當(dāng)流體流經(jīng)管道時(shí)，不同的流體會(huì)帶來不同的問題。石油和天然氣會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，并對環(huán)境造成危害，而水存在著衛(wèi)生問題。KSB公司的Wolfgang Rosler博士在本文介紹了針對開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(zhàn)性，因?yàn)樗鼈儾幌袷�油或天然氣一樣可以壓縮。在啟動(dòng)和停機(jī)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(nèi)，泵送系統(tǒng)必須帶有設(shè)計(jì)精良的波動(dòng)控制設(shè)備。

　　流體的日流速或日流量是輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。被泵送介質(zhì)的流速不會(huì)超過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，特別是在日流量較高的場合，供應(yīng)的穩(wěn)定性或地形的復(fù)雜程度至關(guān)重要。

開放式結(jié)構(gòu)

　　將介質(zhì)從一個(gè)水庫分段泵送到下一個(gè)相隔很遠(yuǎn)的水庫，就是所謂的開放式系統(tǒng)。這段距離由大量的泵站和水庫連接起來。因此，從水力學(xué)角度講，系統(tǒng)中的一系列單個(gè)系統(tǒng)彼此之間并不是直接相連的。

圖1. 用于Al Hunayy工程的RDLO型變頻驅(qū)動(dòng)泵

封閉式結(jié)構(gòu)

　　封閉式系統(tǒng)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。這種類型的系統(tǒng)不需要在中間的泵站（即增壓站）設(shè)置緩沖槽，因此比開放式結(jié)構(gòu)的建造成本低；也無需使用處理設(shè)備去除水中的生物雜質(zhì)；也就沒有相應(yīng)的維護(hù)成本。較低的液壓損失以及相應(yīng)節(jié)約的能源也降低了總運(yùn)營成本。

　　除了這些優(yōu)勢，這些更復(fù)雜的自動(dòng)系統(tǒng)也有不足之處，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須非常安全。但泵站之間可能發(fā)生的控制和通訊系統(tǒng)的完全癱瘓不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的停機(jī)。在低流量范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　在較高的功率下或系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，必須借助自動(dòng)的監(jiān)測/控制和通信系統(tǒng)。這種水平的系統(tǒng)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(tǒng)的生命周期成本仍低于開放式系統(tǒng)。

經(jīng)過證實(shí)的技術(shù)

　　世界上修建了許多封閉式的輸水系統(tǒng)，但是連接Al Jubayl海水淡化工廠和利雅得（Riyadh）之間的管道才是真正意義上的第一條封閉式管道。該管線包括六座相互連接的泵站，正常運(yùn)轉(zhuǎn)壓力為45 bar，輸送距離為450公里，成功地執(zhí)行著輸水任務(wù)。（圖3）。

圖3. 沙特阿拉伯半島地區(qū)的幾條管路詳圖

　　KSB負(fù)責(zé)供應(yīng)各種水泵和閥門以及流體力學(xué)工程設(shè)備，廣泛參與了這種系統(tǒng)的建造。利雅得市的Al Hunayy水輸送工程總共采用了32臺(tái)RDLO 35-690A和RDL 350-620 A2型增壓泵，這些泵每天將36萬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(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的。這種布置很好地平衡了預(yù)期生命周期成本、穩(wěn)定運(yùn)行所需的設(shè)備成本和供水的穩(wěn)定性。

　　除了Al Hunayy工程，KSB還參與了利比亞C319開放式管道、沙特阿拉伯Hofuf開放式管道和塞爾加內(nèi)Mehke封閉式系統(tǒng)的建設(shè)。

加速和減速

　　封閉式輸水系統(tǒng)運(yùn)行的第一個(gè)條件就是可靠的通訊系統(tǒng)。在所謂的預(yù)啟動(dòng)階段。所有的閥門位置、入口水位和輔助系統(tǒng)，即冷卻水供給、潤滑、通風(fēng)和冷卻系統(tǒng)都要經(jīng)過檢查。當(dāng)所有系統(tǒng)檢查完畢正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，第一個(gè)泵站的一臺(tái)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(tái)泵很快達(dá)到全速運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，監(jiān)控系統(tǒng)如監(jiān)測到泵的轉(zhuǎn)速超出允許的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，并聯(lián)管路內(nèi)的第二臺(tái)泵就會(huì)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。如此一來，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(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力值，第二個(gè)泵站中的一臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)泵就會(huì)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的泵的轉(zhuǎn)速和數(shù)量與可變的感應(yīng)介質(zhì)壓力保持一致，只要整個(gè)系統(tǒng)處于全速運(yùn)轉(zhuǎn)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)過程是由流速控制的，而其他所有增壓泵站是由感應(yīng)介質(zhì)壓力控制的。水力系統(tǒng)一旦穩(wěn)定下來，感應(yīng)介質(zhì)壓力就會(huì)固定在系統(tǒng)設(shè)計(jì)者所計(jì)算出的數(shù)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(yīng)介質(zhì)壓力需要降低，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提高增壓泵的轉(zhuǎn)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(xì)微的調(diào)節(jié)，降低感應(yīng)介質(zhì)壓力的方法在管路建造之前就采用CFD模擬進(jìn)行過仔細(xì)測試。

電力故障風(fēng)險(xiǎn)

　　如果系統(tǒng)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生電力故障，增壓泵站內(nèi)部將受到低壓波和過壓波的沖擊。這兩種現(xiàn)象是相互伴隨的，對整個(gè)系統(tǒng)會(huì)造成重大危害。

　　快速開啟閥可以將水釋放到環(huán)境中，從而減輕過壓波的強(qiáng)度。低壓波則會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)部的氣蝕，通常可以通過足夠高的感應(yīng)介質(zhì)壓力來避免這一情況。在開放式輸送系統(tǒng)中，管道末段也會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，但強(qiáng)度不同。

　　為了以可控模式將整個(gè)系統(tǒng)停下來，程序被反了過來。增大設(shè)定的感應(yīng)介質(zhì)壓力使增壓泵的轉(zhuǎn)速降低，一直到泵最終停機(jī)。流速在這一過程中不斷下降，系統(tǒng)最終會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

總結(jié)

　　封閉式輸水管路是管道工程中最新的技術(shù)。因?yàn)檫@種系統(tǒng)中不需要中間的儲(chǔ)水槽或水處理設(shè)備，其建造成本更低，生命周期成本也較低。此種系統(tǒng)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(shè)備。

　　但是，現(xiàn)在借助目前的信息技術(shù)，這些問題都可以解決，封閉式系統(tǒng)的優(yōu)勢會(huì)戰(zhàn)勝這些缺點(diǎn)。