泵站水泵機組成套化設計探討

問澤杭，吳海軍，張合朋

(1.江蘇省南水北調工程建設領導小組辦公室，江蘇 南京 210029；2.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800)

長期以來，泵站主電機、主水泵生產廠家只提供主機組，而為實現泵站主機組冷卻、水泵葉片調節、水泵斷流等功能，大部分泵站都需另行配備有公共輔機系統。公共輔機系統按功能又可分為壓力油、壓縮空氣、技術供水等系統[1]，分別通過油、氣、水管道與主機組連接，通過自動控制設備實現各自功能。泵站運行過程中，某一個輔機系統的故障將直接影響泵站的安全運行，因此有必要對當前的泵站主輔機系統配置模式進行調整。隨著科學技術的發展，智能化、功能模塊化的設備得到廣泛應用，為泵站主輔機系統的優化設計提供了新的選擇。2016年，張廣峰等[2]對190系列應急柴油機水泵機組的成套化設計進行了研究。本文提出水泵機組成套化設計的思路，并對其可行性進行了探討，以供泵站設計、建設、管理人員參考。

1 水泵機組成套化的概念

水泵機組成套化就是以機組為單元，將其作為主要控制對象，不建立公共輔機系統，而采用“一對一”模式建立獨立的配套系統。因此，水泵成套設備除主水泵和電機外，還包含主機冷卻、斷流、葉片調節、自動控制、繼電保護等輔助設備或系統。水泵成套化，可以有效解決傳統方式下泵站所有機組對公共輔機系統的依賴，當一臺主機的輔機設備發生故障時，其他機組的運行不受影響。此外，各設備還可以實現互換和備用，同時也省去了大量機組間、公共輔機和主機間的互聯管道及供電電纜。

2 水泵機組成套化設計

水泵機組成套化設計是將機組、輔助設備及其控制系統進行統一，即圍繞泵站機組冷卻、葉片調節、斷流等功能，將原來的系統拆分，進行獨立設置。本文以立式泵站、虹吸式出水流道為例，提出成套化設計方案。

2.1 水泵機組的冷卻型式及容量選擇

2.1.1 冷卻型式選擇

傳統的技術供水采用直接從河道取水作為技術供水水源，近年來，由于受泵站河道水生生物及河道污物影響，往往會造成技術供水系統管道堵塞，進而影響機組冷卻條件及運行可靠性。為解決泵站技術供水形式存在的問題，部分泵站將直接供水或間接供水方式改為流道閉路循環冷卻、冷水機組供水、排水廊道循環冷卻[3]等。目前以采用冷水機組作為冷卻供水為最多，而這一方式除水的冷卻由冷水機組完成外，整個系統仍采用原技術供水布置形式，即建立全站公用的技術供水系統。實際運行時，因運行的機組臺數不一樣，需要通過調整壓力或水量來適應，也需要設置供、回水母管，這些都增加了能量損耗。為解決以上問題，采取單臺機一對一技術供水或冷卻方式，即以主機為單元，一對一安裝小型冷水機組或蒸發式冷卻。

2.1.2 單臺機組冷卻容量選擇計算

單臺機組的冷卻容量一般由電機或水泵制造廠提供，也可按制造廠提供的相關數據進行計算。

(1)單臺機組軸承發熱量計算

(1)

式中，Q為單臺機組軸承發熱量，kW；S比熱，通常水的比熱為4.2 kJ/kg·℃；De為比重，水的比重為1 000 kg /m3；F為流量，m3/h；T為冷卻水進出口溫差(一般選用2～4℃)。

以南水北調寶應泵站為例，電機上、下油缸設計供水壓力為0.1～0.45 MPa，供水溫度20℃，上油缸設計供水流量17 m3/h，下油缸設計供水流量1.5 m3/h，合計18.5 m3/h，由式(1)計算得Q為43.17 kW。

(2)冷水機組制冷量計算

根據上述計算發熱量，按能耗比3.0計算，選擇冷水機組制冷量43 kW，相應冷水機組壓縮機電功率約14 kW。

因電機冷卻進水溫度不要求太低，冷水機組在高溫制冷比低溫制冷能力強，在實際選擇時，冷水機組壓縮機電功率可以適當低于計算值。

2.2 機組葉片調節設備型式選擇及調節力的確定

為適應泵站不同運行工況的要求，并提高水泵運行效率，大型泵站通常采用葉片全調節水泵。葉片調節按照調節方式又分機械調節和液壓調節。對于液壓調節的泵站，需要增設壓力油系統，其主要功用是為葉片調節機構提供壓力油源。早期的壓力油系統由中壓空壓機、壓力油泵、油箱、閥件及控制系統組成。后期為取消中壓空壓機，采用氮氣蓄能罐。最近，內置式液壓水泵葉片調節器和內置式機械式水泵葉片調節器的使用，使取消泵站公用壓力油系統成為可能。

水泵葉片調節器調節力的大小和水泵轉輪直徑、ND值、葉片數量、水泵的流量、揚程以及操作機構制造質量等多種因素有關，目前精確計算仍有很大的難度。如2013年，陳紅勛等[4]對江都四站的機組調節力進行了計算和測試，在葉片角度-6°增加到+2°時，測試調節力305～172 kN，計算調節力289～-154 kN。湖北公安縣拓宇水利水電自動控制設備廠經過多年經驗總結，認為一般情況下，1.6 m口徑的泵，調節力150 kN左右；2.8～3.1 m口徑的泵，調節力500～1 000 kN左右。此外，引江濟淮工程的蜀山樞紐泵站，水泵葉輪直徑為3 480 mm，經測試，機組最大調節力為1 800 kN。因此，目前市場上的內置式液壓水泵葉片調節器調節能力均能滿足工程需要。

2.3 泵站機組斷流及設備選擇

目前泵站斷流方式大都采用快速閘門和真空破壞閥，分別適用于平直管出水和虹吸式出水的泵站。近年來，隨著技術的進步，出現電磁式真空破壞閥和高速卷揚式啟閉機，為機組成套化配置創造了條件。

2.3.1 快速閘門斷流速度選擇

目前快速閘門斷流按啟閉方式分為液壓啟閉機和卷揚式啟閉機。液壓啟閉機由油泵、電機、管道及閥件組成，系統相對復雜，因閉門速度快，通常適用于轉動慣量小的臥式機組。卷揚式啟閉機結構簡單，早期設計的卷揚式啟閉機閉門速度慢，近年來，隨著高速卷揚機出現，閉門速度可達5 m/min，滿足機組及規范規定的在2 min以內的關門要求。

2.3.2 電磁真空破壞閥通流直徑的選擇

真空破壞閥通流直徑和機組流量、流道長度、斷流時間及機組轉動慣量等因素有關，以圓形截面為例，最小通流直徑可按下面2種方法進行計算。

(2)

(3)

式中：D為最小通流直徑；Q空為空氣進入量，約等于出水流道倒泄水量或水泵啟動流量，m3/s ；C為流量系數，對于通用虹吸破壞閥一般取 0.5 ；γ為空氣容重，t/m3；Δp為虹吸破壞閥內外腔壓力差，m；g為重力加速度，m/s2；Q水為水泵額定流量，m3/s。

3 機組成套化計算機監控系統設計

機組成套化設計，可就近采集各種數據，就近建立管控系統，縮短控制信號電纜，節約工程費用，各現場控制單元(LCU)單獨運行，某LCU發生故障不會影響到其他LCU的正常運行，也不會影響到上位機系統的正常運行，可為機組監控帶來較大的便利。

以立式機組、真空破壞閥斷流泵站為例，具體做法是采用可編程序控制器、DCS或智能設備，面向單臺機組建立現地控制單元?，F地控制單元對水泵機組的設備功率、溫度、振動、擺度、葉片承載力等參數進行實時監測，出現故障，系統自動發出報警信號；對水泵機組運行工況及高效運行進行自主調節；利用監測數據，通過相關算法、模型，對監測數據存儲、邊緣運算，對機組運行狀態進行分析和輔助診斷。這一方式可以避免過去需要通過上位機對冷卻水系統、壓力油系統、低壓氣系統等泵站公用系統進行協調的難度。此外，由于全站所有機組編制相同的控制程序，編程及軟件升級將更為便利，為程序標準化提供了基礎條件。圖1為現地控制單元控制示意圖。

圖1 機組現地控制單元(LCU)示意圖

4 結 語

采用泵站機組成套化設計，對機組為單元進行設計與管理，可以避免機組之間干擾，降低設備故障率，有效提高設備可靠性；機組邊界清晰，易于實現自動控制、遠程控制以及控制程序標準化，對于大型調水工程或泵站群工程，可以實現多座泵站虛擬成一座泵站。此外，由主設備廠家統一設計和配套輔助設備，有利提高設備質量，同時減少現場安裝工作量。目前，雖然市場上的設備基本滿足機組成套化要求，但泵站主機輔助設備智能化、簡單化仍有較大的空間，需要作進一步研發，最終實現真正意義上的成套化。