地鐵隱藏式冷卻塔與冷卻泵同層布置的關鍵問題分析

吳紹康

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000）

地鐵常規冷卻塔一般設置在高風亭上、冷卻塔單獨設置在地面以及冷卻塔單獨下沉式設置等幾種形式。常規冷卻塔的設置存在征地拆遷面積大、噪聲高、景觀差等系列問題。常規冷卻塔的設置參照一般民用建筑冷卻塔的設計，未充分考慮地鐵工程的土建特點，根據羅輝等的研究，在進排風亭間，常有可以利用的剩余空間，將冷卻塔設在新排風井之間的剩余空間內，能夠有效解決上述痛點問題，將冷卻塔結合車站附屬埋于地下的布置示意圖如圖1所示。

圖1 隱藏式冷卻塔結合車站附屬布置的示意圖

將冷卻塔結合車站附屬空間，冷卻塔與冷卻泵位于同層，冷卻塔集水盤的高度受地下空間凈高的限制，集水盤與水泵入口的高差較小，集水盤的控制水位低于機房內冷卻水管的最高點；相對常規冷卻塔，同層布置的隱藏式冷卻塔存在氣蝕、空蝕以及倒流等新的問題需要考慮。本文針對新型的地鐵冷卻塔布置型式，重點研究泵塔同層布置時存在的關鍵技術問題，旨在為地鐵冷卻塔設置難題提供參考。

1 隱藏式冷卻塔的氣蝕分析

以廣州地區典型站標準化的冷水機房為例，機房布置詳見文獻[2]。管道設計流速參照經濟流速的設計標準。驗算一般站的冷卻水泵氣化情況，計算主要控制條件如下：

（1）單臺冷卻塔選型水量為200m3/h計算（共計2臺），計算冷卻水主管流量為290m3/h，計算流速為1.64m/s。

（2）冷卻塔以及水泵接管尺寸均為DN200，計算流速為1.28m/s。

（3）水泵進口水溫考慮不利情況，取35℃，對應的汽化壓力為5.6kPa

（4）地鐵行業冷卻水泵氣蝕余量可取4m。

經計算，從接水盤入口至水泵入口的局部阻力損失為2.2m，沿程阻力損失為0.4m，總計算阻力為2.6m。阻力損失考慮1.1倍的安全系數，總阻力可控制在2.9m。水泵吸入口超過汽化壓力的富余壓頭為6.9m，大于水泵的氣蝕余量。

2 隱藏式冷卻塔的空蝕分析

2.1 水泵蝸殼最小淹沒深度需求

地鐵工程普遍采用單級單吸臥式離心泵，分站供冷車站的冷卻水泵的選型功率一般在15～30kW。這一功率范圍內的單級單吸臥式離心泵的葉輪頂部高度距離機房裝修完成米面一般在800mm左右；考慮方案階段，設備未招標，不同廠家、不同冷卻水泵的結構差異，冷卻水泵的蝸殼頂部距離機房裝修完成面的高度按1m考慮，能夠滿足分站供冷的車站包容設計要求。

管道式離心泵的電機與泵一體化設計，采用立式結構，占地面積小，運行平穩，泵進出口設計成規格相同的法蘭且位于同一中心在線。當塔、泵同層布置時，采用管道式離心泵更有利于滿足水泵的淹沒深度要求，有利于水泵的啟動。此外，采用管道泵后，泵的出口可直接水平接入冷水主機入口，相比臥式離心泵的布置方案，減小了管路阻力，同時減小了冷卻水管的停機倒流水量。

2.2 冷卻水管吸入口的最小淹沒深度分析

為保證水泵正常運行，一般要求吸水管管口的淹沒深度必須大于臨界淹沒深度hcr。隱藏式冷卻塔與冷卻泵同層布置時，系統所需水容積最大的工況點為系統初始啟動冷卻水泵的工況，初始時刻，從水泵吸入口至與集水盤靜止水面等高的管段內充滿了流動介質。其余部分冷卻水管及冷凝器均按空管考慮。如果補水速率小于水泵的抽水速率，水位會不斷下降，當下降超過水泵吸入口臨界淹沒深度時，將會形成進氣漩渦，影響水泵的正常工作。因此，不同流量條件下，發生吸氣旋渦的臨界相對淹沒深度（h/D）cr是隱藏式冷卻塔集水盤設計的關鍵參數，也是控制旋渦形成的一個主要考慮因素。

何等通過試驗觀測水泵吸水管附近旋渦生成、發展的過程，得到了吸水口臨界淹沒深度與流量的關系式，如下：

式中，h為吸入口的淹沒深度，m；D為吸入口的管徑，m；Fr為弗勞德準則數Fr=u× (gL)?1/2；u為吸水口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；L為吸水管的特征長度，m。

經計算，得到不同冷卻水管徑及不同冷卻水量的臨界淹沒深度。計算結果表1所示：

表1 不同冷卻水管徑以及冷卻水量的臨界淹沒深度

3 隱藏式冷卻塔集水盤容積的確定

通常冷卻塔的補水量為冷卻水流量的1～2%，補水量遠小于水泵的流量，初始最不利工況下，啟泵時集水盤水位不可避免地下降，水位下降的極限位置不低于3.2小節。集水盤的浮球閥控制水容積需要滿足循環管路的補水量，同時滿足補水后的集水盤水位不低于臨界淹沒深度。

以廣州地區典型裝配式冷水機房的布置方案，計算水泵初始最不利工況需要給循環管路補充的水量，此水量也就是從集水盤初始水位下降到最小淹沒深度的水容量，計算得到典型裝配式布置的冷水機房，初始起泵的系統循環計算補水量為4.92m3以及選型補水量為5.42m3，如表2所示：

表2 系統循環的選型補水量

兩臺臥式隱藏式冷卻塔的集水盤的長寬尺寸按照2.5×9.0m考慮，設計集水盤的選型補水量的下降高度為0.24m。

綜上所述，冷卻塔集水盤的初始水位的高度不應低于選型補水量的下降高度與臨界淹沒深度之和。根據第三小節中臨界深度的計算，不同冷卻塔接管管徑及不同冷卻水量（單臺塔）的冷卻塔浮球閥控制水位深度結果表3所示：

表3 冷卻塔集水盤控制水位深度

4 結語

充分利用車站土建附屬多余空間，隱藏式冷卻塔能有效解決塔用地征拆困難、噪聲高、景觀差及易被投訴的難題，但塔泵同層布置時，應考慮冷卻水泵的氣蝕、空蝕等問題，應核算冷卻塔集水盤的容積以及考慮停機時冷卻水倒流問題。

對于一般地下車站，泵塔同層布置時，合理設置塔的基礎高度、采用管道泵、塔出水管位置、優化水管尺寸以及集水盤大小等措施可滿足冷卻水泵的正常啟動，可避免出現氣蝕、空蝕的發生。