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2.1.1吸水管下端装底阀
在吸水管的下端装底阀是水泵引水的传统方式,其目的是截留住吸水管内的灌水或存水,以供启泵时用。
老式底阀主要有升降式和旋启式两种,如H12x、H42x、H46x系列产品,均采用橡胶垫和平面密封的形式,常会漏水。
梭式底阀是新产品,主要特点是内流道和密封分开,并采用了断流环结构,密封面为带角度的锥面、止水效果好。
升降式底阀和梭式底阀直径不大于300mm,旋启式底阀最大直径为500mm,故底阀一般都用在中小型水泵的吸水管上。
(1)人工引水
人工引水是将水从泵顶的引水孔灌人泵内,同时打开排气闷,这种引水方式费力,启动水泵时间长,只适用于临时性供水且为小泵场合[2]。
1)对于进水管直径小于300mm的小型泵站,在进水管的进口通常设有底阀,一般多采用人工灌水法,即从水泵壳上部的专用灌水排气孔处由灌水漏斗灌水;
也可以从水泵的出水管口(出水管路较短的泵站)向泵中灌水。
由于无需购买其它灌水设备,在农村的小型泵站中,这种灌水方法的使用还比较普遍。
2)不设底阀、逆止阀且管路较短的小型泵站,也可以采用一边启动,一边从出水管口向水泵内灌水的办法,从而把水泵和管路中的空气逐渐带出。
这种引水方法,一般连续灌水几分钟后,水泵即可正常抽水工作[1]。
(2)压水管引水
当压水管内经常有水,且水压不大而无止回阀时,直接打开压水管上的闸阀、将水倒灌泵内。
如压水管中的水压大且在泵后装有止回阀时,直接打开闸阀引水就不可行,而需在送水闸阀后装设一旁通管引人泵壳内,旁通管上设有闸阀(见图1)。
引水时开启旁通管上的闸阀,水充满泵后,关闭旁通管上的闸阀。
这种引水
方式设备简单,一般适用于中小型水泵。
图1压水管引水装置
(3)高架水箱灌水
2.1.2水上式底阀
上式底阀克服了普通底阀因胶垫容易损坏引起漏水,克服了在水下不易检修的缺点,安装维修方便,使用水上式底阀要求水泵水平吸水管段应有足够的长度,以保证水泵充水启动后,管路中能产生足够的真空度,使水池中的水在大气压力下进人吸水管,完成引水启泵过程,当吸程大时需2一3次充水启动完成引水(见图2)。
水平吸水管的长度确定方法如下:
根据气体定律:
P1V1=P2V2
式中:
P1一水泵启动前吸水立管中的气体压力,取P1=10mH2O;
V1一水泵启动前吸水立管中的气体容积,取V1=
/4
d2
H(m3);
P2一水泵启动后吸水管内的压力,取P2=10
Hs(mH2O),Hs为水泵允许最大吸上高度;
V2一水泵启动后在吸上水时吸水管内的容积,取V2=
(L+H)(m3)。
代人气体定律可得L=HHS/(10
HS)
上述计算未考虑吸水管的水力损失,流速水头以及水泵填料漏气等因素,水平吸水管的实际长度L、还需乘上修正系数K,K值见表1。
表1
HS23456
K22.22.53.03.8
图2水上底阀引水装置
2.2吸水管不带底阀
2.2.1真空泵引水
对于进水管直径大于300mm的大、中型或自动化要求程度较高的泵站,真空抽气装置是常用的一种灌水设备。
它由真空泵和其它设备组装而成,排灌站经常采用、的真空泵大多为水环式真空泵,如图3所示。
水环式真空泵的圆柱形泵壳内安装一个偏心的牙状叶轮。
泵壳内注有循环水,在抽真空时,叶轮旋转,由于离心力的作用,泵壳内的循环水被甩至叶轮四周,在泵壳内壁形成一个旋转水环。
又因叶轮是偏心安装在泵壳内的,因此水环与牙状叶片之间所形成的空间大小不同。
叶轮顺时针方向旋转时,其右半部分两叶片之间的空间逐渐增大,在密闭条件下,随着空气体积的增大,压力随之降低,形成真空,水泵和管路内的空气通过吸气管,进人真空泵泵壳右侧的月牙形吸气口被吸人真空泵,真空泵叶轮左半部分两叶片之间的空间是逐渐减小的,因此空气被压缩,压力随之增高,最后通过真空泵泵壳左侧月牙形排气口排出真空泵,进人水气分离箱,使被带出的循环水分离后再重复使用。
叶轮不停地旋转,真空泵就不断地吸气和排气,最后将水泵充满水[1]。
真空泵引水有直接抽气引水和真空吊水两种形式。
(1)真空泵直接抽气引水。
每次启动水泵时,先启动真空泵,等泵顶充水后,再启动水泵,并停止真空泵。
真空泵必须控制一定的液面高度,使偏心叶轮旋转时能形成适当的水环和空间,真空泵液面可由循环水箱内液面控制,一般为泵壳直径的2/3高。
真空泵一般应设气水分离器,对于清水泵站气水分离器可与循环补充水箱合并;
对于取水泵房,尤其是原水含沙量较高时,为避免泥沙进人真空泵,气水分离器和循环补充水箱应分开。
真空泵可根据所需要的抽气流量和最大真空值选用。
(2)真空吊水。
真空吊水是真空泵引水的另一种方式,它使停止运行的水泵经常处于真空状态。
真空吊水时其真空泵抽气量较直接抽气引水时小,一般可根据水泵吸水管口径及水泵台数来确定真空泵型号。
真空吊水一般只适用于中小型水泵[2]。
真空泵选型的依据主要是泵的排气量Q气(m3/min),可按下式确定:
式中K为漏气安全系数,一般取1.05~1.1;
V为出水管闸阀至进水池水面之间的管道和泵壳内的空气总体积,m3;
Ha为当地大气压的水柱高,m;
Hs为进水池最低水位至泵壳顶部的高度,m;
T为抽气时间,一般为3一5min。
关于真空泵的台数,对于小型泵站,当机组少于3台时,一般选一台,当机组多于4台时,一般选两台;
对于中大型泵站,最好选用两台,当机组较多时,要考虑备用一台。
真空泵灌水的优点是:
灌水时间短、泵站效率高、劳动强度低、易于实现泵站自动化。
缺点是投资较大[1]。
2.2.2水射器引水
水射器引水是利用压力水通过水射器喷嘴处产生高速水流,使喉管进口处形成真空的原理,将水泵内的气体抽走。
因此,水射器工作,必须供给压力水作为动力。
水射器连接于水泵的最高处,在开动水射器前,要把水泵压水管上的闸阀关闭,水射器开始带出被吸的水时,就可启动水泵。
水射器具有结构简单,占空间小,安装容易,工作可靠,维护方便等优点,是一种常用的引水设备。
缺点是效率低,需供给大量的高压水,一般压力水的压力为0.2一0.4MPa。
水射器引水适用于小型水泵,且可自行制造,其各部分尺寸由计算确定[2]。
2.2.3液(气)射流泵引水
用柴油机带动水泵抽水时,可利用柴油机排除的废气通人与水泵顶部相通的射流器,抽气灌水,从而去掉了水泵的底阀,结构如图4所示。
启动时,将和手柄相连的阀盖关闭,废气从射流器喷出,从而通过连管把泵中的空气吸出。
灌水完毕后把阀盖打开,控制阀关闭。
这种灌水方法的好处一是充分利用了动力机,二是提高了泵站的效率[1]。
2.2.4引水筒引水
引水筒宜安装在水泵离吸水池较近的场合,如图5所示。
因为水泵与吸水池离得较远,吸水管的容积较大,此时需要的引水筒的容积也大。
在选用引水筒时需核算引水筒的安装高度和计算引水筒的容积,具体设计计算方法可见有关文章介绍。
图5引水筒引水装置
在使用引水筒时,有时存在初次启泵前灌满水,在反复多次启泵停泵后引水效果不好的现象,分析原因是由于此时吸水管引水筒有空气进入引起,空气进入吸水系统的途径有三条,一是水池中的水在大气压下含溶解空气,进入引水筒气压减小后释放出一部分空气,如果抽走的水不能把解析出的空气全部带走,就会有一部分空气滞留在引水筒上部空间。
二是在停泵期间,由水泵轴填料函处渗入的空气。
三是由吸水管接头和阀门不严引起的空气渗漏。
正是由于空气的进入,使停泵后引水筒内的压力(绝对压力)比前一次停泵时的高,根据气体定律,再次启泵时所需的引水筒内水面上部空间容积比前一次的大,故启泵后液面有所下降,当下降液面一旦接近或低于引水筒出水口顶高时,启泵就不能正常进行,即出现引水效果不好或引不上水的现象,需要打开排气和灌水阀门,重复灌水启泵的过程。
改进的办法可从四个方面考虑:
一是在引水筒出口处设细管,其另一端通引水筒上部空间,利用出水的速度头带走空气。
二是在引水筒后的水平吸水管上装蝶形止回阀或对夹式薄型止回阀,阻止水泵轴填料函渗入的空气进入引水筒。
三是在水泵出水管止回阀、阀门的两端做连接管。
停泵后利用泵后的压力水防止空气从填料函处渗入(当水平吸水管上装止回阀时),见图6。
四是杜绝吸水管接口、阀门的漏气,增加焊接,少用法兰连接,放气阀和灌水阀改用球心阀等气密性阀门[3]。
图6
2.2.5密闭水箱引水
密闭水箱是又一种在吸水管上接贮水容器的引水形式。
它的引水机理是利用存于箱内的水去置换吸水管内的空气,使密闭水箱内产生真空而吸水管灌满了水,以达到引水启泵的目的。
其布置如图7所示。
图7密闭水箱引水
具体操作程序如下:
(1)密闭水箱充水排气:
开阀1、2,关3、4、5、6,水箱满后关1、2。
(2)水管灌水排气:
开阀3、4,关1、2、5、6,水箱和吸水管内的水与空气交换位置后关阀3、4。
(3)启泵:
开阀6。
(4)密闭水箱放空:
开阀5、2。
密闭水箱的容积由下式决定:
(m3)
式中W0—吸水管及水泵的充水容积(m3);
H—水池最低水位距泵顶的高度(m),见图7;
K—安全系数,一般取1.2。
需要注意的是在确定密闭水箱容积时,应按最大一台泵及最远距离的泵来考虑,因为这样才安全。
在选用密闭水箱的上水管和吸水管的注水管时,一般按充水和引水时间不大于5min计算。
水箱上水管的流量可以管内流速大致为1~1.2m/s考虑。
吸水管的注水时间,也即密闭水箱放空水的时间可以用变速流动基本方程式计算,其计算公式如下:
(s)
式中T—水箱放空时间(s);
K—系数;
H1,H2—水箱注水前、后水面距水泵轴线的高差(m);
A—密闭水箱平面面积(m2);
—注水管断面积(m2);
—流量系数;
L,d—注水管的长度和管径(m);
,
—注水管的摩阻系数和局部阻力系数和。
密闭水箱可用在水中含砂粒等杂质的场合,例如污水泵房中,但引水方式其吸水管都不宜太粗太长[3]。
2.2.6真空引水罐引水
尤其适用于小型离心泵,且不受水泵型式(清水泵或污水泵)和抽吸液体性质(清水、污水或其他液体)的影响,具有较多的优越性。
图8真空引水罐引水系统简图
2.2.6.1引水工艺流程
水泵首次启动前,打开补给水管向引水罐内注水,并随之流入水泵壳内,随着引水系统内充水量增加,集聚在水泵、吸水管和引水罐内的气体逐渐由罐体上部的溢流水管和引水罐内的气体逐渐由罐体上部的溢流排气阀排出.待水位上升到罐体顶部的溢流管溢流时,关闭补水阀门及溢流管阀内,此时水泵已完成启动前的引水作业,可进行水泵启动操作。
当水泵启动后,吸入管内的水不断进入泵壳内,随之真空引水罐内贮水量迅速减少,水位急剧下降,当水量减少到一定容量时,由于水体积缩小而气体积相应增大,在定温条件下,其气体在变化过程中容积和压力成反比丁即容积增大的倍数就是压力减少的倍数.随着罐内气体容量的不断增大,气压降低,当气压逐渐由正压降至负压时,罐内开始出现真空状态,水泵的继续运行使罐内的真空度不断提高,当真空值达到真空引水罐最高允许进水高度时,外界的水体在大气压力作用下沿吸水管进人真空引水罐而吸入水泵。
一般短时间水泵停机后再次启动,水泵止回阀阻止压力水回流,但水泵壳内在引水罐吸水立管的高度作用下仍保持一定的吸水头,使泵壳内充满水,可满足水泵再启动时的引水要求,不必重新给水泵中灌水。
若水泵停机时间较长或进行设备检修,可对引水罐实施必要的补水,其方法和前述相同。
2.2.6.2真空引水罐设计计算[4]
2.2.7“鸭管式”无底阀引水
“鸭管式”无底阀引水管路是近年来开发的引水装置。
它的引水机理类同水上式底阀,是利用“鸭颈管”来截留首次启动泵后的存水,供下次启泵时用。
首次启泵前,打开“鸭颈管”顶端的放气阀门与水泵壳顶的放气口,同时打开水平吸水管上的灌水阀门,直至放气阀与放气口均流出水时,关上阀门和放气口,停止灌水准备启泵。
启泵后,随着“鸭颈管”后水平吸水管内水被抽走,管内产生负压(真空度),进而将水池中的水引入吸水管完成引水过程。
停泵后,由于水泵填料函的渗漏,使空气进入吸水管。
吸水管内的真空度逐渐减小,吸水立管内的水柱逐渐下降,直到吸水管内外的压力接近平衡时,空气渗入停止,吸水立管内的水位与水池水位大致持平。
此时,在“鸭颈管”后的水平吸水管内仍存满了水,以供下次启泵时用。
目前,“鸭管式”引水装置还没有成品可购买。
在设计使用时要掌握好以下几个要点:
(1)水泵吸水立管和水平吸水管的容积之比有一定要求一般小于1:
5。
(2)水在吸水立管内的流速不大于3m/s,在水平吸水管内的流速不小于1m/s。
据此来选择吸水立管和水平吸水管的管径。
吸水管管径的大小会改变吸水管的水头损失,进而影响到吸水立管的允许高度,故有时要经过试算才能确定。
(3)根据水池内最低水位、水泵轴中心标高及吸水立管的管径,求出吸水立管的容积,进而求出水平吸水管的容积和长度。
(4)水泵的吸水高度和水平吸水管的长度也不能过高过长,应控制在水池最低水位与水泵轴线的高差与吸水管阻力损失之和小于等于水泵允许吸水高度1/2的范围内。
(5)为使水平吸水管内不存气囊,水平吸水管应有i=0.005的坡度坡向水泵,并在水平管变径处采用偏心大小头。
(6)为减少泵壳顶部的存气,“鸭颈管”内顶应高出泵顶排气堵头0.1m以上。
图9为“鸭管式”无底阀引水管路示意图,表2为满足以上要点常用IS系列离心泵在采用“鸭管式”吸水管时的有关参数值,供参考。
“鸭管式”无底阀引水装置可用来抽升含有砂粒、杂质等有细小颗粒的水,原因是它没有阀式结构,不存在颗粒影响密封的问题[3]。
2.2.8自吸式离心泵的真空引水
自吸式水泵的泵体本身就具有引水功能。
能使泵体产生自吸功能的形式有多种,其中之一就是利用启泵后旋转叶轮产生的离心力,将吸水管内的空气吸入并与初次运行时的灌水掺混成气水混合物,而后在气水分离室进行分离,分离出来的水又回到叶轮内部,继续掺混空气,如此多次循环将吸水管及泵体内的空气排完,完成引水过程。
只要启泵相隔时间不长,再次启泵一般不需再行灌水。
《给水排水设计手册》(第11册)[5]介绍的TC型单级单吸自吸式离心泵就属于这类水泵。
属于这类水泵的还有新近开发的ZW型自吸式无堵塞排污泵,与TC型自吸泵相比,具有效率高,自吸功能强,无堵塞,能抽升含较大颗粒的介质等特点,故不仅适用于清水,也可用于提升废水或粪便污水;
自吸泵的另一种结构型式是将喷射装置和离心泵结合组成一体的射流式清水泵,如JET型自吸泵,由于喷射装置产生的真空度较高,水泵的吸上高度最高能达9.sm,缺点是流量较小,效率较低;
自吸泵的再一种结构型式是在泵离心工作级前部装有水环真空引水级,用来抽除泵及吸水管路中的空气,将水引至泵工作叶轮实现自吸。
泵启动后,真空引水管路首先工作,引上水后离心工作级开始作功。
安排在两级间的抽气管路上串联着自动切换阀,可自动实现两级顺序动作的工作切换。
离心级正常工作后,真空级处于接近空载的工况下继续运转。
近两年开发的XFZ型自吸式水泵即属此种结构形式的泵。
初次运行前只需加1L水,以后15d内每次启泵就不必再加水。
XFZ型自吸泵的流量和扬程范围较适合于作消防泵,同时也可用于生活给水或高层建筑用水[3]。
常用自吸式水泵的品种和性能见表3。
3结语
综上所述,各种引水方式特点(优缺点),适用条件见下表[2]。
参考文献
[1]张志光,骆德年.离心泵灌水方法探讨.排灌机械.第21卷,第5期.
[2]吴文珍,谢勇.试论水泵引水方式.江西铜业工程.NO.3,1998.
[3]水浩然,李树斌.水泵引水装置浅析.给水排水.NO.10,1995.
[4]陈黎明.小型离心泵真空引水罐引水系统的分析与设计计算.内蒙古电力技术.1995年第3期.
[5]《给水排水设计手册》(第11册).
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