取水泵站吸水井格網沖洗水系統(tǒng)的改造

謝江峽 趙凌

[摘要]蘭州城市供水集團制水一廠兩座河岸式原水提取泵房中，原水一級提升泵組吸水井內安裝的旋轉格網所配置的沖洗水系統(tǒng)沖洗強度達不到要求，噴嘴出水壓力小，格網沖不干凈，當增壓泵組出水閘門開啟度為30﹪時泵組開始振動，且隨出水閘門開啟度的增加振動加劇。本文針對出現的現象對整套系統(tǒng)的現狀和管路設備配置全面解析，通過水力計算，找出產生問題的原因所在，根據現狀和分析結果設計出了系統(tǒng)改造的兩套可行性方案，并經經濟技術、運行耗能，結合現場施工的技術難易程度，對兩套方案比選，最終確定了方案二為最佳沖洗水系統(tǒng)的改造方案。

關鍵詞： 旋轉格網? 沖洗水系統(tǒng)? 沖洗強度? 配水支管? 噴嘴流速? 局部阻力

中圖分類號： TU991.35? ? ? 文獻標志碼：A

1.概述

格網在以地表水為水源的取水系統(tǒng)中起著攔截水中細小漂浮物的作用。特別在渾水高濁度時期[1]，漂浮物劇增，格網必須連續(xù)沖洗運行才能保證取水泵的正常運轉。其沖洗效果對取水泵的安全運行有著直接的影響，從而決定著能否保證工藝過程中后續(xù)工序的正常進行。

蘭州供水集團取水泵房擔負著從黃河取水的重任。據設計，上游泵房取水泵組的遠期最大運行工況為四運一備共五臺泵組;下游泵房取水泵組的遠期最大運行工況為五運二備共七臺泵組;每臺泵組設有彼此獨立的單個吸水井，每個吸水井的兩個進水口分別設裝一臺旋轉格網。

格網沖洗水系統(tǒng)由水源（一次沉淀池出水）、吸水管路、沖洗泵組、壓水管路、格網配水管路、面積為30平方毫米的矩形沖洗噴嘴組成。

根據目前的供水需求，正常情況下上游運行一臺泵組，下游運行兩臺泵組;預計近期最大運行工況為上游運行兩臺泵組，下游運行三臺泵組。

上游泵房擴建工程竣工時：沖洗泵總壓水配水管路由原來無變徑的DN200鋼管改造更新為有變徑的DN400?DN300?DN200鋼管;原型號為8K-10的1#沖洗泵更新為對應編號的KS350-50型泵;原型號為8K-10的2#泵仍保留;單臺泵的進出水管及其閘門規(guī)格未變均為DN200;總吸水管路未改造，其規(guī)格仍為DN200?DN300?DN200;沖洗水源未變，仍為2#、3#沉淀池出水;更新安裝了十臺套旋轉格網。

下游泵房擴建工程竣工時：沖洗泵總壓水配水管路由原來無變徑的DN200鋼管改造更新為有變徑的DN400?DN300?DN200鋼管;原型號為6SH-6A的1#沖洗泵仍保留;原型號為6SH-6A的2#、3#沖洗泵更新為對應編號的KS350-50型泵;單臺泵的進出水管及其閘門規(guī)格未變均為DN200;總吸水管路未改造，其規(guī)格仍為DN200?DN300?DN200，沖洗水源未變，仍為8#、9#沉淀池出水;更新安裝了十四臺套旋轉格網。

在渾水期高濁度時，除了運行泵組的格網要求連續(xù)沖洗運行外，規(guī)定其余所有格網據運行標準間歇運行。

2.存在的問題

2.1 沖洗強度達不到要求，噴嘴出水流速度太小，格網沖不干凈;

2.2 在目前系統(tǒng)現狀下運行時，當2#或3#沖洗泵在出水閘門開啟度為30﹪時開始振動，并隨出水閘門開啟度的增加而加劇;

2.3 為了能夠使用，對2#或3#沖洗泵采用控制出水閘門開啟度不超過30﹪的措施運行。然而長期這樣以大馬拉小車方式維持運行，一則滿足不了工藝要求;二則產生汽蝕損壞設備;三則運行效率極低，造成電能的浪費。

3.通過計算對系統(tǒng)進行校核分析

3.1 噴嘴沖洗流量的確定

由于格網的沖洗選用的是噴嘴[2]，其流量的計算可采用消防系統(tǒng)水槍的計算公式即：

公式一 ：

式中? ——為噴嘴的流量，L/s;

——為流速系數，取1;

——為噴嘴的內徑，單位為mm;

——為噴嘴前的水壓，單位為m.

根據格網沖洗的水壓要求，據有關資料[3]一般為2～4kg/cm2，考慮到黃河地表水源在洪峰期時的水質特點及實際情況，現取3.5kg/cm2，.通過將矩形噴嘴斷面面積30mm2進行換算，其相當于d=6mm的圓形斷面，這樣可采用上述公式進行計算。將d=6mm，Hg=3.5kg/cm2代入公式，則：

=0.74L/s=2.67m3/h

由于下游泵房共有七臺取水泵，設計最大運行工況為六運一備，此時六臺運行泵組的格網需連續(xù)沖洗，且每臺泵配備兩臺格網，每臺格網的噴嘴為21個，于是總的沖洗水量為Q’，則：

實際運行中按兩用一備進行設計，則單臺泵的流量，為了選泵的方便取整，即。

3.2 沖洗泵揚程的確定

3.2.1 自由水頭H0，據上所述，H0=Hg=35m;

3.2.2 壓水管路水頭損失hf的確定：

由于沖洗泵的運行不僅取決于格網最不利工況時的沖洗要求，同時還要滿足集水槽容納沖洗水的能力。經對集水槽長度方向各斷面的復核計算，在最大設計取水工況且遇渾水期高濁度時只能每六臺格網為一組分組進行沖洗，不能實現同時沖洗。此時據計算開啟一臺Ks350—50沖洗泵正好可滿足要求。據目前取水泵組的工藝運行實際情況，已設計安裝的兩臺Ks350—50的泵，從沖洗水量方面而言，一用一備即可滿足工藝要求。

由此可見：壓水管路的計算管路為距離3#泵最遠的噴嘴與其之間形成的管路，計算流量為Q=350m3/h=0.0972m3/s;由于缺乏必要的資料，考慮到配水支管及噴嘴流速較大的現實，局部阻力與沿程阻力相比前者所占比重較大，粗估壓水管路的水頭損失為3m。

3.2.3 水泵的摩阻hf’的確定，粗估為1m。

3.2.4 吸水管路水頭損失hd的確定：

對1-1和2-2斷面建立伯諾理方程，設水泵進口壓力P1，則：

公式三：

圖中虛線所示即為1-1和2-2斷面間的水壓線[4]，凡是管道位于水壓線上部的管段呈負壓狀態(tài)，當壓力降至水的飽和蒸汽壓時就有氣體產生，該氣體與水一起進入水泵，并使水泵產生振動。

可見，吸水管路水頭損失過大是導致沖洗泵振動的根本原因。

4.提出改造方案

方案一：格網最不利管路噴嘴壓力按Hg=3.5kg/cm2計，據上述計算分析沖洗泵采用已設計安裝的兩臺Ks350—50，一運一備分兩段沖洗。通過計算分析進行總吸水管路的改造，設法減小吸水管路的阻力，以消除氣體產生的環(huán)境，保證沖洗泵安全、經濟、可靠的運行。

（1）通過計算確定技術上可行，經濟上合理的管徑DN

對吸水干管而言，取經濟流速v經=0.8m/s，Q=350m3/h=0.097m3/s，則：

（2）合理選取管材

從技術方面而言，為了使沖洗泵吸水管路的水頭損失足夠的小及施工的方便，泵房內的水泵吸水干管考慮到與整體銜接的一致性，采用DN400即外徑為426×9的鋼管，布設形式與原來室內DN200鋼管的布設形式一樣，管道長度為30m;泵房內單臺沖洗泵的進水管選用DN300鋼管，并設DN300蝶閥一臺;泵房外的管道部分，考慮到塑料管質輕、易施工、耐腐蝕、水頭損失小的特點和在廠內安裝覆土地面荷載小的實際情況，以采用DN400PE管為好，管道長度為241m;沿線設兩座閥門井，設DN400m碟閥3臺，DN100泄水閘閥1臺。

從經濟性方面而言，經詢價：DN400鋼管的室外安裝工程造價為716元/m;DN400PE管的室外安裝工程造價為1000元/m。經性價比分析吸水管路的改造全線采用DN400的鋼管相對適宜。

（3）? 吸水管路全線采用DN400的鋼管改造后的水力計算復核

（4）沖洗泵吸水管路更新改造概算費用為：

DN400的鋼管更新安裝為271×716元/m=19.4萬元;

砌筑兩座閥門井為2×3000元/座=0.6萬元;

DN400蝶閥安裝為3×8000元/臺=2.4萬元;

DN300蝶閥安裝為3×6000元/臺=1.8萬元;

拆除原有管線、閥門井等人工費0.5萬元

完成該項改造項目約需資金24.7萬元

方案二：格網最不利管路噴嘴壓力按Hg=2.0kg/cm2計，吸水及壓水管路均保持原狀，以經濟流速為約束計算確定吸水管路安全運行的最大流量，據其對現有沖洗泵組進行校核，通過計算分析更新泵組，并確定沖洗方案。

（1）噴嘴沖洗流量的確定

公式四：[6]

將Hg=2.0kg/cm2 =20m ; d=6mm ，代入公式經計算q=0.56 l/s= 2.0 m3/h

（2） 一組格網（兩臺）沖洗流量V的確定

據上所述? V=2×21×2.0=84 m3/h

（3）吸水管路最大流量Q的確定及其水力校核計算

最大流量Q的確定

按DN300選取其經濟流速v=0.78 m/s，則Q=3.14×0.152×0.8=0.055 m3/s=198 m3/h，此時DN200管的流速v=1.75 m/s.

水頭損失hw的計算

據上所述 hw=0.0552（9.273×30+241×0.932）+{0.882（2×1.0+2×0.12）+

0.782（3+2×1.7）+1.752（0.22+2×1.7+2+0.12）}÷（2×9.8）

=2.2+1.27

=3.47m

水泵進口法蘭處的壓力p的計算

據上所述 p=（1542.5-1538.47）-1.752÷（2×9.8）-3.47

=0.4m

沖洗泵參數（Q，H）及其臺數的確定

據上所述 Q=168～198 m3/h，H=25～30m;由于吸水管路流通能力所限，只能選用兩臺同型號的參數為Q=168～198 m3/h，H=25～30m的泵，一運一備，對現有沖洗泵進行更新。

（4） 沖洗方案的確定

據上所述，格網一次沖洗的組數n=Q/V=198÷84=2.4（組），據此可按如下方案進行沖洗：

渾水期考慮到黃河源水漂浮物較多，格網所需沖洗強度相對較大的特點，每四臺為一組進行沖洗;

除渾水期外，由于源水漂浮物較少，格網勿需太大的沖洗強度，因此可允許每六臺為一組分組進行沖洗。

（5）改造費用

經詢價，選用國產泵組完成此項目需概算資金5萬元。

5、最佳實施方案的確定

從技術方面而言，據以上所述，由于客觀條件的局限，兩方案都不能實現遠期最大運行工況時全部連續(xù)沖洗運行的要求，但方案一因其沖洗水頭足、沖洗強度大，沖洗效果較好，但耗能高;方案二不僅能滿足目前及近期沖洗要求，而且耗能低。

從經濟方面而言，據概算可知，方案二要比方案一經濟得多;且工程量小，施工難度低，工期短，施工過程對生產運行幾乎沒有影響。

綜上所述，從目前及近期來看方案二優(yōu)于方案一。

6、實施效果

6.1 完全能保證近期生產運行過程中的工藝要求;

6.2 完全能保證設備安全正常運轉;

6.3 沖洗泵運行效率比原來提高30%

參考文獻

[1]劉建善，渾水河流的河道與防洪特性，水利水電科技進展，000103 2015 Vol.20 No.1 P.10-13，54

[2]顧振興， 王金娥， 高壓自旋轉噴頭的參數分析與應用 ，科技風， 2016年 第18期

[3]蔡金城， 灑水噴頭監(jiān)測設備， 中國機械， 2016，（3）104-106

[4]徐文忠，陳淑靜，尚雅斐，? 多熱源環(huán)網補水定壓方式及定壓值得確定，區(qū)域供熱， 2015年01期;王桂麗， 給水管網等水壓線的研究及應用，黑龍江科技信息， 2012，（13）231-231

[5] [6] 未碧貴，張洪偉，給水排水管網設計—鴻業(yè)市政管線8.0，

作者簡介：

謝江峽 （1980.10），男，漢族，甘肅莊浪人，大學本科，工程師，主要從事城市供水（自來水生產）工作。

單位地址：蘭州城市供水（集團）有限公司制水一廠（西固環(huán)形西路64號）郵編730060