皂河站冷卻水系統(tǒng)改造可行性分析

吳良宇，汪昊藍

0 引言

泵站輔機系統(tǒng)主要包括油系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)以及排水系統(tǒng)，是保證泵站安全、經(jīng)濟運行所不可缺少的重要組成部分。技術(shù)供水系統(tǒng)主要是向主機組及其輔助設(shè)備供應(yīng)冷卻潤滑水，如同步電動機的空氣冷卻器冷卻用水、推力軸承和上下導(dǎo)軸承的油冷卻器冷卻用水、水泵油導(dǎo)軸承的密封潤滑水和水泵橡膠軸承的潤滑用水等，其中冷卻用水量約占全部技術(shù)供水量的85%左右[1]，冷卻水供應(yīng)既要保證持續(xù)供給，又要滿足設(shè)備冷卻要求。目前，傳統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)存在冷卻水雜質(zhì)多、管路易淤堵、管路復(fù)雜、冷卻效果不穩(wěn)定等問題，影響機組安全運行[2]。皂河抽水站在檢查時發(fā)現(xiàn)也存在這些問題，為了優(yōu)化供水系統(tǒng)，提高供水穩(wěn)定性與可靠性，改善機組運行條件，保障機組安全運行，擬采用冷水機組[3]對系統(tǒng)進行更新改造。

1 工程概況

江蘇省皂河抽水站（以下簡稱皂河站）位于江蘇省宿遷市皂河鎮(zhèn)北5 km處，東臨中運河、駱馬湖，西接邳洪河、黃墩湖，是南水北調(diào)工程的第六梯級站，安裝2臺6HL-70立式全調(diào)節(jié)導(dǎo)葉式混流泵，單臺設(shè)計流量為100 m3/s，抽水能力200 m3/s，配用TL7000-80/7400型立式同步電動機，單機功率7 000 kW，總裝機容量14 000 kW。

2 皂河站冷卻水系統(tǒng)

2.1 供水方式

目前，皂河站技術(shù)供水方式為聯(lián)合供水方式，3臺技術(shù)供水泵，兩臺工作，一臺備用，從下游引河河道取水，經(jīng)供水泵加壓后送至供水母管，然后經(jīng)濾水器LD-250后通過管網(wǎng)的干管、支管分送至各機組的電動機空氣冷卻器、上導(dǎo)軸承和推力下導(dǎo)軸承的油冷卻器、水導(dǎo)軸承油冷卻器和主軸密封用水。管道中裝有壓力表、電接點、示流信號器和各種水表，用以監(jiān)視供排水管路的水壓、水流。供水系統(tǒng)見圖1。

圖1 皂河站供水系統(tǒng)圖

2.2 存在問題

皂河站在2012年更新改造工程實施時，對所有供水管路進行了更換，但是在2017年3月2日進行的汛前檢查時發(fā)現(xiàn)示流信號計處管路淤堵嚴重（見圖2），管路淤堵易導(dǎo)致供水管水壓力達不到要求，影響冷卻效果，危及機組安全運行。

圖2 管路淤堵情況

經(jīng)分析，管路淤堵主要原因為以下幾點：

（1）供水水源為下游引河河道，引河河道內(nèi)水源泥沙含量高、雜物及水生生物較多，雖然取水口處裝有蓮蓬頭，管路中有濾水器進行過濾，但是并不能完全濾清水流，機組長期運行造成管路淤堵；

（2）示流信號計內(nèi)機構(gòu)阻水造成水流流態(tài)變化形成淤堵，時間一長會加重，甚至?xí)斐烧麄€管路淤堵。

此外，供水水源的水溫受外界環(huán)境影響，波動大，造成冷卻效果極不穩(wěn)定，影響機組安全運行。

如果要解決這些問題，唯一途徑是改變水源，減少泥沙和雜物含量，穩(wěn)定水溫，但是在目前這種取水方式下是不可能實現(xiàn)的，因而可以考慮在冷卻水系統(tǒng)中使用冷水機組，利用冷卻水可循環(huán)使用的特點，采用循環(huán)供水方式[4]，通過系統(tǒng)內(nèi)安裝的冷水機組帶走機組運行時產(chǎn)生的熱量，達到有效散熱冷卻的目的，從而改善機組運行條件。

3 采用冷水機組對冷卻水系統(tǒng)進行優(yōu)化改造

3.1 冷卻水系統(tǒng)改造可行性分析

江蘇省泗陽第二抽水站原技術(shù)供水系統(tǒng)由于水源水質(zhì)不佳，經(jīng)常導(dǎo)致供水系統(tǒng)管道阻塞，致使供水管水壓力達不到要求，供水量不足，影響機組冷卻效果，其幾經(jīng)技術(shù)改造最終采用了風(fēng)冷冷水空調(diào)機組供水與廊道清水循環(huán)供水的改造方案，極大改善了機組的運行條件，提高了技術(shù)供水的安全性和可靠性。睢寧二站在技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計時，對比之后選擇封閉循環(huán)式技術(shù)供水方式，將循環(huán)使用的冷卻水加壓后至冷水機組冷卻，再供給各個需水對象[5]。

在參考了一些大型泵站的技術(shù)供水系統(tǒng)改造方案之后[6-8]，皂河站為了解決管路淤堵問題，擬在供水系統(tǒng)中增加ZWLQ-30軸瓦冷卻機組，改用封閉循環(huán)式供水方式，對冷卻水系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。下面從皂河站主機組冷卻用水量和發(fā)熱量兩方面進行分析，研究冷卻水系統(tǒng)改造方案的可行性。下表是單臺機組設(shè)計用水量表。

根據(jù)表1，可知單臺主電機合計冷卻水流量226.5 m3/h，按進水溫度26℃，出水為28℃，進出水溫差2℃計算，需冷量＝226.5×（28-26）/0.86＝526.75 kW。皂河站有2臺機組，共需制冷量1 053.50 kW，機組冷卻水流量為453 m3/h。

表1 單臺機組各項用水量表

為了準確測量單臺機組實際用水量，在1＃主機組管道上安裝水表，測量出實際用水量見表2，并同時記錄2臺機組相應(yīng)時段進水溫度和出水溫度，溫度記錄見表3。

根據(jù)表2機組運行時測量數(shù)據(jù)，可知各部位用水量：上油缸約2 m3/h，下油缸28 m3/h，空冷器120 m3/h，水導(dǎo)軸承4 m3/h，單臺合計154 m3/h。根據(jù)表3現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)可知，溫差在0.6℃～2.2℃之間，平均溫差在1.03℃～1.54℃，取最大平均值1.54℃計算，單臺機組需制冷量＝154×1.54/0.86＝275.76 kW，2臺合計所需制冷量551.52 kW。

表2 1＃主機組實際用水量統(tǒng)計表（單位：m3）

表3 機組實測進水、出水溫度記錄（℃）

根據(jù)電機效率參數(shù)（見表4），電機在80%時輸出功率時效率為94.8%，電機額定功率為7 000 kW，計算得出單臺電機的熱損耗為364 kW。而實際運行時，機組功率達不到額定功率，根據(jù)多年機組運行數(shù)據(jù)分析，在機組流量達到額定流量100 m3/s時，電機功率在5 700～6 000 kW之間，取上限6 000 kW，所以單臺電機的熱損耗＝6 000×（1-94.8%）＝312 kW，2臺電機的熱損耗為624 kW。

通過以上分析計算，在實際運行時2臺主機組冷卻水流量為308 m3/h，所需制冷量要達到624 kW。

ZWLQ-30軸瓦冷卻機組在環(huán)境溫度35℃時，進水溫度25℃，出水溫度22℃情況下，機組制冷量為117 kW，水流量為29 m3/h。采用6臺機組時，制冷量為702 kW，流量174 m3/h，能滿足皂河站主機組冷卻要求。

表4 皂河站主電機效率參數(shù)表

需要說明以下幾點。

（1）冷卻水流量問題，雖然6臺冷水機組總流量為174 m3/h，小于目前實際用水量，但是由于是強制循環(huán)冷卻，帶走機組發(fā)熱量是沒有問題的。

（2）管道和冷卻器要充分沖洗，安裝在油缸中的冷卻器和部分不可拆卸的預(yù)埋管道必須進行充分沖洗。

（3）夏季機組高溫運行時，要適當提高冷水機組出水溫度以減少冷凝水；冬天機組不運行時，要打開排水閥排盡管道和機組內(nèi)循環(huán)水以避免由于氣溫下降等原因使管道等元件被凍壞。

（4）管道要采用一定的保溫和防腐措施。

（5）為保證冷卻供水可靠性，冷水機組帶有備用機組，其特點是進出水溫度可以控制和調(diào)節(jié)，冷水機組進出水溫差不低于5℃。

3.2 冷水機組運行機理

改造后的冷卻水系統(tǒng)由循環(huán)供水裝置和冷水機組兩大部分組成[9]。

3.2.1 循環(huán)供水裝置

循環(huán)供水裝置主要由穩(wěn)流罐及相關(guān)測控附件、立式多級離心泵（2臺，一用一備）、電器控制柜、管路和測量附件、閥門等組成，由一個公共安裝底座連成一個整體模塊，所有管道、閥門均采用不銹鋼材質(zhì)。

循環(huán)供水裝置用于提供冷卻水，冷卻水經(jīng)另外配置的ZWLQ-30軸瓦冷卻機組進行冷卻，冷卻后的冷卻水進入冷卻水管，以達到降溫的目的。

穩(wěn)流罐：穩(wěn)流罐內(nèi)置真空抑制器和低水位傳感器，外接電磁補水閥，系統(tǒng)循環(huán)水量增大時起到調(diào)節(jié)和補償水量的作用，穩(wěn)流罐在系統(tǒng)正常運行時為全封閉裝置，回水管內(nèi)的水壓可以疊加到水泵的進水端，起到節(jié)能的效果；在低水位傳感器感應(yīng)到罐內(nèi)水位降低時，外接電磁補水閥打開，對系統(tǒng)進行補水。真空抑制器在罐內(nèi)水位降低、沒有水補償時，與大氣接通，防止管內(nèi)出現(xiàn)負壓。

立式多級離心泵：系統(tǒng)設(shè)置2臺水泵，一用一備，為冷卻系統(tǒng)提供冷卻水。每臺泵的出口裝有止回閥，系統(tǒng)正常運行時，對應(yīng)的止回閥打開，另一臺水泵的止回閥為關(guān)閉狀態(tài)，防止水回流到備用泵。

圖3 循環(huán)供水裝置

電氣控制柜：系統(tǒng)中冷卻水溫度、壓力、流量傳感器信號傳到控制柜?？刂乒裨O(shè)有現(xiàn)場顯示儀表、按鈕、信號燈及觸摸屏，本地、遠程選擇按鈕設(shè)在面板上。控制柜內(nèi)設(shè)置PLC和變頻裝置，通過控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)系統(tǒng)母管內(nèi)的流量調(diào)節(jié)和保持壓力恒定。PLC具備以太網(wǎng)通信接口，并提供接點傳到泵站計算機控制系統(tǒng)。控制柜配備RS485遠程通信接口，支持標準的MODBUSRTU通信協(xié)議，利用該端口進行遠程測控。通過開放相關(guān)接口，可在遠方監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，還可以修改相應(yīng)設(shè)定參數(shù)，并可控制設(shè)備的啟動、停止?？刂葡到y(tǒng)具有RS485通訊接口及硬接線遠程接口，相應(yīng)進出水溫度、壓力、流量、水位均以硬接線方式同時進行遠傳。

3.2.2 冷水機組運行機理

主機組冷卻器經(jīng)熱交換流出的熱水經(jīng)循環(huán)供水裝置送至ZWLQ-30軸瓦冷卻機組，熱水經(jīng)過ZWLQ-30軸瓦冷卻機組強降溫后再次經(jīng)母管和支管進入主機組冷卻器，進行熱量在循環(huán)水中交換的封閉式循環(huán)[10]，以達到降低主機組溫度的目的。管道中冷卻水的損失由水箱自動補給。管道中的冷卻水由于氣溫變化或某些外界原因產(chǎn)生氣體時，自動放氣閥及時地將氣體排出，避免了水泵汽蝕和換熱效果不佳等情況的發(fā)生。

3.2.3 主要特點

（1）循環(huán)冷卻水由流量與壓力同時控制，流量與壓力可同時滿足使用要求，從而實現(xiàn)安全可靠節(jié)能的目標。

（2）循環(huán)供水裝置能接受軸瓦冷卻機組的指令并自動運行，智能化、集成化程度高，操作簡單，節(jié)省人力。

（3）立式多級離心泵根據(jù)運行時間進行主泵與輔泵交替運行，確保水泵平衡磨損。

（4）設(shè)備全封閉運行，水質(zhì)有保障。

（5）具有良好的過載、短路、過壓、欠壓、缺相、過流、短路、水源缺水等自動保護功能，在異常情況下能進行信號報警、自檢、故障判斷等，保護功能齊全。

4 結(jié)語

經(jīng)分析，皂河抽水站采用6臺ZWLQ-30軸瓦冷卻機組供應(yīng)冷卻水能夠滿足主機組冷卻要求，可采用此方案進行更新改造。改造后的冷卻水系統(tǒng)取水方便，水中無泥沙、漂浮物，水質(zhì)有保證，水溫穩(wěn)定，將能夠有效解決管路淤堵問題，確保機組冷卻水供應(yīng)暢通，不會因冷卻水減少而影響機組運行，冷卻效果穩(wěn)定，運行可靠性高，保障機組安全運行。如今，傳統(tǒng)技術(shù)供水方式已不能滿足很多大型泵站安全可靠運行的要求，因此采用冷水機組進行循環(huán)供水的方式已經(jīng)越來越普遍，已成為泵站技術(shù)供水的一種發(fā)展方向。