氣系統(tǒng)在低揚程泵站應(yīng)用探討

田葛

（北京市南水北調(diào)團城湖管理處，北京 100000）

0 引言

密云水庫調(diào)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(shè)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(shè)計構(gòu)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(diào)蓄工程自2015年正式運行以來，根據(jù)運行實際情況，泵站氣系統(tǒng)未能充分利用，在機組調(diào)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(xiàn)斷流。復(fù)雜的氣系統(tǒng)、諸多的設(shè)備閑置為安全調(diào)水運行造成了隱患，其主要表現(xiàn)如下：

（1）系統(tǒng)中儲氣罐及管路為有壓設(shè)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(shè)備的安全。

（2）空壓機產(chǎn)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(shè)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(tǒng)，管路長、閘閥多、控制系統(tǒng)繁瑣，維護工作量大。

（5）抽真空設(shè)備雖未使用但設(shè)備、管道、閘閥都需要每天進行維護。

1 抽真空設(shè)備作用及必要性

1～7級泵站設(shè)計為虹吸式出水流道，抽真空設(shè)備是為了在開啟機組時將出水流道內(nèi)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(jù)設(shè)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(jù)站內(nèi)實際運行情況，在最不利工況下開啟機組，站內(nèi)機組主要參數(shù)匯總?cè)缦拢?/p>

表1 站內(nèi)機組圖表

通過對實際運行開機參數(shù)分析，在最不利工況下且不啟動抽真空設(shè)備，水泵開機運行，電機實際功率低于電機設(shè)計值，并且啟動電流都低于允許啟動電流，因此，抽真空系統(tǒng)在本工程中沒有發(fā)揮作用，設(shè)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(shè)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(fā)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(xiàn)地人工打開真空破壞閥或打碎真空破壞閥玻璃窗實現(xiàn)斷流，這樣勢必形成回流倒灌，造成機組反轉(zhuǎn)、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(jù)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(fā)生事故，人工打開真空破壞閥時間在2分鐘之內(nèi)，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(shè)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(shè)計為立式軸流泵，根據(jù)廠家提供的資料及咨詢，機組反轉(zhuǎn)對水泵、電機沒有影響，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過設(shè)計轉(zhuǎn)速的2倍。根據(jù)現(xiàn)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)速未到設(shè)計轉(zhuǎn)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(shè)備安全、水利工程設(shè)施安全不會造成影響。

3 泵站氣系統(tǒng)改造

在充分了解國內(nèi)泵站斷流設(shè)施運用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合密云水庫調(diào)蓄工程實際，以前柳林泵站為試點進行氣系統(tǒng)改造。

3.1 前柳林泵站基本情況

前柳林泵站為密云水庫調(diào)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(shè)計揚程1.6m，設(shè)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(tǒng)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(diào)水過程中，泵站在各種揚程工況下，不用抽真空系統(tǒng)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(xiàn)象，一切參數(shù)正常。

泵站運行時，為保證停機斷流，氣罐內(nèi)空氣保持工作壓力，2臺空壓機及控制系統(tǒng)需要長時處于空載狀態(tài)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(tǒng)包括有空壓機、控制柜、氣罐、氣水分離器、監(jiān)控儀表、管路和閥門等諸多設(shè)備。因此造成壓縮空氣操作真空破壞閥斷流造成設(shè)備利用率低和電能損耗多，氣系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施如下：

表2 氣系統(tǒng)設(shè)備圖表

3.3 氣系統(tǒng)改造方案

3.3.1 取消抽真空系統(tǒng)

根據(jù)泵站實際運行情況，各種揚程工況下不使用抽真空系統(tǒng)而直接啟動，運行一切參數(shù)正常，電動機的功率也能保證不使用抽真空系統(tǒng)而直接啟動時不超載，取消抽真空系統(tǒng)不會影響泵站的啟動運行，因此拆除抽真空系統(tǒng)，減少了潛在的故障點數(shù)，同時減少對抽真空設(shè)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(shè)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(qū)動動力均為電能。

本次改造如更換上述定型產(chǎn)品，需將原有真空破壞閥全部拆除，并且更換費用較高，從經(jīng)濟上考慮不合算，結(jié)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(xiàn)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(shè)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(yīng)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(zhuǎn)速儀，測量水泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時間、機組反轉(zhuǎn)速度等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計如下：

表3 進氣閘閥斷流工況實驗

試驗結(jié)果表明：取消壓縮空氣系統(tǒng)，采用在抽真空管及應(yīng)急玻璃窗接口處裝設(shè)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?yōu)殡姶砰y，對原有壓縮空氣控制系統(tǒng)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(xiàn)泵站斷流的目的。如果真空破環(huán)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(xiàn)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(shè)備等全部拆除。

（2）在應(yīng)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(shè)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(guān)，兩閥的開關(guān)狀態(tài)接入DI。

（3）在LCU柜內(nèi)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(guān)閉真空破壞閥進氣、打開真空出氣、關(guān)閉真空出氣改為打開真空破壞閥、關(guān)閉真空破壞閥。

原停機流程中的先斷開高壓軟起旁路開關(guān)，后打開真空破壞閥，現(xiàn)改為先打開電動閥，再斷開高壓軟起旁路開關(guān)，這樣更有利于破壞管道內(nèi)真空，防止倒轉(zhuǎn)發(fā)生。并在1#、4#機組安裝了轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速參數(shù)通過4-20mA傳到LCU及上位機,正常運行數(shù)據(jù)為248r/min，以便于運行人員檢測機組運行轉(zhuǎn)速。

3.5 技術(shù)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(guān)狀態(tài)及機組轉(zhuǎn)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(tài)數(shù)據(jù)），可以正常啟停機斷流，如果兩閘閥同時損壞，采集不到數(shù)據(jù)，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(xiàn)進氣斷流。

4 結(jié)語

通過對前柳林真空破壞閥的改造，使其結(jié)構(gòu)更加簡單，操作更加方便。拆除了全部氣系統(tǒng)，消除了設(shè)備、高壓罐等安全風(fēng)險源，減少了設(shè)備維護工作量，同時也優(yōu)化了廠房環(huán)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(tǒng)運行可靠，在各種工況下開停機正常，機組設(shè)備運行安全、平穩(wěn)，消除了原氣系統(tǒng)安全隱患，實現(xiàn)了預(yù)期目的，可以向低揚程泵站推廣。