开放和封闭式管道系统的泵送方案

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)www.ksb.com.cn 作者:Christoph P. Pauly

  当流体流经管道时,不同的流体会带来不同的问题。石油和天然气会出现稳定性问题,并对环境造成危害,而水存在着卫生问题。KSB公司的Wolfgang Rosler博士在本文介绍了针对开放式和封闭式管道的不同泵送方案。

  从水力学角度看,水的泵送更具有挑战性,因为它们不像石油或天然气一样可以压缩。在启动和停机时,紧急制动或流速的改变都可能对管道造成影响。为将压力变化控制在一定范围内,泵送系统必须带有设计精良的波动控制设备。

  流体的日流速或日流量是输水系统设计的基础。被泵送介质的流速不会超过2米/秒,在此流速下,水压损失与泵站和管道的初期投入之间的比值是正的。横截面较小的两条并联管路之间流速通常会被分开,特别是在日流量较高的场合,供应的稳定性或地形的复杂程度至关重要。

开放式结构

  将介质从一个水库分段泵送到下一个相隔很远的水库,就是所谓的开放式系统。这段距离由大量的泵站和水库连接起来。因此,从水力学角度讲,系统中的一系列单个系统彼此之间并不是直接相连的。

用于Al Hunayy工程的RDLO型变频驱动泵

图1. 用于Al Hunayy工程的RDLO型变频驱动泵

封闭式结构

  封闭式系统是完全不同的。管路中间的泵站是该管路的一个组成部分。这种类型的系统不需要在中间的泵站(即增压站)设置缓冲槽,因此比开放式结构的建造成本低;也无需使用处理设备去除水中的生物杂质;也就没有相应的维护成本。较低的液压损失以及相应节约的能源也降低了总运营成本。

  除了这些优势,这些更复杂的自动系统也有不足之处,系统的设计必须非常安全。但泵站之间可能发生的控制和通讯系统的完全瘫痪不会导致整个系统的停机。在低流量范围内,系统可以手动运转。

  在较高的功率下或系统满负荷运转时,必须借助自动的监测/控制和通信系统。这种水平的系统状态不能手动控制。虽然存在这些缺点,但封闭式系统的生命周期成本仍低于开放式系统。

经过证实的技术

  世界上修建了许多封闭式的输水系统,但是连接Al Jubayl海水淡化工厂和利雅得(Riyadh)之间的管道才是真正意义上的第一条封闭式管道。该管线包括六座相互连接的泵站,正常运转压力为45 bar,输送距离为450公里,成功地执行着输水任务。(图3)。

沙特阿拉伯半岛地区的几条管路详图

图3. 沙特阿拉伯半岛地区的几条管路详图

  KSB负责供应各种水泵阀门以及流体力学工程设备,广泛参与了这种系统的建造。利雅得市的Al Hunayy水输送工程总共采用了32台RDLO 35-690A和RDL 350-620 A2型增压泵,这些泵每天将36万立方米的饮用水从距离首都利雅得170公里外输送到Riyadh High Point(图1)。

  四个并列的双联泵站相距大约40-50公里,通过两个并联的DN 1.2米管道输送所需的水量,压力等级为PN25和PN16。

  从水力学和控制角度看,它们完全是独立运转的。这种布置很好地平衡了预期生命周期成本、稳定运行所需的设备成本和供水的稳定性。

  除了Al Hunayy工程,KSB还参与了利比亚C319开放式管道、沙特阿拉伯Hofuf开放式管道和塞尔加内Mehke封闭式系统的建设。

加速和减速

  封闭式输水系统运行的第一个条件就是可靠的通讯系统。在所谓的预启动阶段。所有的阀门位置、入口水位和辅助系统,即冷却水供给、润滑、通风和冷却系统都要经过检查。当所有系统检查完毕正常运转后,第一个泵站的一台泵会自动启动,传输并激活启动信号(图2)。

第一个泵站的3D图

图2. 第一个泵站的3D图

  第一台泵很快达到全速运转,随着转速的增加,监控系统如监测到泵的转速超出允许的运转范围,并联管路内的第二台泵就会自动运转。如此一来,第一条管路中流动的水会提升第二个泵站入口处产生的介质压力。一旦达到预先设定的压力值,第二个泵站中的一台变频驱动泵就会开始运转。

  处于运转状态的泵的转速和数量与可变的感应介质压力保持一致,只要整个系统处于全速运转状态,这一起始压力就会保持恒定。

  因此,第一个泵站的启动过程是由流速控制的,而其他所有增压泵站是由感应介质压力控制的。水力系统一旦稳定下来,感应介质压力就会固定在系统设计者所计算出的数值上,以提高流速。

  同时还要考虑泵的NPSH和输入功率。如果感应介质压力需要降低,控制系统会自动提高增压泵的转速。这会增加泵送流体的流速。为了可以对管路中所发生的程序进行细微的调节,降低感应介质压力的方法在管路建造之前就采用CFD模拟进行过仔细测试。

电力故障风险

  如果系统全速运转时发生电力故障,增压泵站内部将受到低压波和过压波的冲击。这两种现象是相互伴随的,对整个系统会造成重大危害。

  快速开启阀可以将水释放到环境中,从而减轻过压波的强度。低压波则会导致管道内部的气蚀,通常可以通过足够高的感应介质压力来避免这一情况。在开放式输送系统中,管道末段也会发生这种现象,但强度不同。

  为了以可控模式将整个系统停下来,程序被反了过来。增大设定的感应介质压力使增压泵的转速降低,一直到泵最终停机。流速在这一过程中不断下降,系统最终会停止运转。

总结

  封闭式输水管路是管道工程中最新的技术。因为这种系统中不需要中间的储水槽或水处理设备,其建造成本更低,生命周期成本也较低。此种系统的唯一个缺点是需要非常精确的脉动控制和通讯设备。

  但是,现在借助目前的信息技术,这些问题都可以解决,封闭式系统的优势会战胜这些缺点。

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