取水泵站吸水井格网冲洗水系统的改造

谢江峡 赵凌

[摘要]兰州城市供水集团制水一厂两座河岸式原水提取泵房中，原水一级提升泵组吸水井内安装的旋转格网所配置的冲洗水系统冲洗强度达不到要求，喷嘴出水压力小，格网冲不干净，当增压泵组出水闸门开启度为30﹪时泵组开始振动，且随出水闸门开启度的增加振动加剧。本文针对出现的现象对整套系统的现状和管路设备配置全面解析，通过水力计算，找出产生问题的原因所在，根据现状和分析结果设计出了系统改造的两套可行性方案，并经经济技术、运行耗能，结合现场施工的技术难易程度，对两套方案比选，最终确定了方案二为最佳冲洗水系统的改造方案。

关键词： 旋转格网  冲洗水系统  冲洗强度  配水支管  喷嘴流速  局部阻力

中图分类号： TU991.35      文献标志码：A

1.概述

格网在以地表水为水源的取水系统中起着拦截水中细小漂浮物的作用。特别在浑水高浊度时期[1]，漂浮物剧增，格网必须连续冲洗运行才能保证取水泵的正常运转。其冲洗效果对取水泵的安全运行有着直接的影响，从而决定着能否保证工艺过程中后续工序的正常进行。

兰州供水集团取水泵房担负着从黄河取水的重任。据设计，上游泵房取水泵组的远期最大运行工况为四运一备共五台泵组;下游泵房取水泵组的远期最大运行工况为五运二备共七台泵组;每台泵组设有彼此独立的单个吸水井，每个吸水井的两个进水口分别设装一台旋转格网。

格网冲洗水系统由水源（一次沉淀池出水）、吸水管路、冲洗泵组、压水管路、格网配水管路、面积为30平方毫米的矩形冲洗喷嘴组成。

根据目前的供水需求，正常情况下上游运行一台泵组，下游运行两台泵组;预计近期最大运行工况为上游运行两台泵组，下游运行三台泵组。

上游泵房扩建工程竣工时：冲洗泵总压水配水管路由原来无变径的DN200钢管改造更新为有变径的DN400®DN300®DN200钢管;原型号为8K-10的1#冲洗泵更新为对应编号的KS350-50型泵;原型号为8K-10的2#泵仍保留;单台泵的进出水管及其闸门规格未变均为DN200;总吸水管路未改造，其规格仍为DN200®DN300®DN200;冲洗水源未变，仍为2#、3#沉淀池出水;更新安装了十台套旋转格网。

下游泵房扩建工程竣工时：冲洗泵总压水配水管路由原来无变径的DN200钢管改造更新为有变径的DN400®DN300®DN200钢管;原型号为6SH-6A的1#冲洗泵仍保留;原型号为6SH-6A的2#、3#冲洗泵更新为对应编号的KS350-50型泵;单台泵的进出水管及其闸门规格未变均为DN200;总吸水管路未改造，其规格仍为DN200®DN300®DN200，沖洗水源未变，仍为8#、9#沉淀池出水;更新安装了十四台套旋转格网。

在浑水期高浊度时，除了运行泵组的格网要求连续冲洗运行外，规定其余所有格网据运行标准间歇运行。

2.存在的问题

2.1 冲洗强度达不到要求，喷嘴出水流速度太小，格网冲不干净;

2.2 在目前系统现状下运行时，当2#或3#冲洗泵在出水闸门开启度为30﹪时开始振动，并随出水闸门开启度的增加而加剧;

2.3 为了能够使用，对2#或3#冲洗泵采用控制出水闸门开启度不超过30﹪的措施运行。然而长期这样以大马拉小车方式维持运行，一则满足不了工艺要求;二则产生汽蚀损坏设备;三则运行效率极低，造成电能的浪费。

3.通过计算对系统进行校核分析

3.1 喷嘴冲洗流量的确定

由于格网的冲洗选用的是喷嘴[2]，其流量的计算可采用消防系统水枪的计算公式即：

公式一 ：

式中  ——为喷嘴的流量，L/s;

——为流速系数，取1;

——为喷嘴的内径，单位为mm;

——为喷嘴前的水压，单位为m.

根据格网冲洗的水压要求，据有关资料[3]一般为2～4kg/cm2，考虑到黄河地表水源在洪峰期时的水质特点及实际情况，现取3.5kg/cm2，.通过将矩形喷嘴断面面积30mm2进行换算，其相当于d=6mm的圆形断面，这样可采用上述公式进行计算。将d=6mm，Hg=3.5kg/cm2代入公式，则：

=0.74L/s=2.67m3/h

由于下游泵房共有七台取水泵，设计最大运行工况为六运一备，此时六台运行泵组的格网需连续冲洗，且每台泵配备两台格网，每台格网的喷嘴为21个，于是总的冲洗水量为Q’，则：

实际运行中按两用一备进行设计，则单台泵的流量，为了选泵的方便取整，即。

3.2 冲洗泵扬程的确定

3.2.1 自由水头H0，据上所述，H0=Hg=35m;

3.2.2 压水管路水头损失hf的确定：

由于冲洗泵的运行不仅取决于格网最不利工况时的冲洗要求，同时还要满足集水槽容纳冲洗水的能力。经对集水槽长度方向各断面的复核计算，在最大设计取水工况且遇浑水期高浊度时只能每六台格网为一组分组进行冲洗，不能实现同时冲洗。此时据计算开启一台Ks350—50冲洗泵正好可满足要求。据目前取水泵组的工艺运行实际情况，已设计安装的两台Ks350—50的泵，从冲洗水量方面而言，一用一备即可满足工艺要求。

由此可见：压水管路的计算管路为距离3#泵最远的喷嘴与其之间形成的管路，计算流量为Q=350m3/h=0.0972m3/s;由于缺乏必要的资料，考虑到配水支管及喷嘴流速较大的现实，局部阻力与沿程阻力相比前者所占比重较大，粗估压水管路的水头损失为3m。

3.2.3 水泵的摩阻hf’的确定，粗估为1m。

3.2.4 吸水管路水头损失hd的确定：

对1-1和2-2断面建立伯诺理方程，设水泵进口压力P1，则：

公式三：

图中虚线所示即为1-1和2-2断面间的水压线[4]，凡是管道位于水压线上部的管段呈负压状态，当压力降至水的饱和蒸汽压时就有气体产生，该气体与水一起进入水泵，并使水泵产生振动。

可见，吸水管路水头损失过大是导致冲洗泵振动的根本原因。

4.提出改造方案

方案一：格网最不利管路喷嘴压力按Hg=3.5kg/cm2计，据上述计算分析冲洗泵采用已设计安装的两台Ks350—50，一运一备分两段冲洗。通过计算分析进行总吸水管路的改造，设法减小吸水管路的阻力，以消除气体产生的环境，保证冲洗泵安全、经济、可靠的运行。

（1）通过计算确定技术上可行，经济上合理的管径DN

对吸水干管而言，取经济流速v经=0.8m/s，Q=350m3/h=0.097m3/s，则：

（2）合理选取管材

从技术方面而言，为了使冲洗泵吸水管路的水头损失足够的小及施工的方便，泵房内的水泵吸水干管考虑到与整体衔接的一致性，采用DN400即外径为426×9的钢管，布设形式与原来室内DN200钢管的布设形式一样，管道长度为30m;泵房内单台冲洗泵的进水管选用DN300钢管，并设DN300蝶阀一台;泵房外的管道部分，考虑到塑料管质轻、易施工、耐腐蚀、水头损失小的特点和在厂内安装覆土地面荷载小的实际情况，以采用DN400PE管为好，管道长度为241m;沿线设两座阀门井，设DN400m碟阀3台，DN100泄水闸阀1台。

从经济性方面而言，经询价：DN400钢管的室外安装工程造价为716元/m;DN400PE管的室外安装工程造价为1000元/m。经性价比分析吸水管路的改造全線采用DN400的钢管相对适宜。

（3）  吸水管路全线采用DN400的钢管改造后的水力计算复核

（4）冲洗泵吸水管路更新改造概算费用为：

DN400的钢管更新安装为271×716元/m=19.4万元;

砌筑两座阀门井为2×3000元/座=0.6万元;

DN400蝶阀安装为3×8000元/台=2.4万元;

DN300蝶阀安装为3×6000元/台=1.8万元;

拆除原有管线、阀门井等人工费0.5万元

完成该项改造项目约需资金24.7万元

方案二：格网最不利管路喷嘴压力按Hg=2.0kg/cm2计，吸水及压水管路均保持原状，以经济流速为约束计算确定吸水管路安全运行的最大流量，据其对现有冲洗泵组进行校核，通过计算分析更新泵组，并确定冲洗方案。

（1）喷嘴冲洗流量的确定

公式四：[6]

将Hg=2.0kg/cm2 =20m ; d=6mm ，代入公式经计算q=0.56 l/s= 2.0 m3/h

（2） 一组格网（两台）冲洗流量V的确定

据上所述  V=2×21×2.0=84 m3/h

（3）吸水管路最大流量Q的确定及其水力校核计算

最大流量Q的确定

按DN300选取其经济流速v=0.78 m/s，则Q=3.14×0.152×0.8=0.055 m3/s=198 m3/h，此时DN200管的流速v=1.75 m/s.

水头损失hw的计算

据上所述 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

水泵进口法兰处的压力p的计算

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

=0.4m

冲洗泵参数（Q，H）及其台数的确定

据上所述 Q=168～198 m3/h，H=25～30m;由于吸水管路流通能力所限，只能选用两台同型号的参数为Q=168～198 m3/h，H=25～30m的泵，一运一备，对现有冲洗泵进行更新。

（4） 冲洗方案的确定

据上所述，格网一次冲洗的组数n=Q/V=198÷84=2.4（组），据此可按如下方案进行冲洗：

浑水期考虑到黄河源水漂浮物较多，格网所需冲洗强度相对较大的特点，每四台为一组进行冲洗;

除浑水期外，由于源水漂浮物较少，格网勿需太大的冲洗强度，因此可允许每六台为一组分组进行冲洗。

（5）改造费用

经询价，选用国产泵组完成此项目需概算资金5万元。

5、最佳实施方案的确定

从技术方面而言，据以上所述，由于客观条件的局限，两方案都不能实现远期最大运行工况时全部连续冲洗运行的要求，但方案一因其冲洗水头足、冲洗强度大，冲洗效果较好，但耗能高;方案二不仅能满足目前及近期冲洗要求，而且耗能低。

从经济方面而言，据概算可知，方案二要比方案一经济得多;且工程量小，施工难度低，工期短，施工过程对生产运行几乎没有影响。

综上所述，从目前及近期来看方案二优于方案一。

6、实施效果

6.1 完全能保证近期生产运行过程中的工艺要求;

6.2 完全能保证设备安全正常运转;

6.3 冲洗泵运行效率比原来提高30%

参考文献

[1]刘建善，浑水河流的河道与防洪特性，水利水电科技进展，000103 2015 Vol.20 No.1 P.10-13，54

[2]顾振兴， 王金娥， 高压自旋转喷头的参数分析与应用 ，科技风， 2016年 第18期

[3]蔡金城， 洒水喷头监测设备， 中国机械， 2016，（3）104-106

[4]徐文忠，陈淑静，尚雅斐，  多热源环网补水定压方式及定压值得确定，区域供热， 2015年01期;王桂丽， 给水管网等水压线的研究及应用，黑龙江科技信息， 2012，（13）231-231

[5] [6] 未碧贵，张洪伟，给水排水管网设计—鸿业市政管线8.0，

作者简介：

谢江峡 （1980.10），男，汉族，甘肃庄浪人，大学本科，工程师，主要从事城市供水（自来水生产）工作。

单位地址：兰州城市供水（集团）有限公司制水一厂（西固环形西路64号）邮编730060