開(kāi)放和封閉式管道系統的泵送方案
當流體流經(jīng)管道時(shí)，不同的流體會(huì )帶來(lái)不同的問(wèn)題。石油和天然氣會(huì )出現穩定性問(wèn)題，并對環(huán)境造成危害，而水存在著(zhù)衛生問(wèn)題。KSB公司的Wolfgang Rosler博士在本文介紹了針對開(kāi)放式和封閉式管道的不同泵送方案。
從水力學(xué)角度看，水的泵送更具有挑戰性，因為它們不像石油或天然氣一樣可以壓縮。在啟動(dòng)和停機時(shí)，緊急制動(dòng)或流速的改變都可能對管道造成影響。為將壓力變化控制在一定范圍內，泵送系統必須帶有設計精良的波動(dòng)控制設備。
流體的日流速或日流量是輸水系統設計的基礎。被泵送介質(zhì)的流速不會(huì )超過(guò)2米/秒，在此流速下，水壓損失與泵站和管道的初期投入之間的比值是正的。橫截面較小的兩條并聯(lián)管路之間流速通常會(huì )被分開(kāi)，特別是在日流量較高的場(chǎng)合，供應的穩定性或地形的復雜程度至關(guān)重要。
開(kāi)放式結構
將介質(zhì)從一個(gè)水庫分段泵送到下一個(gè)相隔很遠的水庫，就是所謂的開(kāi)放式系統。這段距離由大量的泵站和水庫連接起來(lái)。因此，從水力學(xué)角度講，系統中的一系列單個(gè)系統彼此之間并不是直接相連的。
圖1. 用于A(yíng)l Hunayy工程的RDLO型變頻驅動(dòng)泵
封閉式結構
封閉式系統是完全不同的。管路中間的泵站是該管路的一個(gè)組成部分。這種類(lèi)型的系統不需要在中間的泵站（即增壓站）設置緩沖槽，因此比開(kāi)放式結構的建造成本低；也無(wú)需使用處理設備去除水中的生物雜質(zhì)；也就沒(méi)有相應的維護成本。較低的液壓損失以及相應節約的能源也降低了總運營(yíng)成本。
除了這些優(yōu)勢，這些更復雜的自動(dòng)系統也有不足之處，系統的設計必須非常安全。但泵站之間可能發(fā)生的控制和通訊系統的完全癱瘓不會(huì )導致整個(gè)系統的停機。在低流量范圍內，系統可以手動(dòng)運轉。
在較高的功率下或系統滿(mǎn)負荷運轉時(shí)，必須借助自動(dòng)的監測/控制和通信系統。這種水平的系統狀態(tài)不能手動(dòng)控制。雖然存在這些缺點(diǎn)，但封閉式系統的生命周期成本仍低于開(kāi)放式系統。
經(jīng)過(guò)證實(shí)的技術(shù)
世界上修建了許多封閉式的輸水系統，但是連接Al Jubayl海水淡化工廠(chǎng)和利雅得（Riyadh）之間的管道才是真正意義上的第一條封閉式管道。該管線(xiàn)包括六座相互連接的泵站，正常運轉壓力為45 bar，輸送距離為450公里，成功地執行著(zhù)輸水任務(wù)。（圖3）。
圖3. 沙特阿拉伯半島地區的幾條管路詳圖
KSB負責供應各種水泵和閥門(mén)以及流體力學(xué)工程設備，廣泛參與了這種系統的建造。利雅得市的Al Hunayy水輸送工程總共采用了32臺RDLO 35-690A和RDL 350-620 A2型增壓泵，這些泵每天將36萬(wàn)立方米的飲用水從距離首都利雅得170公里外輸送到Riyadh High Point（圖1）。
四個(gè)并列的雙聯(lián)泵站相距大約40-50公里，通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)的DN 1.2米管道輸送所需的水量，壓力等級為PN25和PN16。
從水力學(xué)和控制角度看，它們完全是獨立運轉的。這種布置很好地平衡了預期生命周期成本、穩定運行所需的設備成本和供水的穩定性。
除了Al Hunayy工程，KSB還參與了利比亞C319開(kāi)放式管道、沙特阿拉伯Hofuf開(kāi)放式管道和塞爾加內Mehke封閉式系統的建設。
加速和減速
封閉式輸水系統運行的第一個(gè)條件就是可靠的通訊系統。在所謂的預啟動(dòng)階段。所有的閥門(mén)位置、入口水位和輔助系統，即冷卻水供給、潤滑、通風(fēng)和冷卻系統都要經(jīng)過(guò)檢查。當所有系統檢查完畢正常運轉后，第一個(gè)泵站的一臺泵會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，傳輸并激活啟動(dòng)信號（圖2）。
圖2. 第一個(gè)泵站的3D圖
第一臺泵很快達到全速運轉，隨著(zhù)轉速的增加，監控系統如監測到泵的轉速超出允許的運轉范圍，并聯(lián)管路內的第二臺泵就會(huì )自動(dòng)運轉。如此一來(lái)，第一條管路中流動(dòng)的水會(huì )提升第二個(gè)泵站入口處產(chǎn)生的介質(zhì)壓力。一旦達到預先設定的壓力值，第二個(gè)泵站中的一臺變頻驅動(dòng)泵就會(huì )開(kāi)始運轉。
處于運轉狀態(tài)的泵的轉速和數量與可變的感應介質(zhì)壓力保持一致，只要整個(gè)系統處于全速運轉狀態(tài)，這一起始壓力就會(huì )保持恒定。
因此，第一個(gè)泵站的啟動(dòng)過(guò)程是由流速控制的，而其他所有增壓泵站是由感應介質(zhì)壓力控制的。水力系統一旦穩定下來(lái)，感應介質(zhì)壓力就會(huì )固定在系統設計者所計算出的數值上，以提高流速。
同時(shí)還要考慮泵的NPSH和輸入功率。如果感應介質(zhì)壓力需要降低，控制系統會(huì )自動(dòng)提高增壓泵的轉速。這會(huì )增加泵送流體的流速。為了可以對管路中所發(fā)生的程序進(jìn)行細微的調節，降低感應介質(zhì)壓力的方法在管路建造之前就采用CFD模擬進(jìn)行過(guò)仔細測試。
電力故障風(fēng)險
如果系統全速運轉時(shí)發(fā)生電力故障，增壓泵站內部將受到低壓波和過(guò)壓波的沖擊。這兩種現象是相互伴隨的，對整個(gè)系統會(huì )造成重大危害。
快速開(kāi)啟閥可以將水釋放到環(huán)境中，從而減輕過(guò)壓波的強度。低壓波則會(huì )導致管道內部的氣蝕，通�？梢酝ㄟ^(guò)足夠高的感應介質(zhì)壓力來(lái)避免這一情況。在開(kāi)放式輸送系統中，管道末段也會(huì )發(fā)生這種現象，但強度不同。
為了以可控模式將整個(gè)系統停下來(lái)，程序被反了過(guò)來(lái)。增大設定的感應介質(zhì)壓力使增壓泵的轉速降低，一直到泵最終停機。流速在這一過(guò)程中不斷下降，系統最終會(huì )停止運轉。
總結
封閉式輸水管路是管道工程中最新的技術(shù)。因為這種系統中不需要中間的儲水槽或水處理設備，其建造成本更低，生命周期成本也較低。此種系統的唯一個(gè)缺點(diǎn)是需要非常精確的脈動(dòng)控制和通訊設備。
但是，現在借助目前的信息技術(shù)，這些問(wèn)題都可以解決，封閉式系統的優(yōu)勢會(huì )戰勝這些缺點(diǎn)。
