一种适用于高扬程水泵压水启动的控制系统及方法与流程

1.本发明涉及利水电工程技术领域，具体为一种适用于高扬程水泵压水启动的控制系统及方法。


背景技术：

2.大型高扬程水泵机组的起动包括压水启动和带水启动。压水起动方式是电动机带动叶轮启动前，利用压缩空气将叶轮和蜗壳的水位压制至叶轮下，使锥管中水位下降到一定水位范围，水位线距叶轮下平面最优距离为.～.倍吸水管出口直径，开始启动电动机带动叶轮快速达到额定转速，开始排出空气，水位上升，叶轮开始工作，达到一定条件，打开水泵出口工作球阀，将水抽向出水池。
3.目前国内外大型高扬程泵站压水启动的实例较少，抽水蓄能电站调相压水具有成熟的经验，其调相压水系统由水机设备、尾水管水位量测系统、压气机排气阀门系统及其控制系统、水环形成及排放和蜗壳平压及其控制系统组成。相对于抽水蓄能机组而言，水泵机组没有活动导叶，水泵压水时，需要同时压掉蜗壳、蜗壳至球阀处的管路、叶轮室及吸水管出口段流道的水，压水体积的大小远大于抽水蓄能电站机组所能，对制气存储系统装置的选型带来一定的挑战，且由于蜗壳及吸水管出口段流道顶部高程高于顶盖或底部高程低于座环下平面高程，如何确保这部分水体的压下或排出以及如何安全地排气充水成为工程设计的一大难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高扬程水泵机组压水启动的控制系统及方法，有效克服了水泵机组因没有活动导叶而在水泵压水时压水体积远大于抽水蓄能电站机组的难题。
5.本发明提供一种适用于高扬程水泵压水启动的控制系统，包括制气存储系统和工作系统；
6.所述制气存储系统包括串联的空压机和气罐，所述空压机用于向气罐内充入压力气体，所述气罐与工作系统连接用于向工作系统中输出压力气体；
7.所述工作系统包括水泵以及分别与水泵连接的压气管路和排水管路，所述水泵通过压气管路与气罐连接，所述压气管路上设置有用于将压入水泵的气体排出的排气管路；
8.所述压气管路包括第三压气管路和第四压气管路，所述第三压气管路和第四压气管路分别连接至水泵的前盖板和后盖板处。
9.通过空压机预先向气罐中充入一定量的压力气体，将压力气体通过水泵的前盖板和后盖板分别压入，能够从两个方向分别将水泵中的水完全压出，确保蜗壳及其出口流道顶部高程高于顶盖的部分水体顺利压下，和底部高程低于座环下平面高程的部分水体顺利压下，为压水启动提供保障，有效克服了水泵机组因没有活动导叶而在水泵压水时压水体积远大于抽水蓄能电站机组的问题。
10.进一步地，所述压气管路包括第一压气管路、第二压气管路，所述排气管路包括第
一排气管路、第二排气管路，所述第一压气管路和第二压气管路并联，所述第一压气管路通过三通接头与第三压气管路和第一排气管路连接，所述第二压气管路通过三通接头与第四压气管路和第二排气管路连接，所述第一压气管路和第二压气管路上均设置有防止水倒流的止回阀。
11.所述第一压气管路和第二压气管路上设置的止回阀一方面能够防止上游的水通过排气管路倒流至制气存储系统中，保障运维人员的生命安全；另一方面，压水以及水泵空转完成后能够保证进入水泵中的水不会从压气管路倒流至制气存储系统中。
12.进一步地，所述排气管路的一端与压气管路连接，另一端延伸至水泵的取水口最高水位以上。
13.将排气管路延伸至水泵的取水口最高水位以上，能够防止上游的水从排气管路进入。
14.进一步地，所述排水管路一端与水泵连接另一端与水泵的进水管连接。
15.水泵的进水管处接的是取水口的下游位置，水压较低，通过压力气体将水泵中的水引向水泵的进水管处，能够保证压水更加容易，减小压力气体的用量以及压力。
16.进一步地，所述空压机通过串联管路与气罐连接，所述串联管路上设置有第二常开阀、第三常开阀以及设置在第二常开阀和第三常开阀之间的第二止回阀，所述串联管路上并联设置有支路管路，所述支路管路上设置有第一常闭阀。
17.通过设置第二常开阀和第三常开阀便于第二止回阀的检修，通过设置支路管路能够保证第二止回阀检修时空压机仍能通过支路管路对气罐进行补气，提高系统的可靠性。
18.进一步地，所述空压机为中压空压机，所述气罐的容积设置为在60min内能够完成两次压水启动的操作，且保证两次压水启动后气罐的压力保持在正常工作压力下限值到允许最低压力值之间。
19.对气罐和空压机的选型中，需要保证的一次充气完成后气罐在60min内能够完成两次压水启动的操作且保证两次压水启动后气罐的压力保持在正常工作压力下限值到允许最低压力值之间，保证气罐结构的安全性。
20.本发明还提供一种适用于高扬程水泵压水启动的控制方法，包括以下步骤：
21.s1、关闭水泵出口阀门；
22.s2、打开空压机向气罐充气，使得气罐达到工作压力，关闭空压机；
23.s3、将气罐中的压力气体从水泵的前盖板和后盖板处充入水泵，将蜗壳内的水、蜗壳至水泵出口阀门处的水、叶轮室以及吸水管出口段的水通过排水管路压出水泵；
24.s4、启动电动机拖动水泵空转至100％额定转速，并网调相；
25.s5、将水泵中的压力气体通过排气管路排出，直至水泵中充满水，关闭排气管路；
26.s6、打开水泵出口阀门，水泵进行抽水，完成水泵压水启动。
27.进一步地，所述步骤s2中，空压机向气罐内充入的气体能够供水泵在60min内完成两次压水启动，且完成两次压水启动后气罐内的压力会保持在正常工作压力下限值到允许最低压力值之间。
28.进一步地，所述步骤s3中，将吸水管内的水位压至水泵叶轮前盖板以下2m的位置。
29.预留2m的安全余量，能够防止水位波动对叶轮造成影响。
30.进一步地，所述步骤s5包括水泵中的水位已浸没叶轮且排气管路中的水与上游水
位平齐后关闭排气管路。
31.排气管路中的水与上游水位平齐，能够保证叶轮已完全浸没在水中且气体已全部从水泵中排出。
32.本发明的有益效果为：
33.1.本发明通过空压机预先向气罐中充入一定量的压力气体，将压力气体通过水泵的前盖板和后盖板分别压入，能够从两个方向分别将水泵中的水完全压出，确保蜗壳及其出口流道顶部高程高于顶盖的部分水体顺利压下，和底部高程低于座环下平面高程的部分水体顺利压下，为压水启动提供保障，有效克服了水泵机组因没有活动导叶而在水泵压水时压水体积远大于抽水蓄能电站机组的问题。
34.2.本发明通过合理选型，即选用中压空压机，额定工作压力为8.0mpa，气罐的公称压力8.0mpa，容积为10m3，使得气罐能够完成两次压水启动，在60min内恢复为下次压水操作所需要的压力，且能够在中压空压机不启动且完成两次压水启动后气罐的压力保持在正常工作压力下限值到允许最低压力值之间。
35.3.本发明通过将排气管路延伸至水泵的取水口最高水位以上，能够防止上游的水通过排气管路倒流至制气存储系统中，且在第一压气管路和第二压气管路上设置止回阀，压水以及水泵空转完成后能够保证进入水泵中的水不会从压气管路倒流至制气存储系统中，保障运维人员的生命安全。
36.4.本发明通过设置第二常开阀、第二止回阀、第三常开阀，第二止回阀设置在第二常开阀、第三常开阀之间，使得第二止回阀故障时能够关闭第二常开阀、第三常开阀对第二止回阀进行检修，通过设置支路管路，使得第二止回阀进行检修时，通过打开支路管路上的第一常闭阀保证空压机向气罐补气，提高了系统的可靠性。
37.5.本发明通过将排水管路与水泵的进水管连接，水泵的进水管处接的是取水口的下游位置，水压较低，通过压力气体将水泵中的水引向水泵的进水管处，能够保证压水更加容易，减小压力气体的用量以及压力。
38.6.本发明通过观察检测水泵中水位高度的液位计以及排气管路中的水与上游水位平齐，来保证叶轮已完全浸没在水中且气体已全部从水泵中排出。
附图说明
39.图1为本发明控制系统的结构示意图；
40.图2为本发明控制方法的流程框图；
41.附图标记：1-制气存储系统；2-工作系统；3-空压机；4-气罐；5-空压机输出管路；6-第一止回阀；7-第一常开阀；8-串联管路；9-第二常开阀；10-第三常开阀；11-第二止回阀；12-支路管路；13-第一常闭阀；14-第六常开阀；15-气体输入管路；16-第四常开阀；17-气体输出管路；18-第五常开阀；19-压力传感器；20-压力变送器；21-排污管路；22-第二常闭阀；23-水泵；24-总压气管路；25-第一压气管路；26-第二压气管路；27-第三压气管路；28-第四压气管路；29-第一排气管路；30-第二排气管路；31-排水管路；32-第七常开阀；33-第三止回阀；34-第八常开阀；35-第四止回阀；36-第三常闭阀；37-第四常闭阀；38-气体扩散减压装置；39-液位计；40-第九常开阀；41-前盖板；42-后盖板；43-叶轮室；44-座环；45-顶盖；46-蜗壳；47-水泵出口阀门；48-扬水管；49-吸水管；50-进水管；
具体实施方式
42.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
43.如图1所示，如图1所示，一种适用于高扬程水泵压水启动的控制系统，包括制气存储系统1和工作系统2，所述制气存储系统1通过存储中压气体向工作系统2输送中压气体，使得工作系统2进行压水启动；
44.所述制气存储系统1包括串联的空压机3和气罐4，本实施例中设置有五个空压机3和两个气罐4，五个空压机3之间并联，两个气罐4之间并联，每个空压机输出管路5上均先后设置有第一止回阀6和第一常开阀7，所述止回阀能够防止空压机3关闭后气罐4中的气体从空压机输出管路5溢出，所述空压机3通过串联管路8与气罐4连接，所述串联管路8上设置有第二常开阀9、第三常开阀10、第二止回阀11，所述第二止回阀11设置在第二常开阀9和第三常开阀10之间，所述串联管路8上并联有支路管路12，所述支路管路12上设置有第一常闭阀13。五个空压机3中设置一个备用，其他四个正常使用。
45.可以理解的是，正常工作情况下，由空压机3通过第一止回阀6、第一常开阀7、第二常开阀9、第二止回阀11、第三常开阀10将气体充入气罐4，当第二止回阀11发生故障时，将第二常开阀9、第三常开阀10关闭，对第二止回阀11进行检修；当第二止回阀11进行检修时，为了保证空压机3仍能向气罐4进行补气，可将第一常闭阀13开启，保证系统不因第二止回阀11检修而停止工作，提高系统的可靠性。
46.多个并联的气罐4通过第六常开阀14串联，使得各个气罐4内的气压相同，保证气罐4的安全性，每个气罐4通过气体输入管路15与串联管路连通，每条气体输入管路15上均设置有第四常开阀16，每个气罐4通过气体输出管路17与工作系统2连通，所述气体输出管路17上设置有第五常开阀18、压力传感器19、压力变送器20，所述第五常开阀18设置在气罐4和压力传感器19之间。本实施例中，设置有两个气罐4，两个气罐4之间由第六常开阀14连通，不同气罐4内的气压大小均相同，各气罐4之间气压均衡，使得压气过程更为平顺，压力传感器19设置有五个，压力变送器20设置有一个，所述压力变送器20用于将压力信号变为电信号反馈给中控室，用于设备控制；所述压力传感器19仅用于监测、传输压力信号，多个压力传感器19对应不同的压力值，再通过压力变送器20传输控制信号。
47.所述气罐4上还连接有排污管路21，所述排污管路21上设置有第二常闭阀22。
48.由于水泵23机组压水耗气量较大，制气存储系统1采用中压系统，中压系统的公称压力有2.5mpa、4.0mpa、6.3mpa、8.0mpa、10mpa，具体根据耗气量来选择公称压力，本实施例中，所述空压机3为中压空压机3，其额定工作压力为8.0mpa，所述气罐4的公称压力8.0mpa，容积为10m3。
49.通过上述选型，使得压水气罐在60min内可进行两次水泵23的压水启动，即使得压水气罐在60min内恢复为下次压水操作所需要的压力，且能够在中压空压机不启动且完成两次压水启动后气罐的压力保持在正常工作压力下限值到允许最低压力值之间。正常工作压力下限值是指气罐4能够实现两次压气的工作压力的下限值，如果低于该值气罐4将不能实现两次压气，但不影响气罐4的结构安全；允许最低压力值是指气罐4本身所允许的最低压力值，低于该值将影响气罐4结构安全。其中，允许最低压力值远小于正常工作压力下限
值。
50.所述工作系统2包括水泵23、压气管路、第一排气管路29、第二排气管路30以及排水管路31。
51.所述压气管路包括总压气管路24、第一压气管路25、第二压气管路26、第三压气管路27、第四压气管路28，所述总压气管路24一端与气体输出管路17连接，另一端通过三通接头与第一压气管路25和第二压气管路26连接，所述第一压气管路25和第二压气管路26并联，所述第一压气管路25通过三通接头与第三压气管路27和第一排气管路29连接，所述第三压气管路27伸入水泵23至叶轮的前盖板41处，所述第二压气管路26通过三通接头与第四压气管路28和第二排气管路30连接，所述第四压气管路28伸入水泵23至叶轮的后盖板42处，所述第三压气管路27和第四压气管路28用于将气罐4的中压气体充入水泵23进行压水，所述第一排气管路29和第二排气管路30用于将充入水泵23的气体排出。
52.通过将中压气体通过叶轮的前盖板41和后盖板42压入水泵23中，能够将蜗壳46内的水、蜗壳46至水泵出口阀门47处的水、叶轮室43及吸水管49出口段的水通过排水管路31完全压出水泵23，并且能够保证蜗壳46及其出口流道高于顶盖45和低于座环44的部分水体被完全压出水泵23，防止水泵23空转时，水对水泵23产生影响。
53.所述第一压气管路25上设置有第七常开阀32和第三止回阀33，所述第二压气管路26上设置有第八常开阀34和第四止回阀35，所述第三止回阀33和第四止回阀35能防止水泵23中的水通过第一压气管路25和第二压气管路26回流至制气存储系统1，所述第一排气管路29上设置有第三常闭阀36，所述第二排气管路30上设置有第四常闭阀37，所述第一排气管路29和第二排气管路30上均设置有气体扩散减压装置38，所述气体扩散减压装置38能够有效减小所排出中压气体的压力，有效地保障运维人员的生命安全。
54.所述排水管路31一端设置在叶轮后盖板42处，另一端与水泵23的进水管50连通，所述排水管路31上设置有第九常开阀40，所述排水管路31用于将水泵23中的水引出水泵23。
55.所述水泵23连接有液位计39，所述液位计39用于测量水泵23中的水位，以确定水位是否浸没叶轮，达到工作条件。
56.本发明的使用方法：
57.s1、初始状态下，所有阀门均为关闭状态，关闭水泵出口阀门47，水泵23内以及水泵23的扬水管48中充满水。
58.s2、打开四台空压机3，另外一台空压机3为备用，打开四台空压机3的空压机输出管路5上的第一常开阀7，备用的空压机3的第一常开阀7为关闭状态，打开第二常开阀9、第三常开阀10、第四常开阀16、第六常开阀14。四台空压机3对两个气罐4进行充气，当充入气罐4的中压气体达到工作压力后，关闭所有空压机3，关闭第一常开阀7、第二常开阀9、第三常开阀10、第四常开阀16。此时两个气罐4中的中压气体能在60min内完成两次水泵23的压水启动，以符合水泵23压水启动规范标准。
59.s3、打开两个气体输出管路17上的第五常开阀18，打开第七常开阀32、第八常开阀34、第九常开阀40，将气罐4中的中压气体从水泵23叶轮后盖板42和前盖板41充入，将蜗壳46内的水、蜗壳46至水泵出口阀门47处的水、叶轮室43及吸水管49出口段的水通过排水管路31压出水泵23，将吸水管49内的水位压至水泵23叶轮前盖板41以下2m位置。
60.将气罐4中的中压气体从水泵23叶轮后盖板42和前盖板41同时充入，确保蜗壳46及其出口流道顶部高程高于顶盖45的部分水体顺利压下，和底部高程低于座环44下平面高程的部分水体顺利压下。
61.在充气的过程中，气罐4的压力会逐渐减小，完成两次压气后压力会保持在正常工作压力下限值到允许最低压力值之间，不会影响气罐4结构安全。
62.需要说明的是，为减小水泵23空载起动时的水阻力矩，需将水泵23流道内的水压出水泵23的叶轮室43，而叶轮室43最低位置为叶轮前盖板41。为预留一定的安全余量，防止水位波动对叶轮造成影响，因此需要将水泵23流道内的水位压至前盖板41以下2m位置。
63.s4、启动电动机拖动水泵23空转至100％额定转速，之后并网调相，水泵23保持100％额定转速。水泵23的100％额定转速对应电网频率50hz。
64.s5、并网完成后，开始进行排气充水，关闭第五常开阀18、第七常开阀32、第八常开阀34、第九常开阀40，打开第三常闭阀36、第四常闭阀37，中压气体排出，水逐渐进入水泵23中，叶轮室43中的水在上游水位作用下缓缓上升，叶轮室43中的中压气体经过第一排气管路29和第二排气管路30上的气体扩散减压装置38减压后从高于取水口最高水位位置排出，防止取水口的水通过第一排气管路29和第二排气管路30回流至工作系统2中，直至观察到液位计39显示水位已上升浸没叶轮，且叶轮室43中的水进入排气管与上游水位齐平之后关闭第三常闭阀36、第四常闭阀37，确保叶轮已浸没在水中，中压气体已全部排出。
65.s6、打开水泵出口阀门47，水泵23进行抽水。
66.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。