宋庄泵站真空破坏阀的改造及应用

1 概述

宋庄泵站是引黄济青工程第2级泵站，位于寿光市田柳镇宋庄村西北500m处。1987年动工，1989年建成通水。 泵站设计为堤身式结构、肘型进水流道、虹吸式出水流道、真空破坏阀断流，由主、副厂房及出水室3部分组成。 主厂房自上而下分别为电机层、联轴层、水泵层、流道层。 泵站设计扬程9.37m，设计流量34.5m3/s。 泵站共设9台机组：主机组7台套，选用1400HD-9 混 流 泵， 设 计 流 量5.6m3/s， 配 套10kV 720kW同步电动机；调节机组2台套，选用800HW-12型卧式混流泵，设计流量1.9m3/s，配套10kV 315kW异步电动机。

机组启动时，真空破坏阀全关，虹吸管内水面逐渐上升，翻越驼峰出水，流道内的空气受压出水，流道内的水位接近驼峰时，真空破坏阀自动打开，排除受压气体如图1。水流翻过驼峰后，受重力作用，顺流道内壁下滑与后池水面形成漩涡。 此时水泵扬程高出设计扬程较多，水流具有较大的夹气能力，将虹吸管内的空气卷入水中夹带溢出， 虹吸管内空气逐渐稀薄而形成负压，水位也随着逐渐升高，当水流将虹吸管内的气体全部带走， 此时虹吸管内充满水形成虹吸。 机组停机时，真空破坏阀开启，空气通过真空破坏阀进入虹吸管，破坏形成的虹吸，驼峰至后池段的水体流入后池，实现断流，机组在没有倒转水流冲击水泵叶片情况下，倒转转速逐渐变慢直至停止。

图1 机组启动过程虹吸式出水流道

真空破坏阀的要求：良好的关阀性能和开阀性能，机组运行时真空破坏阀应严密关闭，始终保持出水流道驼峰顶部的真空状态，一旦空气进入虹吸管，将引起机组振动，功率增加，降低机组效率。 机组停机时，真空破坏阀应可靠打开，空气进入虹吸管，破坏虹吸，形成断流。 如果真空破坏阀性能不好，在机组停机时不能破坏虹吸而有效断流，会引起机组长时间倒转，影响机组安全。 所以停机时，如果真空破坏阀不能自动打开，操作人员需及时手动打开真空破坏阀或手动打开进气旁通阀，如果打开手动阀仍然没有破坏真空，需立即砸碎真空破坏阀有机玻璃。

宋庄泵站真空破坏阀采用的是气动式真空破坏阀，其配套的供气系统主要包括空压机、储气罐、电磁阀、逆止阀、截止阀、安全阀、控制指示仪表及配套管路等。 空压机两台1主1备，平时运行时1台在运行状态，1台在备用状态， 空压机控制系统根据供气母管上的两个电接点压力表上下限自动启停运行。 始终保持气罐压力维持在0.3～0.6MPa， 当压力降到0.3MPa时空压机启动，当压力降到0.25MPa时备用空压机启动，并发出报警信号。当压力上升到0.6MPa时切除。 真空破坏阀的开启压力为0.3～0.6MPa，各供气分管通过电磁阀与真空破坏阀活塞下腔相通， 当人工手动开启手动球阀或打开电磁阀时， 气压推动活塞打开真空破坏阀。 当人工手动关闭手动球阀或关闭电磁阀时， 压力降低活塞在弹簧力作用下自动关闭、真空破坏阀关闭，其供气系统如图2。

图2 真空破坏阀供气系统

2 问题出现及原因分析

宋庄泵站真空破坏阀配套的供气系统空压机是活塞式空压机，转速较高，系统结构复杂，体积庞大，存在安全可靠性差、机械密封不严、漏气现象严重、工作效率低，空压机补气频繁，电能消耗大。 保护装置用的自动化元件如电磁三通阀、 压力传感器、电接点压力表、安全阀等自动化元件维护工作量大等缺陷。

宋庄泵站因处于北方地区，冬季气温较低，真空电磁阀及供气管路处于泵站的出水室位置， 供气管路中的压缩气体湿度较大， 且原供气母管及各供气分管倾斜度设计不合理， 造成部分积水在供气分管电磁三通阀处集聚，冬季气温较低时，在电控阀内形成小冰，造成电控阀在先导阀线圈通电打开后，气路不能导通，机组停机时不能有效打开真空破坏阀。各机组供气分管上的电磁三通阀经常不能动作， 造成停机时机组倒转时间过长， 每次停机时都需要人工去打开真空破坏阀。

供气系统压力罐需做安全鉴定， 宋庄泵站出水室真空破坏阀所配套的供气系统配有两个压力气罐，气罐压力0.8MPa，压力罐属于特种设备，应在安检局进行登记备案， 并定期进行检验， 由于历史原因，这个问题一直不能解决，这两个压力气罐存在较大的安全隐患，对泵站的标准化、规范化管理带来较大困难。

供气支管上电磁三通阀线圈是交流220V， 为了防止线路停电停机带来的机组跳闸， 用直流220V控制，但交流220V 线圈在直流电下，很容易发热烧毁，所以为了防止线路停电时真空破坏阀自动打开，在交流220V线圈回路串联了分压电阻， 给真空破坏阀及配套系统带来很大不便。

3 改造措施及方案

由于宋庄泵站气动式真空破坏阀在使用中出现以上问题，宋庄泵站在参考、借鉴和实地考察国内类似工程的真空破坏阀更新改造情况后， 决定真空破坏阀改造采用上海晟江机械设备有限公司生产的新型压力平衡式真空破坏阀。

压力平衡式真空破坏阀的工作原理为： 设备电气控制系统收到运行指令时， 主副手轮电磁阀操作机构开始跟工作阀轴向左快速移动， 阀瓣与阀座像密封水水腔与空气中的大气被隔断形成虹吸， 设备电气控制系统收到停止指令后， 主副电磁阀操作机构不工作， 工作弹簧开始作用阀轴向右移动阀瓣与阀座分离打开在负压作用下， 大气经空气腔进入水腔和主管道相通破坏虹吸现象如图3。

图3 压力平衡式真空破坏阀断电开阀、通电关阀示意图

压力平衡式真空破坏阀操作简单， 使用前先将手动手轮逆时针旋转，至阀瓣与阀座完全打开位置，合上控制电源， 可以通过转换开关实现就地和远方控制转换。 如果电气控制系统收到停机指令后未能自动打开，应迅速切断电源，以箭头所示方向，扳动紧急开阀手柄或逆时针旋转手动打开， 直至虹吸破坏。如果电气控制系统收到开机指令后，阀门不能自动关闭，应先将电源切断，再将手轮操作机构保险销拔起， 顺时钟旋转手动治阀瓣与阀座闭合， 实现虹吸。 控制系统修复后，手动必须恢复到原来的状态，否则阀门无法控制。

压力平衡式真空破坏阀应具备如下特点：①改变传统的气动开阀方式， 采用蓄能弹簧直接打开，系统故障率小，可靠性高。 水泵运行时电磁驱动装置吸合，关阀弹簧受压储能，水泵停运时电磁驱动装置同步，蓄能弹簧作用于开阀。 ②电磁驱动装置采用机电一体化设计，可与水泵同步运行，长时间连续工作，已与机组实现plc硬件连锁，实现远程自动、监控、保护功能。 ③采用压力平衡式关阀机构，阀门运行时阀腔内外存在压力差，作用在关阀机构上的大气压力相互平衡，相互抵消，所需开阀动力小、能耗低。

4 改造效果

2020年12月，宋庄泵站真空破坏阀改造结束，投入运行。 改造前后性能比较：①宋庄泵站水泵机组的真空破坏阀由气动式虹吸破坏阀改为压力平衡式真空破坏阀后， 工作性能更加安全可靠， 运行稳定。 ②气动式真空破坏阀需要空压机和气罐由空压机进行打气和补压， 空压机的启动和停止油气罐压力自动控制，空压机如不能自动启动，值班人员需及时手动打开真空破坏阀，或对其进行补气，如果气罐的压力低于设定值还会影响到机组的正常停机和事故停机，甚至会影响泵站的安全运行。而压力平衡式真空破坏阀采用蓄能弹簧直接打开，系统故障率小，可靠性高。 ③由气动式虹吸破坏阀改为真空破坏阀后，控制系统大为简化，压力平衡式真空破坏阀不需要空压机和气罐， 不但节约了两台空压机和两个储气罐的设备， 且空压机和储气罐的控制电路也被省略，因此压力平衡式真空破坏防控制回路简单可靠，易于维护。 ④由气动式真空破坏阀改为压力平衡式真空破坏阀后，节约了电磁三通阀、压力传感器、电接点压力表、安全阀等自动化元件，压力平衡式真空破坏阀采用蓄能弹簧直接打开， 不需要自动化元件进行控制，不但大大减少了维护工作量，而且运行更加稳定可靠。

5 结语

压力平衡式真空破坏阀经运行实践， 提出以下两点优化改进意见。

（1）压力平衡式真空破坏阀在机组运行时，电磁线圈通电，阀门关闭。 所以在机组启动阶段，气体无法排除， 将会增加启动功率， 一般和时间继电器配合，真空破坏阀控制箱收到机组断路器合闸信号后，一般将延时给电磁线圈通电，时间设置5～8s，躲过启动时间。

（2）压力平衡式真空破坏阀在机组运行时，电磁线圈通电，阀门关闭。现场控制箱的220V低压电源取自低压室出水室抽屉， 一旦抽屉或出水室电缆发生故障，将会引起控制箱失电，电磁线圈不工作，真空破坏阀打开， 引起机组运行不安全。 为了增强可靠性，在出水室配电总箱应加装双电源开关，一路取自低压柜抽屉，一路取自UPS系统。