大型泵站循環冷卻技術供水系統研究

陳廣明 詹雪艦

摘要：作為大型泵站技術管理工作的重點，技術供水系統運行效率直接影響著大型泵站安全生產、運行維護和成本核算。結合在建大型泵站輔助技術供水系統設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供水系統設計方案。該系統采用全封閉循環方式，利用泵站前池流動進水自然水冷，建設安裝簡單且投資較少，冷卻介質采用純凈水，可使系統長期運行無損耗無腐蝕，維護管理簡便。

關鍵詞：技術供水;大型泵站;循環冷卻;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設施重要的組成部分，是保護人民生命財產安全和發展糧食生產的核心裝備，在排澇、灌溉、調水和供水工作等方面發揮著不可替代的基礎性作用，在國民經濟可持續發展和社會穩定中占有重要地位[1-4]。近年來，隨著跨流域調水工程的建設實施，我國大型泵站建設規模和技術水平得到大幅提升，推進了大型泵站設計建設水平，提升了泵站運行管理能力，促進了我國大型泵站建設與管理事業的發展。

1 大型泵站技術供水系統發展

大型泵站工程是一項復雜的系統工程。除高壓供電、勵磁和控制保護系統外，主機組還需要可靠的供油、液壓、供水、供氣等輔機系統。輔機系統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和工程效益密切相關。輔助技術供水系統主要為主電機、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件溫升在允許范圍內，保障機組正常運行。因此，如何保障技術供水系統的穩定高效運行，是大型泵站建設與管理工作中重要部分[5-8]。

按目前我國已經建成大型泵站所采用的結構形式，輔助技術供水系統可分為開放式和封閉式，大部分設計都是通過進水流道側向引水管道進水，經站身埋設管道進入技術供水泵加壓，再經管道輸送至導軸承、冷卻油室等部位冷凝管道，經循環冷卻后從匯流管排至泵站前池。這種技術方案的主要特點是結構簡單、冷卻水量大、熱量交換較快，缺點是進水水質較差，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，可能會導致重大設備事故，增加機組運行維護成本，同時加壓機組系統能耗高效率低。目前沿淮地區河湖水系水質較差，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，經管道后進入技術供水系統，極易造成因技術供水系統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。根據淮南市目前大型泵站技術供水系統運行維護調研統計情況，機組導軸承溫升異常的檢查結果表明：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，首先從技術角度上看，開放式技術供水系統管路始終與外界水系相通，雜物進入管路的情況不可避免;其次是天然環境水系水質較差，技術供水進水口未考慮設置攔污裝置或是管路沒有設置過濾或沉淀裝置。另外，從現有技術供水系統設計原理和運用情況來看，即使設置過濾或沉淀裝置，因水質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展，近年來有個別新建大型泵站根據運行和管理實踐，將冷卻循環水改用地下水或者是采用水箱循環水，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、水質變質等問題，同時冷卻管路還存在進氣、補水等問題。南水北調工程個別大型泵站對技術供水系統進行封閉循環改造，方案為采用室外式強制風冷空調散熱器，在室外增加了強制風冷散熱機組，但是系統改造成本高，同時仍存在散熱效果差、能耗較高、環境噪音大等問題。

2安徽省供水系統現存問題與技術需求

安徽省位于長江中下游和淮河中游，地勢低洼，行蓄洪區眾多，防洪排澇任務繁重。目前全省已經建成的大型泵站（規模在50 m3/s或1萬kW以上）有10余座，是我國大型泵站建設較為集中的省份，加上目前正在建設的引江濟淮調水泵站群，全省大型泵站總數將達到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模在國際上也不多見。其中正在建設的蜀山樞紐泵站總裝機達6萬kW，調水流量達300 m3/s，其單站流量規模在世界范圍內屈指可數。

2.1 存在問題分析

以沿淮地區安徽省淮南市已經建成的西淝河、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，均采用技術供水系統與消防供水系統合并設計，共用離心泵從前池供水至消防水箱和技術供水管道，經冷卻循環后排至泵站前池。從各站技術供水系統近年運行統計情況看，曾多次出現供水泵機組、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生，影響了泵站機組的運行安全。

同時，大部分泵站技術供水系統與消防供水系統合并設計，技術供水泵兼作消防泵。水泵按照消防供水最大水量和最大水頭校核設計，由于消防供水水量和最大水頭遠遠大于技術供水系統參數，造成技術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，每年技術供水系統能耗電量在3萬～4萬kW·h，系統經濟性較差。

2.2 技術需求分析

泵站技術供水系統最基本的功能就是為主機組提供冷卻用水，耗水量根據系統冷卻熱當量需求進行分析確定。為解決當前技術供水系統方案存在的問題，首先要解決冷卻介質潔凈度問題，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循環后熱排放問題，目標是冷卻系統高效運轉，同時需對技術供水和消防供水機組進行節能降耗優化設計。

而大型泵站技術供水系統對冷卻水質要求較高，按照有關規定：冷卻水不應含漂浮物;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垢，冷卻水應是中性水，硬度不宜大于10度;冷卻水pH值應呈中性以避免腐蝕管路與用水設備。

按照目前國內大型泵站運行的河道水質環境來看，絕大部分天然河道水質無法滿足冷卻水質要求，現階段大型泵站技術供水冷卻系統更宜采用封閉循環設計的技術路線，才能保證安全高效運行。

3 技術供水方案設計

通過上述技術需求目標分析，結合泵站機組冷卻組件的結構與運行特點，為保證冷卻介質純凈可靠，設計采用綜合封閉冷卻循環系統。整個系統分為2個子系統。

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

（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。

封閉循環技術供水系統利用泵站前池水流為技術供水系統外周冷卻環境，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消耗動力。對于技術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相差很大，共用水泵選型困難，可考慮將技術供水和消防供水分開作為獨立系統設計。綜合以上因素考慮，設計泵站技術供水系統方案如下：

技術供水系統采取單機組獨立封閉循環、自然水冷方式。單機系統由循環動力泵、管路、閥組、內外熱交換器、測量顯示和控制保護等部分組成，各機組技術供水系統相對獨立運行，與對應機組同步啟動互不干擾。循環動力泵選用管道式循環泵，循環介質選用純凈水，內外散熱器組件均選用銅或不銹鋼材質，因為系統為全密閉工作狀態，冷卻介質沒有損耗，管道也不會產生空氣，可根據需要設置排氣閥和高位自動補水水箱。根據主機組對冷卻系統技術要求，核算技術供水系統循環流量、入口壓力技術要求，綜合考慮主機組技術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，計算技術供水系統管路管徑，復核循環管道泵技術參數，管閥組件優先考慮不銹鋼材質，以確保系統防腐和運行耐久性。

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

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計，水源采用市政自來水或深井地下水，詳細設計在此不再贅述。

大型泵站水冷封閉循環技術供水系統如圖1所示。

本技術供水方案主要優點有：

（1）系統采用全封閉循環方式，解決開放式技術供水系統因水質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，相對強制空冷系統節能高效，人機環境友好;

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

（4）每臺機組技術供水系統獨立運行，互不影響，技術供水系統運行效率高。

4 結 語

按一般大（2）型以上泵站技術供水系統規模分析，改造成為封閉循環水冷系統后，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、監測計量傳感器等，新增投資可控制在20萬元以內。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，同時可取消預埋進水管道和離心機組的設備占用空間，減少機組噪音，改善運行人員工作環境，大幅提高泵站機組運行安全可靠性和工程利用率，經濟和社會效益極其顯著。

參考文獻：

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

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

（編輯：江 文）