惠南莊泵站變頻器外部冷卻水系統(tǒng)改造設計

王耿

（南水北調中線干線工程管理局，北京 100038）

惠南莊泵站變頻器外部冷卻水系統(tǒng)改造設計

王耿

（南水北調中線干線工程管理局，北京 100038）

惠南莊泵站是南水北調中線工程向北京市輸水的關鍵性工程，在機組試運行過程中，出現(xiàn)變頻器內部換熱器被冷卻水中雜質堵塞，導致機組故障停機的情況。為消除故障，對變頻器冷卻系統(tǒng)進行了改造設計和施工，設計方案采用雙冷源間接冷卻方式，同時對外部冷卻水溫度進行控制。

泵站；變頻器；冷卻水；改造；設計

1 惠南莊泵站基本情況

1.1 工程概況

惠南莊泵站是南水北調中線工程北京段渠首處的一座大型加壓泵站，是北京段實現(xiàn)管涵加壓輸水的關鍵控制性工程，也是南水北調中線工程中唯一的泵站。水泵機組于2015年5月試運行，2015年7月投入使用。

泵站進口4孔平板閘門，后接前池，總容積8.72萬m3，在泵站主廠房布置8臺水泵機組，單側采用2臺或3臺并聯(lián)運行方式。水泵型式為臥式單級雙吸離心泵，其中6臺工作，2臺備用，水泵單機功率7300 kW，流量為10 m3/s，揚程為26.52～58.20 m。為適應上游來水流量從20～60 m3/s的區(qū)間變化，保持泵站穩(wěn)定運行，水泵需作變速運行以調節(jié)流量，為此每臺水泵-電動機機組均配備獨立的變頻器，變頻器選用瑞士ABB公司生產的ACS6000型中壓變頻產品。

1.2 改造前變頻器冷卻系統(tǒng)

泵站設置一套技術供水系統(tǒng)，采用直接供水方式，為水泵機組及變頻器提供冷卻水源。技術供水從泵站進水池兩側分路取水，兩路進水管接濾水器，匯至進水總管，分別接6路支管，經水泵加壓后匯總至出水總管。由出水總管引出8路水泵電動機冷卻水支管和1路變頻器冷卻水支管，其中變頻器冷卻水支管再分為8路，分別為8臺變頻器提供冷卻水。技術供水系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 技術供水系統(tǒng)布置圖

2 變頻器冷卻系統(tǒng)改造的提出

在泵站試運行過程中，曾出現(xiàn)機組因變頻器冷卻系統(tǒng)水流量低報警而故障停機的情況。經過對設備拆解仔細檢查，故障原因為變頻器的板式換熱器堵塞，導致變頻器內部循環(huán)冷卻回路水流不暢，設備部件溫度過高而停機。后經檢查分析表明，雜質來源為泵站前池即南水北調渠道水中植物類絮狀物。當夾帶這類雜質的水流經過變頻器內部的窄流道板式換熱器時，長時間大流量通過造成換熱器板片堵塞，導致變頻器內部溫度升高報警，繼而跳閘停機。

南水北調水來自距北京市千里之外的丹江口水庫，屬于天然水。持續(xù)監(jiān)測表明，其水質為Ⅱ類水，并且大部分指標達到Ⅰ類水的標準，對于城市供水而言，屬于優(yōu)質水源。對于天然水中雜質，粗略地可以按其顆粒大小分為3類：懸浮物、膠體和溶解物質，通常將大于100 nm的顆粒稱為懸浮物，包括泥沙、黏土、動植物的肢體等［1］。對于精密設備水冷卻系統(tǒng)來說，由于水中絮狀物的存在，如果監(jiān)控不到位、處理不及時將可能造成機組故障停機?；菽锨f泵站為南水北調中線進京的節(jié)點性工程，也是全線唯一一座泵站，其安全運行對向首都穩(wěn)定供水起著至關重要的作用。而消除或控制上游來水的雜質在技術上不具操作性，因此必須在泵站內部對水質進行控制。另一方面，經過復核，廠家對變頻器外部冷水的溫度要求是5～28℃，而實際上，通過往年實際測量可知，泵站前池水最高溫度已經超過了29℃，不能滿足設備的制冷要求，需要進行冷卻處理。因此，必須對原有的外部冷卻水系統(tǒng)進行改造，以滿足設備運行對水質和水溫的雙重要求，進而保證機組的安全穩(wěn)定運行。

3 變頻器水冷單元散熱量計算

變頻器為間接熱交換散熱方式，外接循環(huán)冷卻水進入變頻器板式換熱器后，與變頻器內部冷卻水系統(tǒng)進行換熱。變頻器換熱原理圖見圖2。

圖2 變頻器熱交換原理圖

泵站共設8臺相同型號變頻器。廠家提供的產品說明書標明，單臺變頻器最大發(fā)熱量為233 kW，其中由水冷單元（變頻器內部自帶板式換熱器）負擔217 kW的散熱量，其他熱量通過元件與空氣直接交換散熱。同時，產品要求的變頻器外部冷卻供水溫度范圍為5～28℃，最小流量為420 L/min（25.2 m3/h）。

8臺變頻器為6用2備方式，運行方式要求最少啟動4臺運行；根據(jù)廠家工藝要求，在變頻器處于熱備用狀態(tài)時，無論是否投入運行，必須為變頻器提供外部冷卻水，以保證其內部冷卻水的電導率維持在合格水平。由此計算，8臺變頻器最小供水流量為100.8 m3/h，最大供水流量為201.6 m3/h，水冷單元最大散熱量為1 302 kW。

按照變頻器散熱最不利工況—變頻器進口溫度28℃，流量25.2 m3/h，變頻器散熱量217 kW/臺計算，由以下水的比熱容公式可求得變頻器供回水溫差△t：

Q=c×m×Δt

式中：Q：熱量（kJ=kW·s）；

C：水的比熱容（kJ/（kg·℃）），取4.2；

m：水的質量（kg）25m3/h流量換算為7kg/s；

△t：溫差（℃）；

變頻器供回水溫差Δt為7.41℃，回水溫度t為35.41℃。

4 改造方案的選擇

冷卻過程是工業(yè)生產全過程的一部分，它與全過程有密切關系，其各項參數(shù)是根據(jù)全過程來確定的。另外，冷卻過程也是工業(yè)生產全過程和環(huán)境之間的一個環(huán)節(jié)，由于冷卻介質的取用、消耗及排放而影響環(huán)境。目前常用的冷卻方式有直流冷卻、循環(huán)冷卻以及直流冷卻與循環(huán)冷卻聯(lián)合運行。循環(huán)冷卻的主要優(yōu)點是降低水的消耗量。直流冷卻與循環(huán)冷卻聯(lián)合運行是對直流冷卻的發(fā)展，其主要優(yōu)點是降低直流冷卻水源的負擔。

4.1 方案選取原則

（1）作為泵站的技術供水系統(tǒng)，系統(tǒng)選擇要首先考慮泵站的穩(wěn)定運行，冷卻系統(tǒng)要充分保證系統(tǒng)安全。

（2）系統(tǒng)方案應考慮節(jié)能，并盡可能利用前池水。

4.2 方案設計目標

綜合上述分析，冷卻系統(tǒng)改造工程應該實現(xiàn)以下目標功能：

（1）解決原水對現(xiàn)有設施的堵塞問題；（2）解決夏季水溫超高問題。

4.3 方案分析

4.3.1 溫度分析

根據(jù)上年度泵站前池溫度實測數(shù)據(jù)，其全年最高溫度為30.6℃。但由于實測數(shù)據(jù)不連續(xù)且年份偏少，不能完全作為設計依據(jù)。因此需參照相關水體溫度予以估算確定。有關參照值見表1。

表1 北京周邊及水源地湖海水體溫度統(tǒng)計表

由表1可知，在夏季最熱的7～9月份，丹江口水庫水經過1 276 km地上明渠進入惠南莊泵站前池，其水溫將幾乎肯定會超過28℃。在這種情況下，將無法利用泵站前池原水對變頻器進行直接冷卻，需考慮另外的冷源。

4.3.2 水質處理

要解決水中雜質問題，可考慮對水體進行物理處理，主要有格柵法、沉砂池、離心機、沉淀池、過濾、氣浮等方案［3］。但綜合考慮占地、運行維護、造價等多方面因素，在已經建成的泵站內新建以上工程已較為不可取。

4.4 改造方案選擇

在泵站現(xiàn)有工程技術條件下，初步選定“抽取深層井水直接冷卻”、“前池冷源處理后冷卻”、“復合冷源間接冷卻”3種方案。因封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)不直接暴露于空氣中，水量損失小，水質處理方法簡單、維護容易，同時，使用冷卻塔兼有蒸發(fā)散熱過程，提高了冷卻效率［4］，因此，經過經濟技術比選，選用“復合冷源間接冷卻系統(tǒng)方案”。

在復合冷源組合方面，又可考慮兩種方案：

（1）冷水機組加寬通道板式換熱器方案，夏季極熱時采用冷水機組，其他季節(jié)采用前池原水經寬通道板式換熱器間接制冷；

（2）冷水機組加冷卻塔方案，放棄使用原水，使外部循環(huán)水完全封閉運行，徹底解決水質堵塞的隱患。

為保證供水的高度可靠性，經比選決定選用冷水機組加冷卻塔方案。

5 改造工程設計

5.1 總體設計

在原有技術供水系統(tǒng)的基礎上進行改進，徹底解決水質差、水溫超高的問題，并提高系統(tǒng)的可靠性。復合冷源間接冷卻系統(tǒng)，其工藝流程見圖3。

圖3 復合冷源間接冷卻系統(tǒng)流程簡圖

復合冷源間接冷卻系統(tǒng)增設閉式冷卻塔和板式換熱器，用閉式循環(huán)水取代前池水，解決水質問題。增設風冷式冷水機組，在冷卻塔降溫不滿足要求時啟動，解決冷卻水溫度超限問題。變頻器內部換熱器出水由閉式冷卻塔降溫后，經冷卻水循環(huán)泵依次進入冷凍水換熱器、變頻器內換熱器。如果圖中a點水溫高于28℃，開啟冷水機組降溫，如果圖中a點水溫低于28℃，冷水機組不啟動，僅靠冷卻塔完成變頻器降溫。

5.2 工藝設計

5.2.1 冷卻塔選型

冷卻塔采用閉式冷卻塔，2用1備，單臺冷卻塔盤管內冷卻水流量為100.8 m3/h；冷卻塔進口水溫為33.554℃，出口水溫為28℃，在濕球溫度25℃時，單臺冷卻塔換熱量不低于651 kW。

5.2.2 冷卻水循環(huán)泵選型

變頻器水冷單元與冷卻塔循環(huán)管路上，設置3臺循環(huán)水泵，2用1備，單臺水泵流量125 m3/h、揚程55 m。

5.2.3 風冷式冷水機組選型

風冷式冷水機組選型時考慮原水供水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，冷水機組可以單獨運行，完成變頻器降溫任務，并根據(jù)北京地區(qū)極端空氣溫度41.9℃選型。本工程變頻器所需冷卻水溫度較高，因此制冷機的冷凍水供回水溫度設定為9/14℃，以提高制冷機制冷效率。在最不利工況下，制冷機系統(tǒng)需提供1 302 kW冷量。

5.2.4 冷凍水循環(huán)泵選型

設置冷凍水循環(huán)泵4臺，3用1備，單臺水泵流量120 m3/h、揚程25 m。

5.2.5 冷凍水換熱器選型

冷凍水換熱器按冷凍水流量257.3 m3/h，供回水溫度9/14℃；循環(huán)冷卻水以流量201.6 m3/h，供回水溫度33.56/28℃；換熱量1 302 kW進行選型。

5.3 系統(tǒng)控制及配電

5.3.1 自動控制及監(jiān)測

考慮到改造后的冷卻系統(tǒng)規(guī)模較大，制冷及交換設備臺數(shù)較多，各部分之間相距較遠并存在工況轉換和運行調節(jié)，同時為實現(xiàn)節(jié)能和保證安全可靠運行的目的，對新增的冷卻系統(tǒng)采用現(xiàn)地控制與遠程集中控制相結合的方式［4］?，F(xiàn)地電動控制主要通過設備廠家自帶現(xiàn)地控制盤柜來實現(xiàn)，其控制方式可不依賴于泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與遠程控制PLC而獨立工作，即當遠程控制PLC出現(xiàn)故障時，工作人員依然可以通過設備現(xiàn)地控制盤柜上的控制按鈕實現(xiàn)設備的啟、停操作。

設置冷卻系統(tǒng)PLC控制柜，對冷水機組、冷卻塔、循環(huán)泵狀態(tài)的進出口水溫、壓力參數(shù)及設備啟停狀態(tài)進行監(jiān)測［5］，對設備進行自動控制和調節(jié)。同時，該PLC系統(tǒng)與泵站SCADA系統(tǒng)通過MB+通信接口連接，上傳系統(tǒng)運行參數(shù)及狀態(tài)，實現(xiàn)在泵站中控室遠方監(jiān)視。自控設備安裝應在工藝設備安裝量完成80%后開始進行［6］。

5.3.2 配電

改造新增設備容量較大，經負荷計算，對原配電盤柜回路開關進行了增容更換，同時新增冷卻水循環(huán)泵、冷凍水循環(huán)泵配電控制柜各1面，新增冷卻塔配電柜3面，其中對冷卻水循環(huán)泵和冷卻塔風扇進行變頻控制。

5.4 設備布置

綜合考慮泵站變頻器位置及原有設備布置情況，將冷水機組、冷卻塔等大型設備布置在泵站廠房室外，其中，冷卻塔間距除滿足通風要求外，還應滿足管溝、道路防火以及施工和檢修場地要求［7］。其他循環(huán)泵、板式換熱器及控制柜布置在室內靠近變頻器的位置。設備間水管埋地布設，進行防腐處理；動力電纜利用原有電纜橋架并新建室外電纜溝敷設。

6 改造施工及效果

為了使惠南莊泵站盡快投入使用，發(fā)揮南水北調中線工程的效益，管理單位科學組織項目施工，合理調配資源，采用加班作業(yè)。嚴格執(zhí)行相關規(guī)范，其中，冷水機組采用基礎驗收、運輸?shù)跹b、機組就位、配管、質檢、調試的工序，并對基礎避震采用焊接固定；3臺冷卻塔水平及垂直度偏差控制在2/1000范圍內［8］。從故障發(fā)生、制定改造方案到項目實施，前后僅用了60 d時間將改造后的冷卻系統(tǒng)投入使用，泵站試運行得以順利恢復進行。

經歷一個夏、秋和冬季應用，改造工程運行穩(wěn)定，各項性能指標完全達到了預期目標，變頻器進口溫度控制在20±3℃范圍內。為惠南莊泵站穩(wěn)定運行和南水北調中線工程向北京市供水發(fā)揮了關鍵的作用。

相信經過更長時間的使用考驗，積累更多的運行經驗和數(shù)據(jù)，可為國內類似工程提供有益借鑒。

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TV675

B

1672-5387（2016）07-0068-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.023

2016-02-26

王 耿（1971-），男，高級工程師，從事水利水電工程電氣、自動化、信息系統(tǒng)建設及運維管理工作。