李 杰
（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）
水利设计工作中的城镇、工业供水或灌溉等工程，为克服地形高差及管道输水损失，常需设置加压泵站。此类工程建成后，站后输水管道为空管状态，正常运行前需要对管道进行充水。充水过程是从0 m 净扬程开始逐渐增加，至达到设计净扬程的一个过程。根据离心泵特性曲线及泵站运行工况点计算理论，充水初始阶段，水泵净扬程几乎为零，流量理论上无限大，若不人为采取一定的措施，将造成水泵空蚀、电机过载等问题，对主水泵电动机组危害巨大，此类问题在高扬程、长距离输水工程中尤为突出。解决首次充水工况存在的上述问题，较为常见的解决方案有压阀运行、设置专用充水泵、变频运行、泵后设旁通管路系统等。以下结合北方常规泵站工程水泵进出水布置，对这几种解决方案分别进行简要介绍。图1 为北方常见固定干室半地下布置厂房的机组布置型式。
图1 水泵进出水布置示意图
1.1 压阀运行
一般泵后出水支管设置有工作阀及检修阀，首次充水过程中可以采用关小工作阀的方式运行。充水初期工作阀小开度运行，随着净扬程的增加逐渐加大阀门开度，即通过压阀增阻，用以调节出水流量在设计需要的范围内，同时要注意保证电机电流值不超额定值。该方法的优点在于简单易行，充水过程无需外加设备；
缺点是压阀运行过程中过阀流速大，会对阀板及阀体产生汽蚀破坏等一系列伤害，进而导致阀门密封不严、寿命缩短。因此，压阀运行方案适用于扬程较小、站后输水管道较短的泵站工程，此类工程通过短时间的压阀运行即可完成站后管道充水，对阀门伤害相对较小。
1.2 设置专用充水泵方案
为站后管路充水工况设置一套专用的充水泵系统，充水泵可以安装在主机组旁或检修间下，由紧邻的主水泵进水支管“T”接管道取水，经充水泵加压后汇入紧邻的主水泵出水支管。专用充水泵的设计流量小于主水泵，按站后管路充水流量进行设计，初期运行过程中配合充水泵后出水管道上设置的阀门压阀运行。该方案的优点为充水过程无需启动主水泵，不存在主水泵严重偏工况运行的情况，同时对充水泵后的阀门进行压阀运行，不损害主水泵后的主工作阀；
缺点为需要增加一套充水泵及配套阀门等设备，增加工程投资，同时需要有合适的空间安装充水泵，可能会增加厂房尺寸。
1.3 变频运行
有些由水库、河道取水的供水、灌溉等泵站，由于水位变幅较大，泵站运行过程中流量变化大；
梯级加压泵站，由于每座泵站流量、扬程参数的变化，存在级间流量不匹配的现象。若要泵站抽水流量在某一时段维持在某一个设定值，常设置变频调速装置用于泵站的流量调节。变频调速装置的配置为其在泵站首次充水过程中的应用创造了条件，理论上变频调速装置可适应的频率范围较大，但作为水泵配套的电动机其可适应的频率运行范围是有限的。对于常规的普通电机，一般其运行频率为[30～50］Hz，而变频电机其最低运行频率可降至20 Hz 左右。在实际工程中，由于变频幅度有限，一般单靠变频调速装置，无法满足泵站首次充水对流量调节的需求。
1.4 变频调速装置+旁通管路系统
基于前述各方案的优缺点，笔者在设计过程中采用了变频调速装置+旁通管路系统的泵站首次充水方案。该方案的使用条件为泵站中设置有变频调速装置，同时站后扬程较高、输水管道较长。
旁通管路系统的布置方案如下：
（1）泵站向一个方向供水且安装同型号水泵时，选择一台机组设置旁通管路系统，原则是旁通管路系统安装后便于操作，不影响机组其他配套设备的放置。泵站向一个方向供水，安装不同型号水泵时，宜选择小流量机组设置旁通管路系统。泵站向多个方向供水，且通过不同的输水干管输水时，应为每个供水方向各设置一套旁通管路系统。
（2）旁通管路系统的布置具体为，绕过水泵出水支管检修阀，在水泵出水支管左右两侧对称布置旁通管路（受力平衡），在旁通管上设置手动工作阀及检修阀。旁通管管径通过水力计算试算得出，其管径小于泵后出水支管，充水过程中确保其流速不超过规范允许值，其原理为通过缩径增加管路损失。
（3）运行方式为，泵站首次充水前关闭充水主机组泵后检修阀，打开泵后出水支管工作阀，打开旁通管上设置的检修阀，关闭旁通管上设置的工作阀，变频启动水泵，待电机频率达到计算需要值时，缓缓打开旁通管上设置的工作阀到需要开度。
工程实例中常常根据供水系统实际情况，采用“变频+旁通”或者“变频+旁通+初期旁通阀压阀”运行的方式。该方案的优点在于充分依托泵站主设备，所需额外增加的工程投资少，充水过程对主设备无损害，经多个工程实践，过程平稳、安全。
以下以北方某城市供水工程为例，对变频+旁通系统的应用进行论述。该工程干线设6 级加压泵站，输水线路长约84 km，其中的二级泵站设计流量4.1 m3／s，设计净扬程58.15 m，设计扬程66.0 m，站后输水干管为单根长5.94 km 的DN1800球墨铸铁管+PCCP 管。泵站布置与图1 模式相似，主厂房内一列式安装7 台同型号水泵电动机组（5 用2 备），7 台泵进水侧分别由吸水池取水，出水侧7 条出水支管合并为1 根DN1800 干管。水泵出水支管上由前到后分别设DN700 液控缓闭蝶阀（工作阀）、DN700 电动蝶阀（检修阀）各1 台。
根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS 193:2005）规定，压力输水管道充水时，宜控制充水流速不超过0.3 m／s～0.5 m／s，最大不超过1.0 m／s。根据适宜流速对二级站后输水干管充水进行计算，则充满时间需要3 h～5 h。经计算充水过程中，仅依靠变频可满足[20，58.15］m净扬程范围内平稳充水的要求。充水初期[0，20］m 净扬程区间范围，仅依靠变频无法满足平稳充水的需求，需采取一定的措施人为增加出水管路系统损失，该区段净扬程对应管道总长约1.0 km，若采用压主阀运行的方式，压阀时长近1 小时，会对阀板造成不可逆转的损害。
因此设计考虑其他更为科学且可行的增阻方式，即在泵后出水支管上对称布置管径明显小于出水支管的旁通管，通过缩窄过流面积增加系统水头损失，但管道的过流流速是有其自身限制的。
依照规范《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）“5.2.5 排水管道的最大设计流速，宜符合下列规定。1 金属管道为10 m／s。”以及规范《自动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084-2017）“9.2.1 管道内的水流速度宜采用经济流速，必要时可超过5 m／s，但不应大于10 m／s。”的规定。因此，旁通支管内的最大允许流速应限定在10 m／s 以内，再结合母管的适宜充水流速及充水工况计算，综合确定旁通支管管径。对本工程而言，经系统水力计算，选定旁通支管管径为DN200，旁通管路对称布置，来水侧布置手动偏心半球阀作为工作阀，在单纯依靠旁通管造阻达不到理想效果时压该工作阀运行，工作阀后设手动闸阀作为检修阀，该旁通系统布置见图2。对该旁通系统来说，母管充水流量的上限值应设定为0.64 m3／s，对应旁通管流速为9.89 m／s，母管充水流速对应为0.25 m／s。本工程实际充水过程中严格按照设计建议的充水过程，全程采用旁通管+变频调速充水，过程中无需旁通管工作阀压阀运行，充水过程平稳高效、效果良好。具体充水计算图见图3。
图2 旁通管路系统布置示意图
图3 坝体内的水流矢量图
充水过程中旁通管阀门全开， 充水流量区间为［0.44，0.64］m3／s。在［0，50.2］m 净扬程范围内进行变频运行，其中，［0，20］m 净扬程范围内电机运行频率为32.83 Hz；
（20，40］m 净扬程范围内电机运行频率为40.51 Hz；
（40，50.2］m净扬程范围内电机运行频率为47.02 Hz。（50.2，58.15］m 净扬程范围内电机投切至工频状态运行。整个充水过程旁通管流速控制在［6.80，9.89］m／s 区间范围内，出水母管充水流速在［0.17，9.89］m／s 区间范围内，总充水时间约7.8 h。
当下提水泵站多配置有变频调速装置用于调节流量、扬程或机组启动，变频及旁通管路充水系统在延安黄河引水工程、陕西省泾河东庄水利枢纽施工供水工程等多项高扬程长距离输水工程中进行了实际运用。上述工程水泵均为倒灌淹没式安装，首次充水前打开水泵进出水管道上设置的阀门，利用泵前后压差对进水部分液面以下提水系统予以充水排气，缩短充水时间，之后启泵运用变频及旁通管路系统充水。充水过程按设计成果执行，过程安全平稳，均顺利完成管道充水任务。总结起来，该充水方案的核心思路为：通过布置旁通充水支管人为缩窄流道增阻，若管径选择得当，整个充水过程无需压阀运行（即使压阀也是对旁通管上设置的工作阀进行短历时压阀运行，泵后主阀始终无需压阀运行）。变频及旁通管路充水方案成本低、效果好、安全可靠，既保护了泵站主要设备不受非正常工况损害，又充分利用了泵站已有配套设备，值得类似工程借鉴采用。
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