宋莊泵站真空破壞閥的改造及應(yīng)用

廖昌果，楊星龍

（山東省調(diào)水工程運行維護中心壽光管理站，山東 壽光 262700）

1 概述

宋莊泵站是引黃濟青工程第2級泵站，位于壽光市田柳鎮(zhèn)宋莊村西北500m處。1987年動工，1989年建成通水。 泵站設(shè)計為堤身式結(jié)構(gòu)、肘型進水流道、虹吸式出水流道、真空破壞閥斷流，由主、副廠房及出水室3部分組成。 主廠房自上而下分別為電機層、聯(lián)軸層、水泵層、流道層。 泵站設(shè)計揚程9.37m，設(shè)計流量34.5m3/s。 泵站共設(shè)9臺機組：主機組7臺套，選用1400HD-9 混 流 泵， 設(shè) 計 流 量5.6m3/s， 配 套10kV 720kW同步電動機；調(diào)節(jié)機組2臺套，選用800HW-12型臥式混流泵，設(shè)計流量1.9m3/s，配套10kV 315kW異步電動機。

機組啟動時，真空破壞閥全關(guān)，虹吸管內(nèi)水面逐漸上升，翻越駝峰出水，流道內(nèi)的空氣受壓出水，流道內(nèi)的水位接近駝峰時，真空破壞閥自動打開，排除受壓氣體如圖1。水流翻過駝峰后，受重力作用，順流道內(nèi)壁下滑與后池水面形成漩渦。 此時水泵揚程高出設(shè)計揚程較多，水流具有較大的夾氣能力，將虹吸管內(nèi)的空氣卷入水中夾帶溢出， 虹吸管內(nèi)空氣逐漸稀薄而形成負壓，水位也隨著逐漸升高，當水流將虹吸管內(nèi)的氣體全部帶走， 此時虹吸管內(nèi)充滿水形成虹吸。 機組停機時，真空破壞閥開啟，空氣通過真空破壞閥進入虹吸管，破壞形成的虹吸，駝峰至后池段的水體流入后池，實現(xiàn)斷流，機組在沒有倒轉(zhuǎn)水流沖擊水泵葉片情況下，倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速逐漸變慢直至停止。

圖1 機組啟動過程虹吸式出水流道

真空破壞閥的要求：良好的關(guān)閥性能和開閥性能，機組運行時真空破壞閥應(yīng)嚴密關(guān)閉，始終保持出水流道駝峰頂部的真空狀態(tài)，一旦空氣進入虹吸管，將引起機組振動，功率增加，降低機組效率。 機組停機時，真空破壞閥應(yīng)可靠打開，空氣進入虹吸管，破壞虹吸，形成斷流。 如果真空破壞閥性能不好，在機組停機時不能破壞虹吸而有效斷流，會引起機組長時間倒轉(zhuǎn)，影響機組安全。 所以停機時，如果真空破壞閥不能自動打開，操作人員需及時手動打開真空破壞閥或手動打開進氣旁通閥，如果打開手動閥仍然沒有破壞真空，需立即砸碎真空破壞閥有機玻璃。

宋莊泵站真空破壞閥采用的是氣動式真空破壞閥，其配套的供氣系統(tǒng)主要包括空壓機、儲氣罐、電磁閥、逆止閥、截止閥、安全閥、控制指示儀表及配套管路等。 空壓機兩臺1主1備，平時運行時1臺在運行狀態(tài)，1臺在備用狀態(tài)， 空壓機控制系統(tǒng)根據(jù)供氣母管上的兩個電接點壓力表上下限自動啟停運行。 始終保持氣罐壓力維持在0.3～0.6MPa， 當壓力降到0.3MPa時空壓機啟動，當壓力降到0.25MPa時備用空壓機啟動，并發(fā)出報警信號。當壓力上升到0.6MPa時切除。 真空破壞閥的開啟壓力為0.3～0.6MPa，各供氣分管通過電磁閥與真空破壞閥活塞下腔相通， 當人工手動開啟手動球閥或打開電磁閥時， 氣壓推動活塞打開真空破壞閥。 當人工手動關(guān)閉手動球閥或關(guān)閉電磁閥時， 壓力降低活塞在彈簧力作用下自動關(guān)閉、真空破壞閥關(guān)閉，其供氣系統(tǒng)如圖2。

圖2 真空破壞閥供氣系統(tǒng)

2 問題出現(xiàn)及原因分析

宋莊泵站真空破壞閥配套的供氣系統(tǒng)空壓機是活塞式空壓機，轉(zhuǎn)速較高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，存在安全可靠性差、機械密封不嚴、漏氣現(xiàn)象嚴重、工作效率低，空壓機補氣頻繁，電能消耗大。 保護裝置用的自動化元件如電磁三通閥、 壓力傳感器、電接點壓力表、安全閥等自動化元件維護工作量大等缺陷。

宋莊泵站因處于北方地區(qū)，冬季氣溫較低，真空電磁閥及供氣管路處于泵站的出水室位置， 供氣管路中的壓縮氣體濕度較大， 且原供氣母管及各供氣分管傾斜度設(shè)計不合理， 造成部分積水在供氣分管電磁三通閥處集聚，冬季氣溫較低時，在電控閥內(nèi)形成小冰，造成電控閥在先導(dǎo)閥線圈通電打開后，氣路不能導(dǎo)通，機組停機時不能有效打開真空破壞閥。各機組供氣分管上的電磁三通閥經(jīng)常不能動作， 造成停機時機組倒轉(zhuǎn)時間過長， 每次停機時都需要人工去打開真空破壞閥。

供氣系統(tǒng)壓力罐需做安全鑒定， 宋莊泵站出水室真空破壞閥所配套的供氣系統(tǒng)配有兩個壓力氣罐，氣罐壓力0.8MPa，壓力罐屬于特種設(shè)備，應(yīng)在安檢局進行登記備案， 并定期進行檢驗， 由于歷史原因，這個問題一直不能解決，這兩個壓力氣罐存在較大的安全隱患，對泵站的標準化、規(guī)范化管理帶來較大困難。

供氣支管上電磁三通閥線圈是交流220V， 為了防止線路停電停機帶來的機組跳閘， 用直流220V控制，但交流220V 線圈在直流電下，很容易發(fā)熱燒毀，所以為了防止線路停電時真空破壞閥自動打開，在交流220V線圈回路串聯(lián)了分壓電阻， 給真空破壞閥及配套系統(tǒng)帶來很大不便。

3 改造措施及方案

由于宋莊泵站氣動式真空破壞閥在使用中出現(xiàn)以上問題，宋莊泵站在參考、借鑒和實地考察國內(nèi)類似工程的真空破壞閥更新改造情況后， 決定真空破壞閥改造采用上海晟江機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的新型壓力平衡式真空破壞閥。

壓力平衡式真空破壞閥的工作原理為： 設(shè)備電氣控制系統(tǒng)收到運行指令時， 主副手輪電磁閥操作機構(gòu)開始跟工作閥軸向左快速移動， 閥瓣與閥座像密封水水腔與空氣中的大氣被隔斷形成虹吸， 設(shè)備電氣控制系統(tǒng)收到停止指令后， 主副電磁閥操作機構(gòu)不工作， 工作彈簧開始作用閥軸向右移動閥瓣與閥座分離打開在負壓作用下， 大氣經(jīng)空氣腔進入水腔和主管道相通破壞虹吸現(xiàn)象如圖3。

圖3 壓力平衡式真空破壞閥斷電開閥、通電關(guān)閥示意圖

壓力平衡式真空破壞閥操作簡單， 使用前先將手動手輪逆時針旋轉(zhuǎn)，至閥瓣與閥座完全打開位置，合上控制電源， 可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)就地和遠方控制轉(zhuǎn)換。 如果電氣控制系統(tǒng)收到停機指令后未能自動打開，應(yīng)迅速切斷電源，以箭頭所示方向，扳動緊急開閥手柄或逆時針旋轉(zhuǎn)手動打開， 直至虹吸破壞。如果電氣控制系統(tǒng)收到開機指令后，閥門不能自動關(guān)閉，應(yīng)先將電源切斷，再將手輪操作機構(gòu)保險銷拔起， 順時鐘旋轉(zhuǎn)手動治閥瓣與閥座閉合， 實現(xiàn)虹吸。 控制系統(tǒng)修復(fù)后，手動必須恢復(fù)到原來的狀態(tài)，否則閥門無法控制。

壓力平衡式真空破壞閥應(yīng)具備如下特點：①改變傳統(tǒng)的氣動開閥方式， 采用蓄能彈簧直接打開，系統(tǒng)故障率小，可靠性高。 水泵運行時電磁驅(qū)動裝置吸合，關(guān)閥彈簧受壓儲能，水泵停運時電磁驅(qū)動裝置同步，蓄能彈簧作用于開閥。 ②電磁驅(qū)動裝置采用機電一體化設(shè)計，可與水泵同步運行，長時間連續(xù)工作，已與機組實現(xiàn)plc硬件連鎖，實現(xiàn)遠程自動、監(jiān)控、保護功能。 ③采用壓力平衡式關(guān)閥機構(gòu)，閥門運行時閥腔內(nèi)外存在壓力差，作用在關(guān)閥機構(gòu)上的大氣壓力相互平衡，相互抵消，所需開閥動力小、能耗低。

4 改造效果

2020年12月，宋莊泵站真空破壞閥改造結(jié)束，投入運行。 改造前后性能比較：①宋莊泵站水泵機組的真空破壞閥由氣動式虹吸破壞閥改為壓力平衡式真空破壞閥后， 工作性能更加安全可靠， 運行穩(wěn)定。 ②氣動式真空破壞閥需要空壓機和氣罐由空壓機進行打氣和補壓， 空壓機的啟動和停止油氣罐壓力自動控制，空壓機如不能自動啟動，值班人員需及時手動打開真空破壞閥，或?qū)ζ溥M行補氣，如果氣罐的壓力低于設(shè)定值還會影響到機組的正常停機和事故停機，甚至會影響泵站的安全運行。而壓力平衡式真空破壞閥采用蓄能彈簧直接打開，系統(tǒng)故障率小，可靠性高。 ③由氣動式虹吸破壞閥改為真空破壞閥后，控制系統(tǒng)大為簡化，壓力平衡式真空破壞閥不需要空壓機和氣罐， 不但節(jié)約了兩臺空壓機和兩個儲氣罐的設(shè)備， 且空壓機和儲氣罐的控制電路也被省略，因此壓力平衡式真空破壞防控制回路簡單可靠，易于維護。 ④由氣動式真空破壞閥改為壓力平衡式真空破壞閥后，節(jié)約了電磁三通閥、壓力傳感器、電接點壓力表、安全閥等自動化元件，壓力平衡式真空破壞閥采用蓄能彈簧直接打開， 不需要自動化元件進行控制，不但大大減少了維護工作量，而且運行更加穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語

壓力平衡式真空破壞閥經(jīng)運行實踐， 提出以下兩點優(yōu)化改進意見。

（1）壓力平衡式真空破壞閥在機組運行時，電磁線圈通電，閥門關(guān)閉。 所以在機組啟動階段，氣體無法排除， 將會增加啟動功率， 一般和時間繼電器配合，真空破壞閥控制箱收到機組斷路器合閘信號后，一般將延時給電磁線圈通電，時間設(shè)置5～8s，躲過啟動時間。

（2）壓力平衡式真空破壞閥在機組運行時，電磁線圈通電，閥門關(guān)閉。現(xiàn)場控制箱的220V低壓電源取自低壓室出水室抽屜， 一旦抽屜或出水室電纜發(fā)生故障，將會引起控制箱失電，電磁線圈不工作，真空破壞閥打開， 引起機組運行不安全。 為了增強可靠性，在出水室配電總箱應(yīng)加裝雙電源開關(guān)，一路取自低壓柜抽屜，一路取自UPS系統(tǒng)。