长距离输水管道充水方式的探究

摘 要： 长距离输水管道在初次投入运行时要向管道充水，文章对白云矿浆管道和供水管道工程中供水管道的充
水方式进行了探究，为今后其它长距离输水管道的充水提供了借鉴。
关键词： 长距离输水管道； 离心泵； 工况； 水泵特性曲线； 管道特性曲线
中图分类号： TD522
文献标识码： B
文章编号： 1009 － 5438（ 2011） 01 － 0013 － 04
1 － 水泵各频率下的特性曲线； 2 － 管道全充满水时 的管路特性曲线； 3 － 管道充水过程中的管路特性曲线
图 3 管道充水时管路特性曲线的变化
图 4 空管道时水泵的运行工况
图 2 水泵的工况点 在长距离管道初次充水过程中，随着水泵向管 道中注入水量的增加，管道的沿程阻力就会增加，管 道特性曲线就会变陡； 而且当从低处往高处输水时， 随着水泵向管道中注入水量的增加，静扬程也会增 加，管道特性曲线就会上移。因而在长距离管道初 次充水时，管 道 的 特 性 曲 线 是 随 时 都 在 变 化 着 的。 正是因为管道特性曲线在随时变化，从而导致了在 充水过程中水泵工况的随时变化，工况点变化情况 见图 3。 离心泵初次启动时，由于长距离管道为空管状 态，当出口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［2］。 所 以，对“空 ”的 高 压 管 道
50
0． 025
5． 56
6． 49
7． 42
8． 34
45
0． 023
6． 05
7． 06
8． 06
9． 07
40
0． 019
7． 32
8． 54
9． 76
10． 98
34
0． 014
9． 94
11． 59
13． 25
14． 91
29
0． 006
23． 19
27． 05
30． 90
34． 80
25
参考文献
1 － 水泵各频率下的特性曲线； 2 － 工况点的变化； 3 － 管道充水过程中的管路特性曲线
图 7 管道充水时水泵工况的变化
3 结束语
［1］ 姜乃昌． 水泵与水泵站［M］． 北京： 中国建筑 工业出版社，1993．
［2］ 袁周、黄志坚． 工业泵常见故障及维修技巧 ［M］． 北京： 化学工业出版社，2008．
而变频调速运行就是通过调整驱动电机的转速 来调整水泵的 Q － H 特性曲线，从而改变水泵的工 况点，使之达到适应变扬程充水的要求。
在调频运行中，频率越小，出口球阀处的流速就 越小，但频率太低一方面会导致流量小于高压离心 泵的最小连续流量要求，另一方面，由于辅助泵预充 水的管道长度约有 31 km，频率低会导致出口阀前 的逆止阀打不开。经过计算，并根据水泵的曲线，我 们选定 40 Hz 启泵，一方面 40 Hz（ 2 400 r / min） 正好 处于水泵的稳定运行区，另一方面能保证水泵的曲 线与管道特性曲线相交，同时也能够打开逆止阀。
2 预充水过程
（ 1） 用辅助泵向管道进行充水。在白云管道工 程中，由于加压泵站的高压离心泵流量和扬程较高， 为了高压离心水泵的安全运行，在现有的条件下，利 用一台扬程为 280 m，流量为 500 m3 / h 的小泵对管 道先进行充水，由于水泵扬程的限制，预充水只能充 水到 31 km 的长度（ 高程差约 180 m） ，而供水管道 总长 130 km。
重要，一方面要保证供水泵的安全稳定运行，如果操 作稍有不当，就会导致水泵正常运行的失败； 另一方 面，还要保证管道的安全运行，要尽可能保证管道内 水流流量低、速度小，以避免管道内的压力超过管道 所能承受的最大压力。在包钢白云西矿铁精矿浆管 道和供水管道工程中，长距离输水管道初次充水能 够获得一次成功的关键，就是水泵的工况点的合理 运用，即通过调节水泵的出水阀和水泵的频率，从水 泵和特性曲线和管道特性曲线两个方面来调节水泵 的工况点，一 方 面 保 证 水 泵 在 高 效 区 稳 定、安 全 工 作，另一方面尽可能使管道内流速较小，保证管道的 安全运行，从而顺利完成管道的充水工作。
此时系统的管路特性曲线较空管道时要陡且上 移，为高压离心泵的安全运行奠定了基础。
（ 2） 水泵启动时要闭闸启动。依据离心水泵的 特性曲线，离心水泵正常启动，当流量为零时，相当 于出口阀门全闭，此时水泵输入轴功率最小，仅为设 计轴功率的 30% ～ 40% 左右，而泵的扬程值又是最
第1 期
长距离输水管道充水方式的探究
Research on Mode of Water Filling for Long － distance Waterline
MENG Li － fang，LI Jun，BAI Jing － shan
（ Water Supply Plant of Steel Union Co． Ltd． of Baotou Steel（ Group） Corp ． ，Baotou 014010，Nei Monggol，China）
随着水泵对管道注入水量的增加，管道特性曲
16
包钢科技
第 37 卷
线在不断地变化，我们对泵速和阀门的开度进行不 断调节，从改变水泵的特性曲线和管道的特性曲线 两个方面来改变水泵的工况点，一方面使高压离心 泵处于安全平稳的运行状态，另一方面使管道中水 的流速尽可能小，从而顺利完成白云矿浆管道和供 水管道工程中供水管道的充水任务。管道充水时水 泵工况的变化见图 7。
图 6 球阀的等百分比流量特性
1 － 水泵各频率下的特性曲线； 2 － 出口阀不全开时 的管路特性曲线； 3 － 出口阀全开时的管路特性曲线
图 5 阀门调节下的水泵工Baidu Nhomakorabea的变化
表 1 泵出口球阀开度状况
阀门开度 过水面积
/%
/ m2
阀门处的流速 /（ m·s －1 ）
30 Hz
35 Hz
40 Hz
45 Hz
15
高，完全符合电动机轻载启动的要求。随着流量增 大，水 泵 输 入 轴 功 率 增 加。 所 以，长 距 离 管 道 充 水 时，离心水泵起动通常要采用闭阀造压起动，即在出 口阀关闭的情况下启动水泵［1］。
（ 3） 利用变频调速和阀门调节相结合的方式进 行充水。变频调速和阀门调节相结合的充水方式是 一种混合调节方式。在低扬程区，主要依靠阀门调 节管路阻力特性实现充水泵的稳定运行； 在高扬程 区，则靠改变驱动电机转速来调节水泵的 Q － H 特 性曲线，从而改变水泵的工况点［3］。
管道的沿程摩阻与局部阻力之和的系数，Q 为流量。
Q － ∑h 曲线是一条抛物线，称为管道水头损失特
性曲线，它的曲率取决于管道的直径、长度、管壁粗 糙度等。如 果 与 水 泵 的 静 扬 程 联 系 起 来 考 虑，为
H = HST + ∑h，由该式画出的曲线为水泵装置的管
* 收稿日期： 2010 － 10 － 19 作者简介： 孟丽芳（ 1971 － ） ，女，内蒙古兴和县人，高级工程师，现从事白云矿浆管道和供水管道输送技术工作。
Abstract： The long － distance waterlines need to be filled with water when they are first put into operation． In this paper，it is researched the mode of water filling for hydraulic supply line in the project of ore pulp pipeline and hydraulic supply line in Baiyunebo，which provides references for other water filling for long － distance waterline in future．
第 37 卷第 1 期 2011 年 2 月
包钢科技 Science and Technology of Baotou Steel
Vol． 37，No． 1 February，2011
长距离输水管道充水方式的探究*
孟丽芳，李 军，白敬山
（ 内蒙古包钢钢联股份有限公司给水厂，内蒙古 包头 014010）
14
包钢科技
第 37 卷
道特性曲线，见图 1。曲线上的点表示水泵输送流量 为 QK 将水提升提升为 HST 时，管道中重量液体所需 消耗的能量值。管道特性曲线实质上反映的是输水 过程中水头损失的变化情况。
进行预充水是非常必要的。水泵初次启动时的工况 如图 4 所示。
图 1 水泵装置的管道特性曲线 要想使水泵安全平稳运行，就必须保证水泵有 工况点，而水泵的工况点就是水泵的 Q － H 特性曲 线和管道特性曲线的交点，见图 2。
阀门的调节系利用阀门的“开度 － 阻力”特性 实现不同开度下的水头损失的变化以改变充水水泵 出水系统的阻力特性，这样使得管道特性曲线变陡， 从而使管道特性曲线与水泵 Q － H 特性曲线相交于 水泵可稳定运行的区域。采用出口阀门调节流量时， 水泵运行工作点的确定见图 5。
到流量变化最大的那一点，我们通过对出口阀的备 用球阀进行实地测量、研究、计算，找到了流量变化 较快的那一点的阀门开度、各开度下的过水面积以 及水泵各频率转速下运行时的阀门处的流速，操作 时尽可能避开高流速时的阀门开度。泵出口球阀开 度状况见表 1。
［3］ 西南交通大学水力学教研室． 水力学［M］． 北 京： 高等教育出版社，1988．
长距离输水管道运行中，初次向管道充水至关
檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸
（ 上接第 9 页）
钢包同时进行吹氩搅拌，钢水喷溅量比较大，没有工 作导管极易被喷溅的钢渣完全堵塞或局部粘渣。当
1 预充水的原因
水流 经 管 道 时，一 定 存 在 管 道 水 头 损 失，其 值
为： ∑h = ∑hf + ∑hl， 式中： ∑hf 为管道中摩阻损失之和； ∑hl 为管
道中局部损失之和［1］。 在长距离管道输水中，水头损失主要是沿程阻
力损失，局部水头损失可按 10% 的沿程阻力计算。
即上式可简化为∑h = 1． 1∑hl，而对于管道已定 的水泵装置，∑h 的大小就与管道的长度及输送的 流量有关，简化为∑h = SQ2 ，S 为长度、直径已定的
Key words： long － distance waterline； centrifugal pump； working conditions； characteristic curve of water pump； characteristic curve of pipe
包头钢铁（ 集团） 有限公司白云西矿铁精矿浆 管道和供水管道工程中，供水管道设计输送能力为 2 500 m3 / h，经 高 压 离 心 水 泵 通 过 一 条 外 径 为 920 mm的钢管把水从包头泵送到白云西矿，管道全 长 130 km ，压力等级为 ANSI600 级，输送水泵站与 白云西矿的高程差为 507 m。在距离如此之长、压 力如此之高、管径如此之大的情况下，对于高压输水 管道如何充水，我们进行了认真研究，制定了详细的 运行方案，一次试车就取得了成功。
0． 004
34． 78
40． 58
46． 40
52． 17
17
0． 002
69． 55
81． 15
92． 70 104． 33
14
0． 001 139． 12 162． 30 185． 50 208． 68
但当扬程较高且变化范围较大时，用阀门调节 时要注意防止调节阀门小开度时产生的空蚀和振 动。
在包钢矿浆管道和供水管道管道工程中，我们 选用的高压离心泵的出口阀为球阀，球阀属于等百 分比特性阀门，流量特性见图 6。它的相对行程和 相对流量不成直线关系，在行程的每一点上单位行 程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比， 流量变化的百分比是相等的。也就是说小开度时流 量小，流量变化也小，大开度时流量大，流量变化也 大，调节平衡缓和、灵敏有效。但这种百分比特性阀 门的流量系数 CV 很难确定，在调节过程中很难找
4 结论
另一线需要工作时，导管无法完成正常的喂丝或保
喂丝是精炼的重要工序，在一定程度上决定着
证不了喂丝速度，需要进行疏通后方可正常工作，增 钢水质量，具有重要作用。通过改造及实际应用，达