機運行，電機實際功率低于電機設計值，并且啟動電流都低于允許啟動電流，因此，抽真空系統在本工程中沒有發揮作用，設置的必要性不大，可以取消[2]。

2 真空破壞作用及造成事故損失分析

1～7級泵站設計為虹吸式出水流道，真空破壞閥作用主要是開機時排氣形成真空，停機時進氣破壞出水流道真空，起到停機斷流，避免造成回流倒。

如果發生事故停機真空破壞閥失去作用，不能及時有效的斷流，待運行值班人員到現地人工打開真空破壞閥或打碎真空破壞閥玻璃窗實現斷流，這樣勢必形成回流倒灌，造成機組反轉、河水回流、前池渠道水位上漲，針對造成損失分析如下：

（1）根據前期試驗，各級泵站在雙機運行的情況下，河道水位上漲1cm所需時間4～17分鐘之間，輸水量3000～10000cm3，如果發生事故，人工打開真空破壞閥時間在2分鐘之內，造成回流量按照最大流量計算，回流水量約為800立方，對于前池十幾公里的河道水位上升不足1cm，該水量對前池河道沒有影響。

（2）屯佃泵站、前柳林泵站、埝頭泵站、興壽泵站距出水口約15米處都設置了翻板閘，此段河道最大儲水量為900立方，即便全部回流，對前池十幾公里的河道水位上升不足1cm，該水量對前池河道沒有影響。

（3）1～7級泵站設計為立式軸流泵，根據廠家提供的資料及咨詢，機組反轉對水泵、電機沒有影響，反轉轉速不應超過設計轉速的2倍。根據現場實際測試，停機后人工打開真空破壞閥至機組完全靜止，機組反轉轉速未到設計轉速[3]。

綜上分析，即便真空破壞閥不能打開，失去作用，對人身安全、設備安全、水利工程設施安全不會造成影響。

3 泵站氣系統改造

在充分了解國內泵站斷流設施運用現狀的基礎上，結合密云水庫調蓄工程實際，以前柳林泵站為試點進行氣系統改造。

3.1 前柳林泵站基本情況

前柳林泵站為密云水庫調蓄工程第2梯級泵站，主要作用是將第1梯級屯佃泵站來水提升輸送至3級埝頭上泵站。該站共安裝立式軸流泵機組4臺套，為3用1備，單泵流量6.67m3/s，泵站設計揚程1.6m，設計總流量為20m3/s，采用肘形流道進水，虹吸式出水流道出水，真空破壞閥破壞真空的方式斷流，真空破壞閥的動力為壓縮空氣[4]。

3.2 泵站氣系統使用情況

自2015年建成運行開始截止到目前為止，泵站在實際調水過程中，泵站在各種揚程工況下，不用抽真空系統而直接啟動運行，水泵和電動機無異常的振動、噪聲、過載、過流等現象，一切參數正常。

泵站運行時，為保證停機斷流，氣罐內空氣保持工作壓力，2臺空壓機及控制系統需要長時處于空載狀態以便在氣罐壓力下降時及時想氣罐補充壓縮空氣，造成耗電量多。并且操作真空破壞閥的壓縮空氣系統包括有空壓機、控制柜、氣罐、氣水分離器、監控儀表、管路和閥門等諸多設備。因此造成壓縮空氣操作真空破壞閥斷流造成設備利用率低和電能損耗多，氣系統設備設施如下：

表2 氣系統設備圖表

3.3 氣系統改造方案

3.3.1 取消抽真空系統

根據泵站實際運行情況，各種揚程工況下不使用抽真空系統而直接啟動，運行一切參數正常，電動機的功率也能保證不使用抽真空系統而直接啟動時不超載，取消抽真空系統不會影響泵站的啟動運行，因此拆除抽真空系統，減少了潛在的故障點數，同時減少對抽真空設備的維護、檢修、折舊和未來的更新[5]。

3.3.2 壓縮空氣操作真空破壞閥斷流改成電動控制真空破壞閥斷流

目前，全國已有多個泵站設計使用為自激式差動真空破壞閥或壓力平衡式虹吸破壞閥，驅動動力均為電能。

本次改造如更換上述定型產品，需將原有真空破壞閥全部拆除，并且更換費用較高，從經濟上考慮不合算，結合泵站實際情況，在原真空破壞閥抽真空管道上加裝電磁閥，停機時通過打開電磁閥讓空氣進入出水流道，破壞出水流道真空實現斷流，開機時打開電磁閥排出流道空氣，減少啟動壓力。

3.3.3 真破壞閥改造實驗

為了確保機組運行安全，改造前對斷流設施的運行特性進行了模擬試驗：①試驗驗前準備。拆除抽真空管道及應急玻璃窗，在兩個接口處安裝手動閘閥，并在測量擺度的支架上安裝轉速儀，測量水泵轉速。 試驗前，在中控室、真空破壞閥、測速儀、前池等各部位安排測試人員，并保持通訊暢通。②機組停機打開進氣閘閥斷流工況實驗。通過實驗，在不同工況停機，對打開閘閥時間、機組反轉時間、機組反轉速度等數據進行統計如下：

表3 進氣閘閥斷流工況實驗

試驗結果表明：取消壓縮空氣系統，采用在抽真空管及應急玻璃窗接口處裝設閘閥，在停機時讓空氣自然進入到出水流道完全能達到停機斷流的目的。將試驗中的手動閘閥變為電磁閥，對原有壓縮空氣控制系統程序進行修改，對該電磁閥進行控制，就可達到破壞真空實現泵站斷流的目的。如果真空破環閥因故不能打開時，可以打開手動閘閥，讓空氣送入出水流道，實現斷流。

3.4 真空破壞閥改造

（1）原真空破壞閥附屬管路、氣泵、儲氣罐、抽真空設備等全部拆除。

（2）在應急排氣孔及抽真空連接處安裝兩套電動蝶閥，電動閥型號分別為：JGF90-KD3-MF9-200D-16、JGF90-KD3-MF9-125D-16，電壓為220AC，從新敷設電動蝶閥控制及信號線路，控制電源及閥主電源引自機組UPS電源，兩接觸器控制兩閥的開關，兩閥的開關狀態接入DI。

（3）在LCU柜內加裝斷路器及接觸器并進行配線，并對LCU觸摸屏及上位機個別功能模塊進行更改。

原開機流程中的打開真空破壞閥進氣、關閉真空破壞閥進氣、打開真空出氣、關閉真空出氣改為打開真空破壞閥、關閉真空破壞閥。

原停機流程中的先斷開高壓軟起旁路開關，后打開真空破壞閥，現改為先打開電動閥，再斷開高壓軟起旁路開關，這樣更有利于破壞管道內真空，防止倒轉發生。并在1#、4#機組安裝了轉速傳感器，轉速參數通過4-20mA傳到LCU及上位機,正常運行數據為248r/min，以便于運行人員檢測機組運行轉速。

3.5 技術保證措施

（1）電動閘閥用電取自UPS不間斷電源，即便事故停電造成停機，也不影響真空破壞閥開啟斷流。

（2）增加進氣閘閥1及進氣閘閥2的全開、全關狀態及機組轉速，另外程序修改為兩個閘閥中，有一個閘閥損壞（采集不到閥狀態數據），可以正常啟停機斷流，如果兩閘閥同時損壞，采集不到數據，雖然不能正常停機，但不影響事故停機。

（3）如果在正常停機或事故停機時，因閘閥機械故障，兩個閘閥都不能正常打開，運行人員可以手動打開閘閥或敲碎玻璃窗，實現進氣斷流。

4 結語

通過對前柳林真空破壞閥的改造，使其結構更加簡單，操作更加方便。拆除了全部氣系統，消除了設備、高壓罐等安全風險源，減少了設備維護工作量，同時也優化了廠房環境。

通過1年多的實際運行證實，電動真空破壞閥操作簡便、系統運行可靠，在各種工況下開停機正常，機組設備運行安全、平穩，消除了原氣系統安全隱患，實現了預期目的，可以向低揚程泵站推廣。