大型泵站冷水系統(tǒng)改進及其應(yīng)用

王肇優(yōu)，繆 薇，徐 丹，申 林

（江蘇省江都水利工程管理處,江蘇 揚州 225200）

0 概況

江都二站位于揚州市江都區(qū)仙女鎮(zhèn),是江都水利工程管理處下屬單位之一,也是南水北調(diào)東線源頭。江都二站現(xiàn)共安裝8 臺1.75 ZLQC-6 型立式機械全調(diào)節(jié)軸流泵,葉輪直徑1.64 m,泵站設(shè)計揚程6 m,單機流量10.2 m3/s,總抽水能力81.6 m3/s。江都二站原供水系統(tǒng)由三臺ISWH100-160 A供水泵、管道和閥件組成,直接抽取泵站上游河水,用于冷卻主機組上下油缸及潤滑填料,其中供水泵流量93.5 m3/h ,揚程28 m,單機功率11 kW。改造后供水系統(tǒng)分為冷卻水系統(tǒng)和潤滑水系統(tǒng)。 冷卻水系統(tǒng)為封閉強制循環(huán)系統(tǒng),主要由3 臺冷水機組、2 臺水力模塊、管道、閥件和電氣系統(tǒng)等組成,主要用于主機組上下油缸冷卻；潤滑水系統(tǒng)為開放式直供系統(tǒng),利用原有供水泵和電氣控制部分,重新布置管道和閘閥,直接抽取上游河水潤滑填料,并作為冷卻水系統(tǒng)備用系統(tǒng)。改造后江都二站供水系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 改造后供水系統(tǒng)圖

1 水系統(tǒng)參數(shù)計算與確定

1.1 總流量計算

查閱上海電機廠和高郵水泵廠相關(guān)出廠資料,得出以下相關(guān)數(shù)據(jù)：單臺電機上油缸所需冷量25 kW,下油缸所需冷量3 kW,單臺葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)所需冷量2 kW,8 臺機組合計共需冷量240 kW。根據(jù)制冷量與流量經(jīng)驗公式（式1）,計算出管道總流量,具體計算如下：

已知Q =240 kW,Δt取值為4°C,系數(shù)k取值為1.15,可得出：

1.2 供水支管、母管直徑確定

根據(jù)現(xiàn)有的上下油缸冷卻器管道尺寸,確定上油缸進出水管道支管直徑為40 mm,下油缸進出水管道支管直徑為25 mm。已知 qv總=64.19 m3/h,查閱供暖通風空調(diào)設(shè)計手冊[1]具體參數(shù)見表1,供水母管直徑取100 mm。

表1 水系統(tǒng)管徑與單位流量、單位長度阻力損失關(guān)系表

1.3 供水泵（管道泵）揚程計算與確定

根據(jù)管道材料、管道流速和管道安裝現(xiàn)場布置圖,計算出供水母管長度和支管長度,再根據(jù)經(jīng)驗公式,計算沿程損失和局部損失,最后通過伯努利能量方程,計算出所需供水泵揚程,具體計算如下：

（1）設(shè)備阻力hm：根據(jù)冷水機組安裝說明書,一般冷水機組阻力取60 kPa,則hm=6 m。

（2）沿程阻力hf：根據(jù)管道安裝現(xiàn)場布置圖,取冷卻水系統(tǒng)進出水母管長度：L母=240 m,取每臺支管長度：L1=30 m,則8 臺主機支管總長度：L支=240 m,比摩阻值選200 Pa/m,hf=（240+240）×200/（1×105）×10=9.6 m。

（3）局部阻力hd：局部阻力取沿程阻力的50%,hd=hf×0.5=4.8 m。

（4）冷卻器末端阻力h冷：根據(jù)JB/T 7607-2005 立式電機軸承用LYJH型油冷卻器規(guī)定[2],大概計算出上油缸壓降為0.033 MPa,下油缸壓降為0.019 MPa,則h冷=（0.033+0.019）×106/（1×105）×10=5.2 m。

（5）閥件阻力h閥：管道控制閥較少,考慮到閘閥常開,h閥=2 m。

（6）安裝平臺差高hG：考慮到冷水機組安裝平臺和冷卻器安裝平臺高差約為5 m,故取hG=5 m。

（7）供水泵揚程H：取水泵揚程安全系數(shù)為1.1,則H=（hm+hf+hd+h冷+h閥-hG）×1.1=（6+9.6+4.8+5.2+2-5）×1.1=24.86 m。

根據(jù)以上冷卻水系統(tǒng)安裝條件及參數(shù)要求,通過比較已有相關(guān)供水泵參數(shù),考慮到其他因素,確定了供水泵揚程為24 m～30 m。

2 封閉強制循環(huán)水系統(tǒng)運行原理

江都二站冷卻水系統(tǒng)由冷水機組、水力模塊、冷卻水、管道閥件和冷卻器等設(shè)備構(gòu)成。按照運行原理,可將冷卻水系統(tǒng)分外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)構(gòu)成。

外循環(huán)主要冷卻介質(zhì)為自來水,動力來自水力模塊中的供水泵,外循環(huán)流程為：二站高溫冷卻水（主機組回水）通過水力模塊供水泵增壓,進入冷水機組釬焊板式換熱器散熱成低溫冷卻水,低溫冷卻水通過母管和各分路支管進入主機組冷卻器,熱交換吸熱形成高溫冷卻水,高溫冷卻水再回到水力模塊供水泵,形成一個外循環(huán),外循環(huán)原理圖見圖2。

圖2 內(nèi)循環(huán)原理圖（冷水機組運行機理圖）

內(nèi)循環(huán)在冷水機組內(nèi)進行（冷水機組運行機理）,冷卻介質(zhì)為R410 A,內(nèi)循環(huán)流程為：低溫低壓的制冷劑以蒸汽形式通過壓縮機壓縮為高溫高壓的氣體,經(jīng)四通換向閥進入翅片式風冷換熱器放熱,凝結(jié)為液體,在第一電子膨脹閥中節(jié)流為低溫低壓的制冷工質(zhì)氣液混合物,進入釬焊板式換熱器吸熱為過熱氣體,再經(jīng)過四通換向閥、氣液分離器進入壓縮機,完成制冷內(nèi)循環(huán),冷卻系統(tǒng)原理圖見圖2[3]。冷水機組主要由蒸發(fā)器（釬焊板式換熱器）、電子膨脹閥、壓縮機、氣液分離器,風側(cè)換熱器（翅片換熱器）和電氣控制部件。

3 智能化控制

3.1 一鍵開機

冷卻水系統(tǒng)采用了智能化控制系統(tǒng),啟動方式簡單可靠,易操作。江都二站冷卻水系統(tǒng)開機流程：在二站上位機冷卻水系統(tǒng)控制界面,見圖3,先將制冷進水設(shè)置溫度欄,設(shè)置溫度為20.0℃,然后直接在設(shè)置開關(guān)機界面直接開停機。

圖3 冷卻水系統(tǒng)控制顯示界面

3.2 溫差控制法

該機組控制原理為溫差控制法,溫差控制法為：將冷水機組進水溫度（主機組回水溫度）作為輸入信號,控制器將該輸入信號與初始溫度設(shè)定值（夏季一般設(shè)置進水溫度為20℃,冬天一般設(shè)置進水溫度為15℃）對比,輸出相應(yīng)的控制信號以控制變頻水泵的轉(zhuǎn)速,從而使冷卻水的流量滿足主機組所需的負荷,江都二站水系統(tǒng)溫差控制法見圖4。

圖4 水系統(tǒng)溫差控制法

3.3 系統(tǒng)功能

本機組同時通過MC250、MC250 電路集成版進行集中控制,通過ModBvs通訊協(xié)議,將冷水機組和水力模塊通訊信號連接到泵站控制系統(tǒng),搭建冷卻水系統(tǒng)監(jiān)控界面,通過上位機一鍵開機和關(guān)機,如發(fā)生故障,上位機直接發(fā)出報警信號,顯示故障原因。

本機組通過控制系統(tǒng)進水溫度（主機組回水溫度）,針對不同的運行條件,利用變頻技術(shù),可以實現(xiàn)15%～100%無級容量調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)低能耗、高輸出,但在實際運行中,需要考慮最不利機組（末端機組）運行條件,通過機組控制閥來調(diào)節(jié)機組壓力和流速,保障最不利機組有足夠的水頭。

4 水力模塊構(gòu)成及優(yōu)勢

水力模塊主要將管道泵、閥件、過濾器、壓力表、溫壓表、配電箱等部件集成在一個箱子里面,見圖5。本站改造后的冷水系統(tǒng)采用的是麥克維爾水力模塊,每臺套水力模塊由兩臺變頻控制水泵（含電機）構(gòu)成,一主一備,通過變頻器進行控制。本水力模塊采用的管道泵型號為TD65-30/2 SWHC,額定流量40 m3/h,額定功率5.5 kW,額定揚程30 m,其中單泵標準機外揚程為27 m。江都二站進水壓力為0.17 MPa,主水管末端壓力為0.22 MPa,各支管進水口壓力為0.15 MPa,符合二站運行規(guī)范。

圖5 水力模塊內(nèi)部構(gòu)造圖

水力模塊具備以下優(yōu)勢：（1）機組占地面積0.60 m2,相比于原有的供水系統(tǒng),減少了供水母管安裝長度和工作量,并且大大縮減調(diào)試工作量,提高了施工質(zhì)量；（2）相比于原有的供水泵,該泵增加冬季保暖裝置,當溫度低于零下時,通過環(huán)境溫度傳感器,自動啟動水泵加熱絲；（3）智能聯(lián)控,與冷水機組一起同上位機連接,可遠程控制啟停及制冷/制熱模式的切換,且運行過程中各項數(shù)據(jù)均上傳至上位機,實現(xiàn)實時監(jiān)控,提高了運行質(zhì)量；（4）機身采用密封防雨設(shè)置,減少人為和環(huán)境對設(shè)備的損傷,減少維護和檢修成本,提高設(shè)備使用壽命,且室外安裝減少土建預(yù)算,此次改造節(jié)省土建預(yù)算資金為45萬元。

5 運行經(jīng)驗總結(jié)

5.1 運行條件及參數(shù)設(shè)置

1）二站冷水機組因為設(shè)備本身需求,只需要采用制冷模式運行時,室外環(huán)境溫度為：5℃～48℃ ,機組冷卻水出水溫度范圍為5℃～25℃。

2）根據(jù)機組運行一年來實踐經(jīng)驗,進水溫度和進出水壓力必須滿足以下條件：1）冬季運行期間,設(shè)置進水溫度為8℃～12℃；夏季運行期間,設(shè)置進水溫度為20℃～22℃；2）冷卻水機組進水壓力為0.04 MPa～0.06 MPa,出水壓力為0.08 MPa～0.10 MPa,檢修層進回水壓力為0.15 MPa～0.25 MPa。

3）機組停機期間,禁止斷開設(shè)備電源,按照規(guī)定期限對壓縮機、控制器、水側(cè)換熱器、翅片式換熱器和過濾器檢查,檢查項目按照安裝使用說明書規(guī)定檢查。

5.2 維修保養(yǎng)項目(建議參考）

根據(jù)江都二站近一年運行經(jīng)驗,確定以下維修保養(yǎng)項目,建議參考：

1）冷水機組應(yīng)定期清洗翅片式空氣交換器,確保外部無落葉。棉絨、昆蟲、楊柳絮等雜物。

2）定期檢查冷卻水的狀況,如果水質(zhì)較差,請及時更換冷卻水,機組在冬季停機時,應(yīng)打開排水閥排出冷卻水,避免因溫度下降凍壞閘閥配件和設(shè)備。

3）定期清洗水系統(tǒng)內(nèi)的水過濾器。

4）定期檢查水管道內(nèi)是否混入空氣,每隔一段時間旋開排氣閥排出空氣。

5）定期制冷劑和潤滑油,正常情況機組無需補充制冷劑和潤滑油,如果出現(xiàn)泄漏情況,按照銘牌規(guī)定補充制冷劑和潤滑油。

6）由于機組振動,每隔2～3個月,應(yīng)及時檢查機組螺釘是否松動,電氣接線是否松動,并及時緊固。

6 改造后運行效果及效益分析

6.1 運行效果分析

江都二站改造后的冷卻水系統(tǒng),經(jīng)過一段時間的運行,取2019年外界環(huán)境溫度相同的一天,記錄溫度參數(shù),江都二站改造前后溫度對比見表2。通過分析表2數(shù)據(jù),江都二站上油缸溫度差和推力瓦溫度差大概相同為8℃,下油缸溫度差為6℃,上下導(dǎo)軸瓦溫度基本不變,從上述數(shù)據(jù)明顯看出冷卻效果顯著改善。改造后的冷卻系統(tǒng)溫度均勻且溫度低、操作方便、一鍵啟停、無堵塞、無污染、額定水流量小、管路連接簡單等優(yōu)點。

表2 江都二站改造前后溫度對比 單位：℃

6.2 經(jīng)濟效益分析

江都二站在土建方面,因采用密封冷水機組和水力模塊,節(jié)約建筑預(yù)算資金45 萬元；冷水機組因采用變頻技術(shù),可根據(jù)運行工況,冬季可處于斷續(xù)運行狀態(tài),實現(xiàn)了節(jié)能效果,按管理處年運行200 天計算,其中50天只需運行散熱風扇,年可節(jié)電約50000 kW[4]；（3）原有供水系統(tǒng)采用開放式直供冷卻系統(tǒng),按照每小時88 m3,每年開機200 天,大約損耗水資源為422400 m3,而改造后的冷水系統(tǒng)每年大概需要水資源400 m3,每年為國家節(jié)省了水資源422000 m3,為單位創(chuàng)建節(jié)水型機關(guān)工作作出了一份貢獻。

7 結(jié)論

江都二站冷卻水系統(tǒng)改造,成功的將中央空凋系統(tǒng)運用到泵站工程中,利用成熟的智能控制技術(shù),進一步提高泵管理效率和輔機智能化水平,具有較大的推廣價值,但還存在一些不足,例如,夏季濕度較大,管道溫度正常在20℃,容易形成凝露滴水等現(xiàn)象。