大型泵站循環(huán)冷卻技術(shù)供水系統(tǒng)研究

陳廣明 詹雪艦

摘要：作為大型泵站技術(shù)管理工作的重點，技術(shù)供水系統(tǒng)運行效率直接影響著大型泵站安全生產(chǎn)、運行維護和成本核算。結(jié)合在建大型泵站輔助技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計和已建泵站工程運行管理情況，提出了一種新型大型泵站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)采用全封閉循環(huán)方式，利用泵站前池流動進水自然水冷，建設(shè)安裝簡單且投資較少，冷卻介質(zhì)采用純凈水，可使系統(tǒng)長期運行無損耗無腐蝕，維護管理簡便。

關(guān)鍵詞：技術(shù)供水;大型泵站;循環(huán)冷卻;運行效率

中圖法分類號：TV675文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.009

文章編號：1006 - 0081（2021）06 - 0045 - 04

大型泵站是水利基礎(chǔ)設(shè)施重要的組成部分，是保護人民生命財產(chǎn)安全和發(fā)展糧食生產(chǎn)的核心裝備，在排澇、灌溉、調(diào)水和供水工作等方面發(fā)揮著不可替代的基礎(chǔ)性作用，在國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定中占有重要地位[1-4]。近年來，隨著跨流域調(diào)水工程的建設(shè)實施，我國大型泵站建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平得到大幅提升，推進了大型泵站設(shè)計建設(shè)水平，提升了泵站運行管理能力，促進了我國大型泵站建設(shè)與管理事業(yè)的發(fā)展。

1 大型泵站技術(shù)供水系統(tǒng)發(fā)展

大型泵站工程是一項復雜的系統(tǒng)工程。除高壓供電、勵磁和控制保護系統(tǒng)外，主機組還需要可靠的供油、液壓、供水、供氣等輔機系統(tǒng)。輔機系統(tǒng)運行的可靠性直接決定了主機組的運行安全，也與大型泵站的安全生產(chǎn)和工程效益密切相關(guān)。輔助技術(shù)供水系統(tǒng)主要為主電機、水泵上下導軸承和其他部位提供冷卻潤滑用水，確保機組運行期間運轉(zhuǎn)件溫升在允許范圍內(nèi)，保障機組正常運行。因此，如何保障技術(shù)供水系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行，是大型泵站建設(shè)與管理工作中重要部分[5-8]。

按目前我國已經(jīng)建成大型泵站所采用的結(jié)構(gòu)形式，輔助技術(shù)供水系統(tǒng)可分為開放式和封閉式，大部分設(shè)計都是通過進水流道側(cè)向引水管道進水，經(jīng)站身埋設(shè)管道進入技術(shù)供水泵加壓，再經(jīng)管道輸送至導軸承、冷卻油室等部位冷凝管道，經(jīng)循環(huán)冷卻后從匯流管排至泵站前池。這種技術(shù)方案的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、冷卻水量大、熱量交換較快，缺點是進水水質(zhì)較差，加壓泵、管道閥門和冷凝器極易堵塞，進水口位于池底容易堵塞、清理困難，直接影響機組運行安全，特別是冷凝器受水質(zhì)影響堵塞、銹蝕后會造成熱交換效率下降甚至引起管壁滲漏，可能會導致重大設(shè)備事故，增加機組運行維護成本，同時加壓機組系統(tǒng)能耗高效率低。目前沿淮地區(qū)河湖水系水質(zhì)較差，特別是大型泵站在大流量開機運行時，高速水流裹攜大量河道懸浮雜物進入前池，經(jīng)管道后進入技術(shù)供水系統(tǒng)，極易造成因技術(shù)供水系統(tǒng)堵塞引起冷卻供水壓力不足，從而引起導軸承溫升上升造成主機停運事故。根據(jù)淮南市目前大型泵站技術(shù)供水系統(tǒng)運行維護調(diào)研統(tǒng)計情況，機組導軸承溫升異常的檢查結(jié)果表明：因增壓泵葉輪雜物纏繞、管閥堵塞和冷凝器堵塞等原因引起的泵站故障占到90%以上。

鑒于以上分析，首先從技術(shù)角度上看，開放式技術(shù)供水系統(tǒng)管路始終與外界水系相通，雜物進入管路的情況不可避免;其次是天然環(huán)境水系水質(zhì)較差，技術(shù)供水進水口未考慮設(shè)置攔污裝置或是管路沒有設(shè)置過濾或沉淀裝置。另外，從現(xiàn)有技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計原理和運用情況來看，即使設(shè)置過濾或沉淀裝置，因水質(zhì)問題造成的冷卻管壁沉積或冷凝器堵塞銹蝕等情況仍然無法避免。

隨著水利科技進步與發(fā)展，近年來有個別新建大型泵站根據(jù)運行和管理實踐，將冷卻循環(huán)水改用地下水或者是采用水箱循環(huán)水，相當于半開放式，從運行效果來看不甚理想，仍然存在高溫天氣水量消耗快、水質(zhì)變質(zhì)等問題，同時冷卻管路還存在進氣、補水等問題。南水北調(diào)工程個別大型泵站對技術(shù)供水系統(tǒng)進行封閉循環(huán)改造，方案為采用室外式強制風冷空調(diào)散熱器，在室外增加了強制風冷散熱機組，但是系統(tǒng)改造成本高，同時仍存在散熱效果差、能耗較高、環(huán)境噪音大等問題。

2安徽省供水系統(tǒng)現(xiàn)存問題與技術(shù)需求

安徽省位于長江中下游和淮河中游，地勢低洼，行蓄洪區(qū)眾多，防洪排澇任務(wù)繁重。目前全省已經(jīng)建成的大型泵站（規(guī)模在50 m3/s或1萬kW以上）有10余座，是我國大型泵站建設(shè)較為集中的省份，加上目前正在建設(shè)的引江濟淮調(diào)水泵站群，全省大型泵站總數(shù)將達到30多座，總排灌流量將達到3 500 m3/s以上，總裝機近40萬kW，這樣集中的泵站群和裝機規(guī)模在國際上也不多見。其中正在建設(shè)的蜀山樞紐泵站總裝機達6萬kW，調(diào)水流量達300 m3/s，其單站流量規(guī)模在世界范圍內(nèi)屈指可數(shù)。

2.1 存在問題分析

以沿淮地區(qū)安徽省淮南市已經(jīng)建成的西淝河、永幸河、城北湖等大型泵站為例，以上泵站單站裝機5～6臺，裝機功率在1萬kW左右，平均單機流量在16～30 m3/s之間，均采用技術(shù)供水系統(tǒng)與消防供水系統(tǒng)合并設(shè)計，共用離心泵從前池供水至消防水箱和技術(shù)供水管道，經(jīng)冷卻循環(huán)后排至泵站前池。從各站技術(shù)供水系統(tǒng)近年運行統(tǒng)計情況看，曾多次出現(xiàn)供水泵機組、管路或閥組堵塞情況，造成軸瓦溫度升高，主機組緊急停機等事故時有發(fā)生，影響了泵站機組的運行安全。

同時，大部分泵站技術(shù)供水系統(tǒng)與消防供水系統(tǒng)合并設(shè)計，技術(shù)供水泵兼作消防泵。水泵按照消防供水最大水量和最大水頭校核設(shè)計，由于消防供水水量和最大水頭遠遠大于技術(shù)供水系統(tǒng)參數(shù)，造成技術(shù)供水泵組長期在低水頭、小流量的最不利工況下運行，是典型的大馬拉小車，造成輔助技術(shù)供水機組效率極其低下。按照大型泵站機組平均年運行時間2000臺時計算，技術(shù)供水機組單機功率一般在11～18 kW之間，一般采用二用一備方式運行，按平均功率15 kW計算，每年技術(shù)供水系統(tǒng)能耗電量在3萬～4萬kW·h，系統(tǒng)經(jīng)濟性較差。

2.2 技術(shù)需求分析

泵站技術(shù)供水系統(tǒng)最基本的功能就是為主機組提供冷卻用水，耗水量根據(jù)系統(tǒng)冷卻熱當量需求進行分析確定。為解決當前技術(shù)供水系統(tǒng)方案存在的問題，首先要解決冷卻介質(zhì)潔凈度問題，以確保管路、閘閥及散熱器長期可靠運行，其次要解決冷卻介質(zhì)循環(huán)后熱排放問題，目標是冷卻系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)，同時需對技術(shù)供水和消防供水機組進行節(jié)能降耗優(yōu)化設(shè)計。

而大型泵站技術(shù)供水系統(tǒng)對冷卻水質(zhì)要求較高，按照有關(guān)規(guī)定：冷卻水不應(yīng)含漂浮物;泥沙平均粒徑最大不得超過0.1 mm， 粒徑0.002 5 mm 以上的泥沙含量不超過含沙量的5%;為避免管路及冷卻器結(jié)垢，冷卻水應(yīng)是中性水，硬度不宜大于10度;冷卻水pH值應(yīng)呈中性以避免腐蝕管路與用水設(shè)備。

按照目前國內(nèi)大型泵站運行的河道水質(zhì)環(huán)境來看，絕大部分天然河道水質(zhì)無法滿足冷卻水質(zhì)要求，現(xiàn)階段大型泵站技術(shù)供水冷卻系統(tǒng)更宜采用封閉循環(huán)設(shè)計的技術(shù)路線，才能保證安全高效運行。

3 技術(shù)供水方案設(shè)計

通過上述技術(shù)需求目標分析，結(jié)合泵站機組冷卻組件的結(jié)構(gòu)與運行特點，為保證冷卻介質(zhì)純凈可靠，設(shè)計采用綜合封閉冷卻循環(huán)系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為2個子系統(tǒng)。

（1）對導軸承、冷卻油室告示冷卻部位，采用全封閉循環(huán)，冷卻介質(zhì)可優(yōu)先選用純凈水，比熱大、成本低、無腐蝕，管道流量、壓力根據(jù)系統(tǒng)需求分析計算確定，可根據(jù)需要加入除垢劑。

（2）對于機組填料涵和水導軸承部位，為確保冷卻水質(zhì)和壓力，直接采取消防管道供水，廢水直接排入流道，水源可為市政管道供水或深井地下水。

封閉循環(huán)技術(shù)供水系統(tǒng)利用泵站前池水流為技術(shù)供水系統(tǒng)外周冷卻環(huán)境，熱交換效能高、冷卻效果好，可充分利用水流自然冷卻無需強制循環(huán)消耗動力。對于技術(shù)供水和消防供水共用機泵的問題，二者供水的用途、流量和揚程壓力等參數(shù)相差很大，共用水泵選型困難，可考慮將技術(shù)供水和消防供水分開作為獨立系統(tǒng)設(shè)計。綜合以上因素考慮，設(shè)計泵站技術(shù)供水系統(tǒng)方案如下：

技術(shù)供水系統(tǒng)采取單機組獨立封閉循環(huán)、自然水冷方式。單機系統(tǒng)由循環(huán)動力泵、管路、閥組、內(nèi)外熱交換器、測量顯示和控制保護等部分組成，各機組技術(shù)供水系統(tǒng)相對獨立運行，與對應(yīng)機組同步啟動互不干擾。循環(huán)動力泵選用管道式循環(huán)泵，循環(huán)介質(zhì)選用純凈水，內(nèi)外散熱器組件均選用銅或不銹鋼材質(zhì)，因為系統(tǒng)為全密閉工作狀態(tài)，冷卻介質(zhì)沒有損耗，管道也不會產(chǎn)生空氣，可根據(jù)需要設(shè)置排氣閥和高位自動補水水箱。根據(jù)主機組對冷卻系統(tǒng)技術(shù)要求，核算技術(shù)供水系統(tǒng)循環(huán)流量、入口壓力技術(shù)要求，綜合考慮主機組技術(shù)供水最高點和前池室外散熱管的揚程差和管路、泵閥水頭損失后，計算技術(shù)供水系統(tǒng)管路管徑，復核循環(huán)管道泵技術(shù)參數(shù)，管閥組件優(yōu)先考慮不銹鋼材質(zhì)，以確保系統(tǒng)防腐和運行耐久性。

系統(tǒng)工作方式為：由管道式循環(huán)泵推動冷卻循環(huán)水在管路循環(huán)流動，流經(jīng)主機組上下導軸承等部位通過散熱器升溫后，再經(jīng)密閉管路進入前池外散熱器，經(jīng)河水冷卻，再經(jīng)管路循環(huán)增壓后重新進入管路，如此周而復始密閉循環(huán)，以滿足主機運行時系統(tǒng)冷卻要求。同時在管路上設(shè)置溫度壓力流量等表計和傳感器，經(jīng)有線或無線數(shù)傳至中控臺，可實現(xiàn)對技術(shù)供水系統(tǒng)實時在線監(jiān)測和報警管理。

機組填料涵和水導軸承部位對冷卻要求不高，采用與消防供水合并設(shè)計，水源采用市政自來水或深井地下水，詳細設(shè)計在此不再贅述。

大型泵站水冷封閉循環(huán)技術(shù)供水系統(tǒng)如圖1所示。

本技術(shù)供水方案主要優(yōu)點有：

（1）系統(tǒng)采用全封閉循環(huán)方式，解決開放式技術(shù)供水系統(tǒng)因水質(zhì)等問題造成冷卻效率低下、管路堵塞、銹蝕、集氣等問題;

（2）利用泵站前池流動進水自然水冷，無需強制冷卻裝置，相對強制空冷系統(tǒng)節(jié)能高效，人機環(huán)境友好;

（3）系統(tǒng)建設(shè)安裝簡單投資較少，冷卻介質(zhì)采用純凈水，可使系統(tǒng)長期運行無損耗無腐蝕，維護管理簡單方便;

（4）每臺機組技術(shù)供水系統(tǒng)獨立運行，互不影響，技術(shù)供水系統(tǒng)運行效率高。

4 結(jié) 語

按一般大（2）型以上泵站技術(shù)供水系統(tǒng)規(guī)模分析，改造成為封閉循環(huán)水冷系統(tǒng)后，可充分利用原有部分管路和熱交換器，加裝前池被動式冷卻器、管道增壓泵、管路、閥組、監(jiān)測計量傳感器等，新增投資可控制在20萬元以內(nèi)。相對離心式增壓機組功耗，采用管道式增壓泵可大幅降低能耗，減少運行維護費用，同時可取消預(yù)埋進水管道和離心機組的設(shè)備占用空間，減少機組噪音，改善運行人員工作環(huán)境，大幅提高泵站機組運行安全可靠性和工程利用率，經(jīng)濟和社會效益極其顯著。

參考文獻：

[1] GB 50265-2010 泵站設(shè)計規(guī)范[S].

[2] SL255-2000 泵站技術(shù)管理規(guī)程[S].

[3] 邱傳忻. 泵站工程[M]. 武漢：武漢大學出版社，2001.

[4] 姜乃昌. 水泵與水泵站[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[5] 張景成，張立秋 . 水泵及水泵站[M].? 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.

[6] 中國市政工程西南設(shè)計研究院.? 給排水設(shè)計手冊（第十一冊）[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[7] 中國市政工程西南設(shè)計研究院.? 給排水快速設(shè)計手冊（第一冊）[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995.

[8] 中國市政工程西南設(shè)計研究院.? 給排水設(shè)計手冊（第一冊）[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

（編輯：江 文）