大型泵站機(jī)組冷卻系統(tǒng)研究分析

姚輝勇，黃金偉，王騰，宋攀科

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.中國(guó)南水北調(diào)東線有限公司徐州分公司，江蘇 徐州 221000）

1 概述

南水北調(diào)某泵站裝置5 臺(tái)3000HSTM 燈泡灌流泵，機(jī)組動(dòng)力采用TG1650-52 電機(jī)，該電機(jī)冷卻裝置為中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所設(shè)計(jì)的電機(jī)冷卻系統(tǒng)KLSZ110。自2013 年運(yùn)行以來(lái)共計(jì)8個(gè)調(diào)水年度，運(yùn)行狀況良好，在2019 年運(yùn)行期間流量傳感器顯示流量值較設(shè)計(jì)值變小，壓力表數(shù)值較設(shè)計(jì)值變大，經(jīng)分析認(rèn)為冷卻器及管道內(nèi)應(yīng)有不同程度的結(jié)垢，于是對(duì)4#機(jī)組冷卻器進(jìn)行拆除維修，發(fā)現(xiàn)淡水冷卻器銅管內(nèi)有不同程度的水垢及細(xì)粉砂沉積現(xiàn)象，對(duì)冷卻器采用高壓水及專用清洗劑清理后，效果明顯。

2 結(jié)垢的原因分析

2.1 水中溶解物的濃度分析

水源在循環(huán)水系統(tǒng)中，由于補(bǔ)充水采用天然井水，井水中含有的鹽類如碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硅酸鹽和其他礦物質(zhì)，硬度300mmol/L 左右。在循環(huán)冷卻水經(jīng)換熱后進(jìn)淡水冷卻器冷卻，水中礦物質(zhì)和離子含量也不斷被濃縮，與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，部分離子如Mg（OH）2和礦物質(zhì)沉淀析出，由于Mg（OH）2等物質(zhì)的膠凝作用，與水中的懸浮物、泥沙等沉淀下來(lái)。眾所周知水中含有的溶解鹽類越多，越容易析出，粘附在冷卻器銅管內(nèi)壁表面而結(jié)垢。

2.2 溫度和溫差分析

在冷卻水和冷卻器換熱過(guò)程中，溶解在冷卻水中的二氧化碳會(huì)不斷逸出，水的pH 值會(huì)升高。氣體二氧化碳的溶解度隨著溫度的升高而減小，隨著溫度的降低而增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)在0℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下二氧化碳的溶解度為（體積比）1∶1.713；在20℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下二氧化碳的溶解度為（體積比）1∶0.878；在60℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下二氧化碳的溶解度為（體積比）1∶0.359。在空氣冷卻器中溫度為65℃，循環(huán)淡水中二氧化碳的不斷逸出，pH 值的上升，結(jié)垢趨勢(shì)加快，可在淡水冷卻器表面形成碳酸鈣垢層。在循環(huán)水使用過(guò)程中由于水溫呈現(xiàn)周期性升降狀態(tài)，當(dāng)溫度升高時(shí)具有負(fù)的溶解度溫度系數(shù)的鹽類(如硫酸鈣等)由于溫度升高溶解度降低并析出形成水垢；而當(dāng)溫度降低時(shí)具有正的溶解度溫度系數(shù)的鹽類如二氯化鈣由于溶解度降低而析出成垢。

3 冷卻器、管路的疏通及清理

泵站的冷卻器材質(zhì)為薄壁黃銅，位于機(jī)組流道內(nèi)不能輕易起吊維修冷卻器。在2019 年度維修拆除淡水冷卻器時(shí)，發(fā)現(xiàn)結(jié)垢基本為白色碳酸鹽類，還有少許沉淀泥沙等，若采用傳統(tǒng)高壓水結(jié)合人工疏通方式進(jìn)行，會(huì)對(duì)黃銅冷卻管造成傷害，影響運(yùn)行。針對(duì)該問(wèn)題查找資料，結(jié)合泵站機(jī)組設(shè)備的實(shí)際情況，制定詳細(xì)的冷卻器水垢清除方案，定期采用高壓水結(jié)合食品級(jí)檸檬酸除垢劑清洗，避免造成對(duì)淡水冷卻器的機(jī)械損傷和化學(xué)腐蝕。

食品級(jí)檸檬酸除垢劑除垢能力強(qiáng)，對(duì)碳酸鹽、硫酸鹽、鐵銹、銅銹形成的污垢具有較強(qiáng)的溶解能力，且對(duì)換熱銅管無(wú)腐蝕。這種方法優(yōu)點(diǎn)是除垢徹底且對(duì)淡水冷卻器無(wú)傷害，能提高清理工作效率。水垢和除垢劑反應(yīng)化學(xué)方程式：

3.1 前期準(zhǔn)備

連接管路、清洗泵、清洗桶、連接管路、與管路相符的閥門(mén)等，做好閉路循環(huán)系統(tǒng)。拆卸設(shè)備原管路，連接已準(zhǔn)備好的管路閥門(mén)和清洗管路，做好清洗準(zhǔn)備。記錄清洗前設(shè)備的溫度、壓力、能耗。用高壓清水對(duì)其進(jìn)行沖洗，一是為了檢查循環(huán)系統(tǒng)有無(wú)泄漏，二是確定用水量和清洗劑用量，三是盡量沖除附著的水垢及沉淀的泥沙。待出水口水無(wú)雜色等異?，F(xiàn)象時(shí)進(jìn)行下一步檸檬酸除垢劑循環(huán)清洗。

3.2 清洗設(shè)備

先在系統(tǒng)清洗桶內(nèi)緩緩加入檸檬酸除垢劑循環(huán)5min 以便能夠混合均勻，根據(jù)上步計(jì)算的用水量，先按照1∶10 比例稀釋檸檬酸除垢劑原液。循環(huán)20min 后測(cè)量一次pH 值，若pH 值大于1 適當(dāng)補(bǔ)充原液。連續(xù)循環(huán)2～3h，每半小時(shí)測(cè)量一次pH 值，若后兩次pH 值均在1 以內(nèi)說(shuō)明水垢已清理完畢，停止循環(huán)。為了防止大塊垢質(zhì)被剝離后堵塞管路，將管路反連接，進(jìn)行反沖洗、脈沖沖洗，再次測(cè)pH 值，如果連續(xù)兩次pH 值在1 以內(nèi)，則已清洗干凈。

3.3 設(shè)備調(diào)試運(yùn)行

管道已清理干凈，但是管道及冷卻器內(nèi)稀釋液pH 值較小，易腐蝕管路。更換清洗桶內(nèi)稀釋液為清水后緩緩加入小蘇打等弱堿性物質(zhì)攪拌均勻，繼續(xù)循環(huán)沖洗干凈管路，使殘留在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的稀釋液充分中和，同樣測(cè)pH 值，若連續(xù)兩次pH 值在7 左右，證明已經(jīng)沖洗干凈。然后連接換熱器管路，確保采用4DSY-2.5 電動(dòng)試壓泵對(duì)系統(tǒng)打壓，確保設(shè)備連接完整，無(wú)滲漏現(xiàn)象，然后開(kāi)機(jī)試運(yùn)行。記錄清洗后的設(shè)備的溫度、壓力和電耗數(shù)值，與未清洗前及設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較。

3.4 廢液處理

使用后的除垢劑稀釋液，不能夠隨便棄置，需同小蘇打等弱堿性物質(zhì)中和后進(jìn)行集中處理，避免污染環(huán)境。

4 減少結(jié)垢的措施

4.1 降低補(bǔ)充水的濁度

天然水體中泥沙、腐蝕生物以及各種懸浮物和膠體等的存在構(gòu)成了水體的濁度。循環(huán)冷卻水處理的補(bǔ)充水渾濁度在2～5 度，濁度越低越好，說(shuō)明循環(huán)水中雜質(zhì)少；當(dāng)循環(huán)冷卻水的進(jìn)水水質(zhì)不好時(shí)，必須要先進(jìn)行預(yù)處理，減少污垢的沉積。對(duì)此要優(yōu)化淡水水站的水濾器，更好地過(guò)濾去除懸浮物質(zhì)。

4.2 做好冷卻水的水質(zhì)處理

采用低硬度的水或純水，做好循環(huán)冷卻水水質(zhì)處理主要是為了防止水垢和腐蝕。當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)不好時(shí)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致水垢和腐蝕的產(chǎn)生，同時(shí)還可能會(huì)滋生大量的細(xì)菌，從而形成污垢。因此做好水質(zhì)處理，是減少系統(tǒng)產(chǎn)生污垢的重要方法。故淡水水站的補(bǔ)充水一般采用處理過(guò)的純水，呈中性和弱堿性的，pH 值控制在7～9.5 之間。

4.3 投加阻垢劑、分散劑

六偏磷酸鈉等阻垢劑對(duì)鈣鎂離子具有吸附、絡(luò)合、分散作用。在進(jìn)行阻垢、防腐和殺菌滅藻處理時(shí)，投加一定量的聚丙烯酸鈉等分散劑，也是控制污垢沉積的有效方法。分散劑能將水中大的泥團(tuán)分散成細(xì)小的微粒懸浮在水中，隨著水流而動(dòng)，不會(huì)沉積在傳熱表面上，從而減少了污垢對(duì)傳熱的影響?？稍谒鋬?nèi)定期投放除垢劑，以便消除附在管道壁上的污垢。

4.4 投加緩蝕劑

在管道及冷卻器銅管內(nèi)壁形成一層薄壁保護(hù)膜，經(jīng)考察市場(chǎng)緩蝕劑類型，鉻酸鹽、鎢酸鹽氧化膜具有較好的保護(hù)作用。吸附性有機(jī)緩蝕劑具有發(fā)展前景，對(duì)金屬內(nèi)壁清潔光滑的同時(shí)具有較好的吸附性，缺點(diǎn)是價(jià)格較高，。

5 水循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化

5.1 增設(shè)前置過(guò)濾器

在補(bǔ)水管道上增設(shè)一套具有反沖洗排污功能的前置過(guò)濾器，內(nèi)置褶皺式纖維膜、FOF 阻垢復(fù)合碳芯及400 目可拆洗不銹鋼網(wǎng)，達(dá)到40 微米的精濾。該裝置的使用有效攔阻了供水中的懸浮物及部分離子，可有效改善水的濁度和水質(zhì)。

5.2 投放除垢劑

在淡水水箱內(nèi)按照容量按比例投放除垢劑，從循環(huán)水出口處目測(cè)水質(zhì)，較以前清澈且無(wú)雜質(zhì)和漂浮物，有效提高了循環(huán)水的利用率。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)組淡水冷卻器、淡水水站設(shè)施清理維護(hù)以及淡水站水循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化，減少了冷卻器銅管發(fā)生滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，使冷卻器的熱交換效果明顯提高，熱交換工況有了明顯的改善，保障了該泵站機(jī)組電機(jī)高效、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，可為其他泵站的冷卻裝置升級(jí)改造提供參考依據(jù)■