皂河站冷卻水系統(tǒng)改造可行性分析

吳良宇，汪昊藍(lán)

0 引言

泵站輔機(jī)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(jì)運(yùn)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(jī)組及其輔助設(shè)備供應(yīng)冷卻潤滑水，如同步電動(dòng)機(jī)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(jī)組安全運(yùn)行[2]。皂河抽水站在檢查時(shí)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(jī)組運(yùn)行條件，保障機(jī)組安全運(yùn)行，擬采用冷水機(jī)組[3]對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新改造。

1 工程概況

江蘇省皂河抽水站（以下簡(jiǎn)稱皂河站）位于江蘇省宿遷市皂河鎮(zhèn)北5 km處，東臨中運(yùn)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(jí)站，安裝2臺(tái)6HL-70立式全調(diào)節(jié)導(dǎo)葉式混流泵，單臺(tái)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)，單機(jī)功率7 000 kW，總裝機(jī)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(tái)技術(shù)供水泵，兩臺(tái)工作，一臺(tái)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(jī)組的電動(dòng)機(jī)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(diǎn)、示流信號(hào)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(shí)施時(shí)，對(duì)所有供水管路進(jìn)行了更換，但是在2017年3月2日進(jìn)行的汛前檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)示流信號(hào)計(jì)處管路淤堵嚴(yán)重（見圖2），管路淤堵易導(dǎo)致供水管水壓力達(dá)不到要求，影響冷卻效果，危及機(jī)組安全運(yùn)行。

圖2 管路淤堵情況

經(jīng)分析，管路淤堵主要原因?yàn)橐韵聨c(diǎn)：

（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(jìn)行過濾，但是并不能完全濾清水流，機(jī)組長期運(yùn)行造成管路淤堵；

（2）示流信號(hào)計(jì)內(nèi)機(jī)構(gòu)阻水造成水流流態(tài)變化形成淤堵，時(shí)間一長會(huì)加重，甚至?xí)斐烧麄€(gè)管路淤堵。

此外，供水水源的水溫受外界環(huán)境影響，波動(dòng)大，造成冷卻效果極不穩(wěn)定，影響機(jī)組安全運(yùn)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(shí)現(xiàn)的，因而可以考慮在冷卻水系統(tǒng)中使用冷水機(jī)組，利用冷卻水可循環(huán)使用的特點(diǎn)，采用循環(huán)供水方式[4]，通過系統(tǒng)內(nèi)安裝的冷水機(jī)組帶走機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量，達(dá)到有效散熱冷卻的目的，從而改善機(jī)組運(yùn)行條件。

3 采用冷水機(jī)組對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)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(dá)不到要求，供水量不足，影響機(jī)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(jī)組供水與廊道清水循環(huán)供水的改造方案，極大改善了機(jī)組的運(yùn)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(jì)時(shí)，對(duì)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(jī)組冷卻，再供給各個(gè)需水對(duì)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(jī)組，改用封閉循環(huán)式供水方式，對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。下面從皂河站主機(jī)組冷卻用水量和發(fā)熱量?jī)煞矫孢M(jìn)行分析，研究冷卻水系統(tǒng)改造方案的可行性。下表是單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)用水量表。

根據(jù)表1，可知單臺(tái)主電機(jī)合計(jì)冷卻水流量226.5 m3/h，按進(jìn)水溫度26℃，出水為28℃，進(jìn)出水溫差2℃計(jì)算，需冷量＝226.5×（28-26）/0.86＝526.75 kW。皂河站有2臺(tái)機(jī)組，共需制冷量1 053.50 kW，機(jī)組冷卻水流量為453 m3/h。

表1 單臺(tái)機(jī)組各項(xiàng)用水量表

為了準(zhǔn)確測(cè)量單臺(tái)機(jī)組實(shí)際用水量，在1＃主機(jī)組管道上安裝水表，測(cè)量出實(shí)際用水量見表2，并同時(shí)記錄2臺(tái)機(jī)組相應(yīng)時(shí)段進(jìn)水溫度和出水溫度，溫度記錄見表3。

根據(jù)表2機(jī)組運(yùn)行時(shí)測(cè)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(tái)合計(jì)154 m3/h。根據(jù)表3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jì)算，單臺(tái)機(jī)組需制冷量＝154×1.54/0.86＝275.76 kW，2臺(tái)合計(jì)所需制冷量551.52 kW。

表2 1＃主機(jī)組實(shí)際用水量統(tǒng)計(jì)表（單位：m3）

表3 機(jī)組實(shí)測(cè)進(jìn)水、出水溫度記錄（℃）

根據(jù)電機(jī)效率參數(shù)（見表4），電機(jī)在80%時(shí)輸出功率時(shí)效率為94.8%，電機(jī)額定功率為7 000 kW，計(jì)算得出單臺(tái)電機(jī)的熱損耗為364 kW。而實(shí)際運(yùn)行時(shí)，機(jī)組功率達(dá)不到額定功率，根據(jù)多年機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，在機(jī)組流量達(dá)到額定流量100 m3/s時(shí)，電機(jī)功率在5 700～6 000 kW之間，取上限6 000 kW，所以單臺(tái)電機(jī)的熱損耗＝6 000×（1-94.8%）＝312 kW，2臺(tái)電機(jī)的熱損耗為624 kW。

通過以上分析計(jì)算，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)2臺(tái)主機(jī)組冷卻水流量為308 m3/h，所需制冷量要達(dá)到624 kW。

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

表4 皂河站主電機(jī)效率參數(shù)表

需要說明以下幾點(diǎn)。

（1）冷卻水流量問題，雖然6臺(tái)冷水機(jī)組總流量為174 m3/h，小于目前實(shí)際用水量，但是由于是強(qiáng)制循環(huán)冷卻，帶走機(jī)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(jìn)行充分沖洗。

（3）夏季機(jī)組高溫運(yùn)行時(shí)，要適當(dāng)提高冷水機(jī)組出水溫度以減少冷凝水；冬天機(jī)組不運(yùn)行時(shí)，要打開排水閥排盡管道和機(jī)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(jī)組帶有備用機(jī)組，其特點(diǎn)是進(jìn)出水溫度可以控制和調(diào)節(jié)，冷水機(jī)組進(jìn)出水溫差不低于5℃。

3.2 冷水機(jī)組運(yùn)行機(jī)理

改造后的冷卻水系統(tǒng)由循環(huán)供水裝置和冷水機(jī)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(cè)控附件、立式多級(jí)離心泵（2臺(tái)，一用一備）、電器控制柜、管路和測(cè)量附件、閥門等組成，由一個(gè)公共安裝底座連成一個(gè)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(jī)組進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷卻水進(jìn)入冷卻水管，以達(dá)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(bǔ)水閥，系統(tǒng)循環(huán)水量增大時(shí)起到調(diào)節(jié)和補(bǔ)償水量的作用，穩(wěn)流罐在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為全封閉裝置，回水管內(nèi)的水壓可以疊加到水泵的進(jìn)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(shí)，外接電磁補(bǔ)水閥打開，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。真空抑制器在罐內(nèi)水位降低、沒有水補(bǔ)償時(shí)，與大氣接通，防止管內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓。

立式多級(jí)離心泵：系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)水泵，一用一備，為冷卻系統(tǒng)提供冷卻水。每臺(tái)泵的出口裝有止回閥，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的止回閥打開，另一臺(tái)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(hào)傳到控制柜。控制柜設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)顯示儀表、按鈕、信號(hào)燈及觸摸屏，本地、遠(yuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)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(diǎn)傳到泵站計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。控制柜配備RS485遠(yuǎn)程通信接口，支持標(biāo)準(zhǔn)的MODBUSRTU通信協(xié)議，利用該端口進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)控。通過開放相關(guān)接口，可在遠(yuǎn)方監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)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(dòng)、停止。控制系統(tǒng)具有RS485通訊接口及硬接線遠(yuǎn)程接口，相應(yīng)進(jìn)出水溫度、壓力、流量、水位均以硬接線方式同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)傳。

3.2.2 冷水機(jī)組運(yùn)行機(jī)理

主機(jī)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(jī)組，熱水經(jīng)過ZWLQ-30軸瓦冷卻機(jī)組強(qiáng)降溫后再次經(jīng)母管和支管進(jìn)入主機(jī)組冷卻器，進(jìn)行熱量在循環(huán)水中交換的封閉式循環(huán)[10]，以達(dá)到降低主機(jī)組溫度的目的。管道中冷卻水的損失由水箱自動(dòng)補(bǔ)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(shí)，自動(dòng)放氣閥及時(shí)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(diǎn)

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

（2）循環(huán)供水裝置能接受軸瓦冷卻機(jī)組的指令并自動(dòng)運(yùn)行，智能化、集成化程度高，操作簡(jiǎn)單，節(jié)省人力。

（3）立式多級(jí)離心泵根據(jù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行主泵與輔泵交替運(yùn)行，確保水泵平衡磨損。

（4）設(shè)備全封閉運(yùn)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(dòng)保護(hù)功能，在異常情況下能進(jìn)行信號(hào)報(bào)警、自檢、故障判斷等，保護(hù)功能齊全。

4 結(jié)語

經(jīng)分析，皂河抽水站采用6臺(tái)ZWLQ-30軸瓦冷卻機(jī)組供應(yīng)冷卻水能夠滿足主機(jī)組冷卻要求，可采用此方案進(jìn)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(jī)組冷卻水供應(yīng)暢通，不會(huì)因冷卻水減少而影響機(jī)組運(yùn)行，冷卻效果穩(wěn)定，運(yùn)行可靠性高，保障機(jī)組安全運(yùn)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(yùn)行的要求，因此采用冷水機(jī)組進(jìn)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。