廖昌果，楊星龍

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

1 概述

宋莊泵站是引黃濟(jì)青工程第2級(jí)泵站，位于壽光市田柳鎮(zhèn)宋莊村西北500m處。1987年動(dòng)工，1989年建成通水。 泵站設(shè)計(jì)為堤身式結(jié)構(gòu)、肘型進(jìn)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(jī)層、聯(lián)軸層、水泵層、流道層。 泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程9.37m，設(shè)計(jì)流量34.5m3/s。 泵站共設(shè)9臺(tái)機(jī)組：主機(jī)組7臺(tái)套，選用1400HD-9 混 流 泵， 設(shè) 計(jì) 流 量5.6m3/s， 配 套10kV 720kW同步電動(dòng)機(jī)；調(diào)節(jié)機(jī)組2臺(tái)套，選用800HW-12型臥式混流泵，設(shè)計(jì)流量1.9m3/s，配套10kV 315kW異步電動(dòng)機(jī)。

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，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(shí)，真空破壞閥自動(dòng)打開(kāi)，排除受壓氣體如圖1。水流翻過(guò)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(shí)水泵揚(yáng)程高出設(shè)計(jì)揚(yáng)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(fù)壓，水位也隨著逐漸升高，當(dāng)水流將虹吸管內(nèi)的氣體全部帶走， 此時(shí)虹吸管內(nèi)充滿水形成虹吸。 機(jī)組停機(jī)時(shí)，真空破壞閥開(kāi)啟，空氣通過(guò)真空破壞閥進(jìn)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(shí)現(xiàn)斷流，機(jī)組在沒(méi)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(jī)組啟動(dòng)過(guò)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(kāi)閥性能，機(jī)組運(yùn)行時(shí)真空破壞閥應(yīng)嚴(yán)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(jìn)入虹吸管，將引起機(jī)組振動(dòng)，功率增加，降低機(jī)組效率。 機(jī)組停機(jī)時(shí)，真空破壞閥應(yīng)可靠打開(kāi)，空氣進(jìn)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(jī)組停機(jī)時(shí)不能破壞虹吸而有效斷流，會(huì)引起機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間倒轉(zhuǎn)，影響機(jī)組安全。 所以停機(jī)時(shí)，如果真空破壞閥不能自動(dòng)打開(kāi)，操作人員需及時(shí)手動(dòng)打開(kāi)真空破壞閥或手動(dòng)打開(kāi)進(jìn)氣旁通閥，如果打開(kāi)手動(dòng)閥仍然沒(méi)有破壞真空，需立即砸碎真空破壞閥有機(jī)玻璃。

宋莊泵站真空破壞閥采用的是氣動(dòng)式真空破壞閥，其配套的供氣系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、儲(chǔ)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(jī)兩臺(tái)1主1備，平時(shí)運(yùn)行時(shí)1臺(tái)在運(yùn)行狀態(tài)，1臺(tái)在備用狀態(tài)， 空壓機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)供氣母管上的兩個(gè)電接點(diǎn)壓力表上下限自動(dòng)啟停運(yùn)行。 始終保持氣罐壓力維持在0.3～0.6MPa， 當(dāng)壓力降到0.3MPa時(shí)空壓機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)壓力降到0.25MPa時(shí)備用空壓機(jī)啟動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)壓力上升到0.6MPa時(shí)切除。 真空破壞閥的開(kāi)啟壓力為0.3～0.6MPa，各供氣分管通過(guò)電磁閥與真空破壞閥活塞下腔相通， 當(dāng)人工手動(dòng)開(kāi)啟手動(dòng)球閥或打開(kāi)電磁閥時(shí)， 氣壓推動(dòng)活塞打開(kāi)真空破壞閥。 當(dāng)人工手動(dòng)關(guān)閉手動(dòng)球閥或關(guān)閉電磁閥時(shí)， 壓力降低活塞在彈簧力作用下自動(dòng)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(wèn)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(jī)是活塞式空壓機(jī)，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(jī)械密封不嚴(yán)、漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重、工作效率低，空壓機(jī)補(bǔ)氣頻繁，電能消耗大。 保護(hù)裝置用的自動(dòng)化元件如電磁三通閥、 壓力傳感器、電接點(diǎn)壓力表、安全閥等自動(dòng)化元件維護(hù)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(jì)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(shí)，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(kāi)后，氣路不能導(dǎo)通，機(jī)組停機(jī)時(shí)不能有效打開(kāi)真空破壞閥。各機(jī)組供氣分管上的電磁三通閥經(jīng)常不能動(dòng)作， 造成停機(jī)時(shí)機(jī)組倒轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)， 每次停機(jī)時(shí)都需要人工去打開(kāi)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(gè)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(jìn)行登記備案， 并定期進(jìn)行檢驗(yàn)， 由于歷史原因，這個(gè)問(wèn)題一直不能解決，這兩個(gè)壓力氣罐存在較大的安全隱患，對(duì)泵站的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理帶來(lái)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(jī)帶來(lái)的機(jī)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(shí)真空破壞閥自動(dòng)打開(kāi)，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(lái)很大不便。

3 改造措施及方案

由于宋莊泵站氣動(dòng)式真空破壞閥在使用中出現(xiàn)以上問(wèn)題，宋莊泵站在參考、借鑒和實(shí)地考察國(guó)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(jī)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(yùn)行指令時(shí)， 主副手輪電磁閥操作機(jī)構(gòu)開(kāi)始跟工作閥軸向左快速移動(dòng)， 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(jī)構(gòu)不工作， 工作彈簧開(kāi)始作用閥軸向右移動(dòng)閥瓣與閥座分離打開(kāi)在負(fù)壓作用下， 大氣經(jīng)空氣腔進(jìn)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(kāi)閥、通電關(guān)閥示意圖

壓力平衡式真空破壞閥操作簡(jiǎn)單， 使用前先將手動(dòng)手輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，至閥瓣與閥座完全打開(kāi)位置，合上控制電源， 可以通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)就地和遠(yuǎn)方控制轉(zhuǎn)換。 如果電氣控制系統(tǒng)收到停機(jī)指令后未能自動(dòng)打開(kāi)，應(yīng)迅速切斷電源，以箭頭所示方向，扳動(dòng)緊急開(kāi)閥手柄或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手動(dòng)打開(kāi)， 直至虹吸破壞。如果電氣控制系統(tǒng)收到開(kāi)機(jī)指令后，閥門不能自動(dòng)關(guān)閉，應(yīng)先將電源切斷，再將手輪操作機(jī)構(gòu)保險(xiǎn)銷拔起， 順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)手動(dòng)治閥瓣與閥座閉合， 實(shí)現(xiàn)虹吸。 控制系統(tǒng)修復(fù)后，手動(dòng)必須恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，否則閥門無(wú)法控制。

壓力平衡式真空破壞閥應(yīng)具備如下特點(diǎn)：①改變傳統(tǒng)的氣動(dòng)開(kāi)閥方式， 采用蓄能彈簧直接打開(kāi)，系統(tǒng)故障率小，可靠性高。 水泵運(yùn)行時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)裝置吸合，關(guān)閥彈簧受壓儲(chǔ)能，水泵停運(yùn)時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)裝置同步，蓄能彈簧作用于開(kāi)閥。 ②電磁驅(qū)動(dòng)裝置采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，可與水泵同步運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，已與機(jī)組實(shí)現(xiàn)plc硬件連鎖，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)、監(jiān)控、保護(hù)功能。 ③采用壓力平衡式關(guān)閥機(jī)構(gòu)，閥門運(yùn)行時(shí)閥腔內(nèi)外存在壓力差，作用在關(guān)閥機(jī)構(gòu)上的大氣壓力相互平衡，相互抵消，所需開(kāi)閥動(dòng)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(yùn)行。 改造前后性能比較：①宋莊泵站水泵機(jī)組的真空破壞閥由氣動(dòng)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(yùn)行穩(wěn)定。 ②氣動(dòng)式真空破壞閥需要空壓機(jī)和氣罐由空壓機(jī)進(jìn)行打氣和補(bǔ)壓， 空壓機(jī)的啟動(dòng)和停止油氣罐壓力自動(dòng)控制，空壓機(jī)如不能自動(dòng)啟動(dòng)，值班人員需及時(shí)手動(dòng)打開(kāi)真空破壞閥，或?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)氣，如果氣罐的壓力低于設(shè)定值還會(huì)影響到機(jī)組的正常停機(jī)和事故停機(jī)，甚至?xí)绊懕谜镜陌踩\(yùn)行。而壓力平衡式真空破壞閥采用蓄能彈簧直接打開(kāi)，系統(tǒng)故障率小，可靠性高。 ③由氣動(dòng)式虹吸破壞閥改為真空破壞閥后，控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，壓力平衡式真空破壞閥不需要空壓機(jī)和氣罐， 不但節(jié)約了兩臺(tái)空壓機(jī)和兩個(gè)儲(chǔ)氣罐的設(shè)備， 且空壓機(jī)和儲(chǔ)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(jiǎn)單可靠，易于維護(hù)。 ④由氣動(dòng)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(diǎn)壓力表、安全閥等自動(dòng)化元件，壓力平衡式真空破壞閥采用蓄能彈簧直接打開(kāi)， 不需要自動(dòng)化元件進(jìn)行控制，不但大大減少了維護(hù)工作量，而且運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

壓力平衡式真空破壞閥經(jīng)運(yùn)行實(shí)踐， 提出以下兩點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)意見(jiàn)。

（1）壓力平衡式真空破壞閥在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，電磁線圈通電，閥門關(guān)閉。 所以在機(jī)組啟動(dòng)階段，氣體無(wú)法排除， 將會(huì)增加啟動(dòng)功率， 一般和時(shí)間繼電器配合，真空破壞閥控制箱收到機(jī)組斷路器合閘信號(hào)后，一般將延時(shí)給電磁線圈通電，時(shí)間設(shè)置5～8s，躲過(guò)啟動(dòng)時(shí)間。

（2）壓力平衡式真空破壞閥在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，電磁線圈通電，閥門關(guān)閉?，F(xiàn)場(chǎng)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(huì)引起控制箱失電，電磁線圈不工作，真空破壞閥打開(kāi)， 引起機(jī)組運(yùn)行不安全。 為了增強(qiáng)可靠性，在出水室配電總箱應(yīng)加裝雙電源開(kāi)關(guān)，一路取自低壓柜抽屜，一路取自UPS系統(tǒng)。