當流體流經(jīng)管道時，不同的流體會帶來不同的問題。石油和天然氣會出現(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。

　　從水力學角度看，水的泵送更具有挑戰(zhàn)性，因為它們不像石油或天然氣一樣可以壓縮。在啟動和停機時，緊急制動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)必須帶有設計精良的波動控制設備。

　　流體的日流速或日流量是輸水系統(tǒng)設計的基礎。被泵送介質(zhì)的流速不會超過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被分開，特別是在日流量較高的場合，供應的穩(wěn)定性或地形的復雜程度至關重要。

開放式結構

　　將介質(zhì)從一個水庫分段泵送到下一個相隔很遠的水庫，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，從水力學角度講，系統(tǒng)中的一系列單個系統(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)動泵

封閉式結構

　　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）設置緩沖槽，因此比開放式結構的建造成本低；也無需使用處理設備去除水中的生物雜質(zhì)；也就沒有相應的維護成本。較低的液壓損失以及相應節(jié)約的能源也降低了總運營成本。

　　除了這些優(yōu)勢，這些更復雜的自動系統(tǒng)也有不足之處，系統(tǒng)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(tǒng)的完全癱瘓不會導致整個系統(tǒng)的停機。在低流量范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以手動運轉(zhuǎn)。

　　在較高的功率下或系統(tǒng)滿負荷運轉(zhuǎn)時，必須借助自動的監(jiān)測/控制和通信系統(tǒng)。這種水平的系統(tǒng)狀態(tài)不能手動控制。雖然存在這些缺點，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)過證實的技術

　　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。（圖3）。

圖3. 沙特阿拉伯半島地區(qū)的幾條管路詳圖

　　KSB負責供應各種水泵和閥門以及流體力學工程設備，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）。

　　四個并列的雙聯(lián)泵站相距大約40-50公里，通過兩個并聯(lián)的DN 1.2米管道輸送所需的水量，壓力等級為PN25和PN16。

　　從水力學和控制角度看，它們完全是獨立運轉(zhuǎn)的。這種布置很好地平衡了預期生命周期成本、穩(wěn)定運行所需的設備成本和供水的穩(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。

加速和減速

　　封閉式輸水系統(tǒng)運行的第一個條件就是可靠的通訊系統(tǒng)。在所謂的預啟動階段。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、通風和冷卻系統(tǒng)都要經(jīng)過檢查。當所有系統(tǒng)檢查完畢正常運轉(zhuǎn)后，第一個泵站的一臺泵會自動啟動，傳輸并激活啟動信號（圖2）。

圖2. 第一個泵站的3D圖

　　第一臺泵很快達到全速運轉(zhuǎn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，監(jiān)控系統(tǒng)如監(jiān)測到泵的轉(zhuǎn)速超出允許的運轉(zhuǎn)范圍，并聯(lián)管路內(nèi)的第二臺泵就會自動運轉(zhuǎn)。如此一來，第一條管路中流動的水會提升第二個泵站入口處產(chǎn)生的介質(zhì)壓力。一旦達到預先設定的壓力值，第二個泵站中的一臺變頻驅(qū)動泵就會開始運轉(zhuǎn)。

　　處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)的泵的轉(zhuǎn)速和數(shù)量與可變的感應介質(zhì)壓力保持一致，只要整個系統(tǒng)處于全速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，這一起始壓力就會保持恒定。

　　因此，第一個泵站的啟動過程是由流速控制的，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(tǒng)一旦穩(wěn)定下來，感應介質(zhì)壓力就會固定在系統(tǒng)設計者所計算出的數(shù)值上，以提高流速。

　　同時還要考慮泵的NPSH和輸入功率。如果感應介質(zhì)壓力需要降低，控制系統(tǒng)會自動提高增壓泵的轉(zhuǎn)速。這會增加泵送流體的流速。為了可以對管路中所發(fā)生的程序進行細微的調(diào)節(jié)，降低感應介質(zhì)壓力的方法在管路建造之前就采用CFD模擬進行過仔細測試。

電力故障風險

　　如果系統(tǒng)全速運轉(zhuǎn)時發(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，對整個系統(tǒng)會造成重大危害。

　　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度。低壓波則會導致管道內(nèi)部的氣蝕，通�？梢酝ㄟ^足夠高的感應介質(zhì)壓力來避免這一情況。在開放式輸送系統(tǒng)中，管道末段也會發(fā)生這種現(xiàn)象，但強度不同。

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

總結

　　封閉式輸水管路是管道工程中最新的技術。因為這種系統(tǒng)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(tǒng)的唯一個缺點是需要非常精確的脈動控制和通訊設備。

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