高扬程水泵站初扬水充水系统的设计
关键词：充水设计；高扬程；水泵站；初扬水；万家寨引黄工程
摘 要：高扬程水泵站在初次投入运行时对出水系统需要充水。针对充水系统运行扬程变幅大、运行条件恶劣，但使用时间短、系统利用率较低的特点，从充水方案的确定、充水设备的选择及运行等方面作了分析研究。山西省万家寨引黄工程水泵站的初扬水充水系统的设计和运行情况实践，可供今后其他工程设计参考。
为保证水泵的安全起动并降低大容量电动机起动时对电网的冲击，就需要预先为“空”的压力钢管系统及出水池（上池）进行充水，使其具备一定压头，这一充水过程称为高扬程泵站或抽水蓄能电站的初扬水充水。
1、水泵初次起动需要预充水的原因
当水泵扬程较高时，水泵转轮趋近于径向扁平状，也就是通常说的离心式转轮。这种型式的转轮在零流量时（闭阀）扬程最高，但水泵输入轴功率(Pp)最小，零流量扬程大小与水泵比转速有关；随着抽水流量增大，水泵输入轴功率增加。所以，该型水泵起动通常要采用关闭导叶压水起动或闭阀造压起动。
以山西省万家寨引黄一期工程采用的12 MW和6.5 MW高扬程大流量离心泵组为例，水泵比转速Ns=37～49 m•m3／s，HQ=0／Hdes(零流量点扬程／水泵设计点扬程)比值可达到1.2～1.4。如果水泵在出水口阀后为空管无压情况下起动，当考虑到高扬程水泵转轮要求的大淹没深度时，水泵造压完成后阀门开启时的前后压差可达到1.3～1.5倍的设计扬程，接近2.2 MPa。在如此大压差下开阀不但会造成阀门操作机构设计、制造上的困难，也容易造成过流部件以及出水系统产生高速水流磨损、空蚀、啸叫和剧烈振动，直接影响到机组和工程的安全；由于在阀门开启时会造成水泵工作点由零流量向大流量的迅速漂移，极易使水泵进入不稳定运行状态，危及运行安全。所以，对“空”的高压压力钢管进行平压预充水是非常必要的。
2、出水系统充水水位的确定
对于高扬程水泵，其抽水最大流量和最小流量运行区域有一定限制，即使水泵水轮机带有导叶调节机构，其水泵工况最大运行流量通常也不宜超过设计点流量的25%～30%。过分偏离设计点会造成效率急剧下降，空蚀性能严重恶化，并使泵轴入力增加，引起振动。
因此，为避免当水泵或水泵水轮机泵工况造压完成后，随着导叶或出水阀开启水泵滑向低扬程大流量区，通常需要使充水几何水柱高度达到水泵或水泵水轮机设计扬程的2／3以上。
此时预充水水位▽AP应为：
式中，▽L为出水系统平压水位；Hpd为主水泵或水泵水轮机泵工况设计点扬程。
充水泵充水示意见图1。
3、可供选择的充水方式
不论何种充水方式，必须首先解决充水设备从零扬程开始直到2／3 Hpd几何扬程区域的稳定运行问题。下面是可供选择的几种充水方案的比较。
3.1采用阀门调流
阀门调流系利用阀门的“开度～阻力”特性实现不同开度下的流阻损失的变化以改变充水水泵出水系统的阻力特性，使管路阻力特性曲线（hf～Qp）与水泵特性曲线Hp～Qp相交于水泵可稳定运行的区域。充水泵运行工作区域为：
式中，HAP为充水需要达到的水头，Hj为充水泵几何扬程；h为水头损失；u为管道出口流速。
采用流量调节阀时，充水泵运行工作点的确定见图2。
在充水系统管路和水泵或水泵水轮机的进、出水系统安装施工完成后，Δh管路沿程、Δh局部阀件的阻力系数可认为变化不大，主要依靠调流阀的开度调节来实现Δh调流阀损失在同一流量下大范围内的调整，即在低几何扬程区实现其大阻力损失，在高几何扬程区实现其小阻力损失，以便保持HAP基本稳定。
当Hj较高且变化范围较大时，为防止调流阀小开度空蚀和振动，必须选择调节性能稳定、抗空蚀性能较好的高性能调节阀。
3.2变速运行充水方式
变速运行是一种技术先进的调流方式。它主要通过调整驱动电机的转速来调整水泵的Hp～Qp特性曲线，在充水系统管路阻力特性基本保持不变的情况下改变水泵的运行工作点，使之总是处在该转速下泵的最优运行区域，达到适应变扬程充水的要求。其调节原理见图3。
但是，由于充水过程水泵流量并不需要十分精确的调整，变速方案的可用性应考虑如下问题：①在低几何扬程充水时充水泵运行扬程和流量都较小，而泵站或蓄能电站出水系统的充水量较大，充水泵组需要做低速长时间安全稳定运行；②采用变频器拖动的电机应能做长时间低频（5～10 Hz）运行；③使技术性能和经济比较合理可行。
万家寨引黄工程曾对充水泵变速充水方案做过详细的研究，变频设备(SFC)本身可以做5 Hz以上运行，但充水泵不能在极低转速下长时间运行，其原因是：①离心泵最低运行转速不应低于60%nr(nr为额定转速)，否则由于过多偏离水泵的设计条件，会造成充水泵流道严重脱流，使效率急剧下降、形成涡带、振动及空蚀。②即使起始在60%nr开始调速运行，仍相当于具有近40%设计扬程的水头作用到一个近似“空”的出水系统，在充水管与泵站高压压力钢管接口处的流速将非常高，极易出现啸叫、振动及对压力钢管的冲刷。③根据万家寨引黄工程充水方案比较，在采用变频充水方案时，仅5座泵站充水泵采用的变频运行及控制装置投资就高达近120万元人民币，约占整个充水系统投资的65%以上。由于变频装置的利用率低，经济性较差。
3.3变速运行和阀门调节结合的充水方式
该方式是为避免变速充水方式存在的问题而采用的一种混合调节方式。在低几何扬程区，主要依靠阀门调节管路阻力特性hf1实现充水泵的稳定运行；在高几何扬程区，则靠改变驱动电机转速来调节水泵的Hp～Qp特性曲线，在充水系统管路阻力特性基本保持不变的情况下改变水泵的运行工作点。该方式吸纳了阀门调流和变速调流的优点，可以良好地适应各种充水要求，但投资也较大，对扬程很高或已经具备变速运行设备的工程较为适用。
4、山西省万家寨引黄工程采用的充水方式
山西省万家寨引黄工程西起晋蒙交界的万家寨水库，南至太原，东至大同，是一项大型、远距离、跨流域梯级调水工程。该工程从万家寨水利枢纽水库取水，由总干线、南干线、北干线和连接段组成，输水线路总长452 km，工程设计引水流量48 m3／s，年引水量12亿m3，全年连续引水时间为10个月。整个工程共设6座(一期工程5座)大型高扬程梯级泵站，提水总扬程778 m，装机45台套，泵组总装机容量达461 MW，各级泵站的装机情况见表1。
引黄一期工程主要向太原供水，采用的15台套大型水泵电动机组，水泵单级扬程从72 m到160 m、单机额定流量6.45 m3／s、同步电动机容量分别为6 500kW和12 000 kW，采用可控硅变频起动和变频（SFC）运行技术。
由于引黄工程首次采用了高扬程、大流量、抗泥沙磨损的立式水泵电动机组，转速高、容量大，大型泵站群起动对电网系统的冲击和水泵起动充水安全问题成为工程设计重要的研究课题。在水泵电动机组设备国际招标过程中，提出在泵站完成自流平压后，GM1、GM2泵站采用辅助充水泵充水，而GM3、SM1、SM2泵站的主水泵电动机组应具备采用SFC变速运行充水的能力。但是，为安全起见，仍为GM3、SM1、SM2泵站配备了辅助充水泵组。
4.1采用辅助泵充水
引黄工程辅助泵充水的最大难度集中在充水泵运行区域大，GM1、GM2和SM1、SM2从0～120 m，GM3从0～70 m。此外，由于工程沿线为全封闭地下隧洞输水，无任何外来水源补充，只能采用接力的形式逐站进行充水，从而造成充水控制和运行难度加大。
工程先后比较了手动闸阀调流、电气控制反馈活塞阀调流、以色列DOROT差压自动控制持压阀调流及变频装置变速调流等几个方案。根据水力计算，采用阀门调节时，要求开度在20%以下能够进行调节，并产生120 m左右水头损失，应无空蚀、振动及危害噪音；在全开状态尽可能小的阻力系数。
经过技术经济比较认为，闸阀调流特性差、操作不方便、安全性低；活塞阀目前国内开发产品较少、性能不易控制、无法满足工程对调节性能的要求；变频方案存在与充水泵运行要求不配套、投资昂贵、运行维护成本高等问题。最终选用了以色列DOROT差压水力自控持压阀(300系列高性能的PS／CV型持压流量调节阀)调流方案。该阀门有如下控制优点。
(1)不需要接受外部测流装置的信号，不需设置测流装置，简化了充水系统控制结构，降低了投资。
(2)具有优良的阻力特性(可在10%小开度下工作)，可在5～120 m范围内设定阀上游侧（泵侧）压力值并保持压力值。压力未达到设定点前，阀始终保持关闭状态，压力超过设定点时，阀自动打开；水泵停止，上游压力低于设定值时，阀门自动关闭，从而对水泵出水流量和扬程自动跟踪，自动调节开度，始终使水泵出口保持背压，避免了压力波动、脱流现象。
(3)阀门自身具有止回功能，通过调节其关闭速度，可与水泵出口止回阀配合，有效消除管路系统的水锤现象。
(4)具有良好的抗空蚀能力，最易受到水流冲击的阀座和密封导向为铜合金材料，耐腐蚀，能承受高水流冲击力和磨蚀。
(5)阀门装有阀位指示器，可指示阀门的工作状态。
各级泵站采用两台充水泵并联工作，在充水并联总管上设置一组DOROT持压流量调节阀，接于主泵组出口液压缓闭蝶阀出水侧部位。采用手动启动、手动停机、充水过程自动控制方式。充水泵配置情况见表2，原理图见图4。
DOROT持压流量调节阀阻力特性见表3，曲线见图5。DOROT持压流量调节阀的工作特性曲线见图6。
4.2GM3、SM1、SM2泵站采用主水泵电动机组变速充水
由于离心泵不能在很低的转速下工作，引黄工程主水泵电动机组的变速充水需要在水泵出口电动阀门开度调节的配合下完成。当泵站出水系统充水量较大时，采用该方式可以大大缩短充水时间，特别对于象引黄工程这样的长距离梯级调水工程的全线起动调度是十分有利的。初期采用在机旁现地控制盘（LCU）上进行操作，远期则过渡到在太原调度中心（SCADA系统）进行远距离控制。变速运行充水特性见图7。
4.3引黄工程DOROT持压流量调节阀的预设压力
为便于工程今后使用，针对不同泵站，设计上给出了DOROT持压流量调节阀阀前表压力Pd(单位bar为以色列压
式中，ELV进水池为充水泵取水的泵站进水池水位，m；ELV泵进口为充水泵中心高程，m；Hp为期望充水泵运行的区域扬程，m；ΔH为从充水泵取水口到DOROT持压流量调节阀进水侧的管路及其附件的阻力损失，m。
表4是各级泵站在两台充水泵同时工作时Pd的预设参考值，工程使用时可在此值上下调整充水泵的预设工作点。
4.4万家寨引黄工程充水系统运行情况
引黄一期工程5座泵站的充水系统(包括辅助充水泵充水系统和主泵组变速充水系统)从2001年9月投入使用，至2002年11月的一年多时间里先后多次投入充水运行，以其操作控制简单、充水系统运行安全平稳，充水效果良好得到安装和运行单位的一致好评。
5结语
水泵站和抽水蓄能电站的高扬程水泵和水泵水轮机的初次起动充水是工程起动运行的重要环节之一，如何保证工程能够安全、稳定、快速有效地充水是整个充水系统设计的关键。引黄工程初扬水充水系统采用了一种全新的调节方式，解决了以往充水系统存在的调节控制问题，使充水程序和控制简化，并节省了大量投资。该工程的经验可为今后其他类似工程的设计提供参考。