给排水泵站中真空泵的选型设计与应用.pdf

第 42 卷 第 19 期 2 0 1 1 年 1 0 月 人民长江 YangtzeRiver Vol． 42， No． 19 Oct． ，2011 收稿日期 2011 －02 －26 作者简介 邱象玉， 男， 博士， 工程师， 主要从事水力机械及工程给排水研究工作。E － mail xyqiu2008 gmail． com 文章编号 1001 －4179 2011 19 －0091 －04 给排水泵站中真空泵的选型设计与应用 邱 象 玉， 王 明 光， 丁峰 北京市水利规划设计研究院， 北京 100048 摘要 水泵在启动过程中要求具有良好的吸水条件以避免发生水泵汽蚀。分析了目前给排水系统中常用的几 种水泵启动过程吸水方式的优缺点及应用范围; 通过论述水泵安装高程与真空泵抽真空高度的关系， 分析了 水环式真空泵的抽真空原理及选型计算， 并结合设计实例详细论证了真空泵在给排水泵站系统应用中的优 点及不足， 为给排水泵站系统真空泵的选型设计提供了参考。 关键词 真空泵;安装高程;汽蚀;选型设计;给排水泵站 中图法分类号S277． 92文献标志码A 在给排水系统水泵启动时， 为避免引起严重的水 泵汽蚀， 需要将水泵液腔内充满水。设计时一般要求 水要淹没至水泵的顶端， 使水泵完全充水， 这样才能启 动水泵。而在实际工程中， 水泵在最低运行水位启动 时往往达不到自灌式冲水启动的要求， 因此需要采用 各种有效措施以满足该要求。由于真空泵可抽除含水 的气体， 如真空引水、 真空脱气等， 而且抽真空可以充 分实现水泵启动时的自灌充水， 以有效降低水泵发生 汽蚀的可能性， 因此以水环式为代表的真空泵在给排 水泵站系统中的应用日益增多， 并得到了广泛推广。 真空泵在选型、 设计等方面不同于普通的水泵， 其 在给排水工程中最初是被用作自吸水泵。本文通过分 析给排水工程中最常用的水环式真空泵的原理及特 点， 结合设计实例， 详细论证了真空泵在给排水泵站系 统中的优缺点， 为给排水系统真空泵的选型设计和应 用提供了参考。 1真空泵的原理及特点 按照工作原理， 可将真空泵分为气体输送泵和气 体捕集泵两种类型。气体输送泵主要包括水环式真空 泵、 往复式真空泵、 旋片式真空泵等 ［1 ］。气体捕集泵 主要包括吸附泵和低温泵等。给排水系统中应用最多 的是水环式真空泵， 本文以水环式真空泵 以下简称 水环泵 为研究重点， 进行详细分析。 1． 1水环泵的工作原理 水环式真空泵是一种抽真空泵， 最初是用作自吸 水泵， 而后逐渐在给水、 排水、 工业等许多行业得到广 泛应用 ［2 －3 ］。水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸 气、 压缩和排气， 因此属于变容式真空泵。其工作原理 如图 1 所示。 图 1水环泵的工作原理示意 从图 1 可以看出， 叶轮与泵体呈偏心配置， 启动时 向泵体内注入适量的工作液。当叶轮按图示箭头方向 旋转时， 沿泵体内壁形成旋转的液环， 液环内表面与叶 人民长江2011 年 轮轮毂表面形成月牙形的工作腔， 并被叶轮叶片分割 成大小不等的十几个空腔。随着转子的旋转， 该气腔 在泵的吸气区的体积逐渐增大， 其内部压力下降， 从而 将气体吸入泵内; 相反， 气腔在排气区的体积逐渐减 小， 其内部压力上升， 将气体排出泵外， 从而完成吸气、 压缩、 排气 3 个工作阶段。工作时， 有部分工作液会随 着气体排出， 因此需连续不断地向泵内注入一定量的 新鲜工作液体， 以保证泵的正常运行。 1． 2水环泵的特性分析 各种形式的水泵都要求叶轮在一定的淹没深度下 才能正常启动。普通离心泵在输送液体时， 如果液位 低于水泵顶端， 便需要灌水或将水泵安装在起泵水位 液面下， 使泵腔内充满水才能起泵 即降低安装高 程 ， 这样泵才能正常出水。在给排水泵站系统中， 由 于工程输水量较大、 距离较长、 水泵台数较多， 因此对 于自动化程度要求也越来越高， 而采用上述泵启动前 的灌水方式显然比较落后， 也不合理。目前工程实践 中， 大都采用降低水泵安装高程 即自灌冲水 的方 式。这种安装方式无形中降低了水泵的安装高程， 虽 然可以有效防止水泵发生汽蚀， 但是却增加了地下开 挖建设的成本， 存在泵房被淹没的危险， 而且启停水位 也受到限制， 因此出现了以水环泵为主的真空引流式 的水泵吸水方式。表 1 列举了给排水工程中常见的 3 种水泵吸水方式的原理、 系统组成及优缺点。 表 1给排水泵站系统各种吸水方式分析 项 目高位水箱 或配备自吸泵 自灌充水 水泵多 数为半地下式安装 真空引流式 引用真空泵 原理简介启动前不需灌水 第 1 次启 动仍然需灌水 ， 通过动力 或高位水箱 将低位液体 提升压力至充满整个泵腔， 实现泵负压自吸上水的目的 水泵采用半地下室淹没式安 装， 最低启动水位需淹没水泵 顶端， 使水泵完全冲水， 即自灌 冲水 水泵启动前先抽真空， 形成负 压使水倒灌， 水完全冲满泵腔 后再正常启动 系统组成水泵系统、 真空箱、 循环供水 箱、 管道阀件及电气自动控 制配电箱组成 水泵系统水泵系统、 真空泵系统、 气水分 离器及管路等组成 优点自吸能力好， 启动时间短， 提 升了水泵安装高程， 减少了 地下开挖成本 减少了一次性设备投资， 水泵 完全淹没式启动， 较安全 抽真空保证率高， 系统运行稳 定性好， 提升了水泵的安装高 程， 减少了地下开挖成本 缺点增加了设备投资， 占地面积 大， 控制复杂， 水泵选型受流 量扬程限制 增加了地下开挖成本， 存在泵 房被淹没的危险， 启停水位受 限制， 自吸能力差， 不经济 增加了设备投资， 管路连接较 多， 控制复杂。抽气系统密封 性要求较高 实用性适合于小型泵站， 使用范围 受到很大限制 适合于水位较高的河、 渠等泵 站 适用于各种大、 中、 小型泵站 从表 1 可以看出， 高位水箱、 自吸充水、 真空引流 式等常见的 3 种水泵吸水方式各有优缺点， 因此， 在进 行方案比选、 设计时， 设计人员可以结合工程实际选择 适当的水泵吸水方式。另外， 由表 1 也可以看出真空 引流式在给排水系统中具有使用范围广、 真空保证率 高、 稳定性好、 降低工程开挖成本等诸多优越条件， 因 此在给排水系统中推荐优先选用真空引流式水泵吸水 方式。 2水环泵水力性能分析 2． 1抽真空引水与水泵安装高程的关系 水泵性能的平衡标准是以进水条件符合水泵吸水 性能为前提的， 吸水性能是确定水泵安装高程和进水 池水位的依据。根据 泵站设计规范 第 9． 1． 10． 1 条 规定 “在进水池最低运行水位时， 必须满足不同工况 下水泵的允许吸上真空高度或必须汽蚀余量的要 求” ［4 ］。该条规范说明， 水泵的允许安装高程与水泵 的允许吸上真空高度、 必须汽蚀余量、 进水池最低运行 水位等有关。 水泵的允许安装高程根据下式计算 ［ 安］ H允吸 － H安全 H进低 1 实际上， 水泵安装高程的确定就是如何计算水泵的允 许吸水高度 H允吸。 而水泵的允许吸水高度可由下式计 算得出 H允吸 P大气－ P汽－ ［ NPSH］ r － h吸损 2 将公式 2 带入公式 1 ， 即可得出水泵的允许安 装高程计算公式 ［ 安］ P大气 － P汽－ ［ NPSH］ r － h吸损－ H安全 H进低 3 式中， ［ 安］为水泵的最大允许安装高程， m， 负值表 示几何倒灌高度; H允吸为水泵允许吸水高度， m; H安全 为考虑安全应留的一定富余量， 一般取 0． 5 m; H进低为 前池最低运行水位， 根据实际工况确定; P大气为当地 大气压力的水柱高度， m， 与当地的海拔高度有关 ［5 ］; P汽为水在不同温度下的汽化压力值的水柱高度， m［5 ］; ［ NPSH］ r为水泵允许汽蚀余量， m， 由水泵工作 点确定， 一般由厂家提供; h吸损为吸水管路的水头损 失， 与吸水管路长度有关。 公式 3 就 是 利 用 水 泵 的 允 许 汽 蚀 余 量 ［ NPSH］ r， h吸损等计算水泵安装高度的计算式。 对于同一项工程， 进水池最低运行水位 H进低 、 当 地大气压、 进水管路损失等是一定的， 若水泵选定， ［ NPSH］ r也为已知常数，这说明对于同一工程， 水泵 的最大允许安装高程是个固定值［5 ］。而水泵的实际 安装高程除与上述条件有关以外， 还与水泵引水启动 的方式有关。下面分两种情况分别进行讨论。 1若要使水泵启动时满足自灌式淹没叶轮启 动， 则水泵实际安装高程必须满足以下 2 个条件， 即 水泵的实际安装高程 安≤［ 安］ 4 29 第 19 期邱象玉， 等 给排水泵站中真空泵的选型设计与应用 水泵的启动水位 H启， H叶顶≤ H启， 即 安≤ H启－ C 5 2若要使水泵满足抽真空引水式启动， 则水泵 的实际安装高程只需满足以下条件， 即 水泵的实际安装高程 安≤［ 安］。 可以看出， 普通淹没启动方式需要同时满足上述 1 中的两个条件， 从而无形中降低了水泵的实际安 装高程， 增加了土建开挖量; 而抽真空引水式水泵的实 际安装高程只需满足小于等于水泵的最大允许安装高 程［ 安］ 即可， 无需满足上述 1 中的第 2 条淹没启动 水位要求 抽真空可以实现倒灌式自启动充水 ， 从而 抬高了水泵的实际安装高程， 降低了土建开挖量。此 外， 还充分考虑到了根据可能选择的最不利的工况来 确定安装高程的情况， 这是防止汽蚀发生的最为关键 的手段， 也是在给排水泵站中采用真空式引水的主要 原因。 2． 2水环式真空泵的选型与计算 水环式真空泵在给排水泵站中应用十分广泛， 真 空泵的真空引水适用于各种水泵， 特别适用于大、 中型 泵和吸水管较长的泵站系统。系统中的抽气管接在泵 壳的顶点， 待水泵泵壳充满水后自动启动水泵， 一般根 据抽气量和最大真空值选择水环式真空泵， 并配 1 台 备用泵。目前最常用的 2BVX、 2BEX 系列水环式真空 泵均能满足水泵引水最大真空值的要求， 因此真空泵 的选型计算只需计算抽真空的气量即可。给排水专业 推荐的抽气量计算方法如下 W K W1 W2 T Hg Hg－ Zs 6 式中， W 为抽气量， m3/min; K 为漏气系数， 取 1． 05 ～ 1． 1; W1为吸气管中的空气容积， m3; W2为泵体容积， m3 计算时取水泵吸入口面积乘以吸入口到出水阀的 距离 ; T 为引水时间， 一般不超过 5 min; Hg为当地大 气压的水柱高度， m; Zs为水泵安装中心与吸水池最低 水位之差， m。 水环式真空泵系统一般由真空泵、 电动机、 气水分 离器及管路等组成， 见图 2。真空泵系统的工作过程 如下 气体由管路经阀门进入真空泵， 然后经导气管排 入气水分离器中， 经气水分离器排气管排出。当真空 泵工作时， 真空泵排出的气水混合物在气水分离器中 分离后， 气体经阀门输送到需要压缩的气体系统， 而水 则留在气水分离器中， 气水分离器的水位通过自动溢 水开关进行调整， 当水位高于所要求水位时， 溢水开关 打开; 当水位低于要求水位时， 溢水开关关闭， 气水分 离器中水位上升， 达到所要求的水位后停机， 完成真空 引水过程。这样气水分离器内的真空度始终保持在一 定范围， 使每台水泵经常处于充水状态， 随时可以启动 其中的任何一台水泵。 图 2给排水泵站系统中真空泵系统的组成 3真空泵设计应用实例 以某灌区给水泵站设计为例， 泵站建在河道漫滩 地上， 距离河边 10 m。泵站设计流量在夏季用水高峰 期为 1． 0 m3/s、 春秋季为 0． 5 m3/s， 设计扬程为 81． 0 m， 泵站直接从河道吸水。该泵站选用 5 台水平中开 卧式双吸离心泵 4 用 1 备， 春秋季只开启 2 台 ， 单泵 配套功率为 315 kW， 水泵必需汽蚀余量［ NPSH］ r 为 5． 7 m， 单泵设计流量为 0． 25 m3/s。真空泵选型计算 的相关参数示于表 2 中。 设计时， 采用两种吸水方案进行水泵实际安装高 程比选。 3． 1真空泵抽真空充水 结合公式 2 ， 计算得 H 允吸 2． 46 m。根据规范 要求， 考虑应留有一定的安全裕量 一般取 0． 5 m ， 则 由公式 3 计算得出水泵安装高程为［ 安］2． 46 － 0． 5 778． 6 780． 56 m 此为水泵启动的最大允许安 装高程 。选水泵抽真空充水实际安装高程为 780． 50 m≤［ 安］ ， 此为抽真空吸水方式水泵实际安装高程。 采用公式 6 进行水环式真空泵选型计算。取系 数K为 1． 1， 计算得出Zs 780． 5 －778． 6 1． 9 m。 从 而 W 1． 1 11． 45 0． 4 /3 9． 4/ 9． 4 － 1． 9 5． 45 m3/min。 选用水环式 2BEX103 系列真 空泵 2 台 1 用 1 备 ， 额定气量为 5． 7 m3/min ， 额定 功率为 11 kW， 真空泵转速为 1 450 r/min。 表 2真空泵选型计算相关参数 泵站地面 高程/m 河底 高程/m 河面最低 运行水位/m 河面最高 水位/m 引水 时间/min 水泵叶轮 半径/m 进水管 管径/m 引水管总 长度/m 出水管 管径/m 出水管 长度/m 当地 P 大汽/m 当地 P 汽/m 784．2778．0778．6 夏季水位780．0 春秋水位3．00．25DN500 钢管15．6DN400 钢管2．09．40．24 39 人民长江2011 年 3． 2自灌充水 半地下室安装 若采用自灌充水方式来启动水泵， 并且满足在最 低运行水位 778． 6 m 时的吸水要求， 则水泵需满足公 式 4 、 5 的条件要求。公式 4需满足 安≤ 780． 56 m ［ 安］ 。则满足最低运行水位时的淹没 叶轮启动， 水泵的最大安装高程不得超过公式 5 的 条件要求 安≤778． 6 －0． 25 778． 35 m。综合以上 两个条件， 可以得出水泵的实际安装高程 安 778． 35 m。 由以上两种比较结果可知， 若采用真空引水式吸 水方式， 水泵的实际安装高程安提高了 780． 5 － 778． 35 2． 15 m， 从而使泵房的开挖深度也相应减小， 大大减少了泵房的开挖成本。 4结 语 结合某灌区给水泵站真空泵设计选型的实例， 分 析了真空泵在给排水泵站中的水力性能，最终得出如 下结论 1采用真空泵吸水方式可以有效降低水泵发生 汽蚀的可能性。 2可以提高水泵的吸水性能， 从而降低水泵的 最低启泵水位。 3提高了泵站水泵的实际安装高程， 可以大大 减少地下泵房的开挖成本。 4可为给排水泵站工程中真空泵的选型及计算 提供设计参考。 参考文献 ［ 1］倪望青， 闫铁伦， 陈健， 等． 液环式真空泵在大型常减压装置上的 应用［J］． 石油化工设备技术， 1998， 191 22 －24． ［ 2］王桂芹． 液环式真空泵性能的影响因素探讨［J］． 石油仪器， 2003， 17 3 51 －52． ［ 3］任建松， 陈淳． 液环泵在常减压蒸馏装置真空系统的应用分析 ［J］ ． 石油化工设计， 2003， 20 1 33 －35． ［ 4］GB/T 50265 － 97 泵站设计规范［C］ ． 北京 中国计划出版社， 1997． ［ 5］王福军． 水泵与水泵站［ C］ ． 北京 中国农业出版社， 2005． 编辑 赵秋云 Type selection and its application of vacuum － pump in water supply and drainage pump station QIU Xiangyu， WANG Mingguang， DING Feng Beijing Institute of Water， Beijing 100048， China AbstractThe startup of pumps requires sound water absorption conditions in order to avoid pump cavitation． The advantages and disadvantages and the application scope of several water absorption modes commonly used in the startup of pumps are ana- lyzed． Meanwhile，the relationship between the elevation of pump installation and vacuum － pumping height of the vacuum － pumping is given，and the type selection and principle of vacuum － pumping of the water ring vacuum － pump is also studied． Combined with the examples，the advantages and disadvantages of vacuum － pump in its application in the water supply and drainage system of the pump station is provided， which can provide reference for the design of type selection of vacuum － pump in water supply and drainage pump station． Key words vacuum － pump;elevation of pump installation;cavitation;type selection;water supply and drainage pump sta- 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 tion 上接第 76 页 Fractal study on sediment concentration distributions in Yangtze River and Yellow River NI Zhihui， ZHANG Xujin， XU Runsheng Southwestern Research Institute of Water Transportation Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400016， China AbstractIn order to analyze the sediment concentration distributions of the sediment － laden flow in terms of flow internal structure，the vertical distribution laws of sediment concentration in the natural rivers are explored from the perspective of fractal scale based on the measured data of the Yangtze River and Yellow River． The results show that the vertical distributions of sedi- ment concentration in the natural rivers has a second － order accumulated variable － dimensional and fractal phenomenon， and the fractal dimension can reflect the uniity of the sediment concentration distribution，the greater the dimension is，the more uni- the sediment concentration distribution is． The fractal dimension of vertical distribution of sediment concentration of Yangtze River is smaller than that of Yellow River，and the dimensions at different locations of the same river are different;the dimension sizes is related to the sediment particle diameter，water depth and so on． Key words variable dimension;fractal dimension;sediment concentration;vertical distribution;Yangtze River;Yellow River 49