皂河站冷卻水系統改造可行性分析

吳良宇，汪昊藍

0 引言

泵站輔機系統主要包括油系統、氣系統、技術供水系統以及排水系統，是保證泵站安全、經濟運行所不可缺少的重要組成部分。技術供水系統主要是向主機組及其輔助設備供應冷卻潤滑水，如同步電動機的空氣冷卻器冷卻用水、推力軸承和上下導軸承的油冷卻器冷卻用水、水泵油導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供水量的85%左右[1]，冷卻水供應既要保證持續供給，又要滿足設備冷卻要求。目前，傳統冷卻水系統存在冷卻水雜質多、管路易淤堵、管路復雜、冷卻效果不穩定等問題，影響機組安全運行[2]。皂河抽水站在檢查時發現也存在這些問題，為了優化供水系統，提高供水穩定性與可靠性，改善機組運行條件，保障機組安全運行，擬采用冷水機組[3]對系統進行更新改造。

1 工程概況

江蘇省皂河抽水站（以下簡稱皂河站）位于江蘇省宿遷市皂河鎮北5 km處，東臨中運河、駱馬湖，西接邳洪河、黃墩湖，是南水北調工程的第六梯級站，安裝2臺6HL-70立式全調節導葉式混流泵，單臺設計流量為100 m3/s，抽水能力200 m3/s，配用TL7000-80/7400型立式同步電動機，單機功率7 000 kW，總裝機容量14 000 kW。

2 皂河站冷卻水系統

2.1 供水方式

目前，皂河站技術供水方式為聯合供水方式，3臺技術供水泵，兩臺工作，一臺備用，從下游引河河道取水，經供水泵加壓后送至供水母管，然后經濾水器LD-250后通過管網的干管、支管分送至各機組的電動機空氣冷卻器、上導軸承和推力下導軸承的油冷卻器、水導軸承油冷卻器和主軸密封用水。管道中裝有壓力表、電接點、示流信號器和各種水表，用以監視供排水管路的水壓、水流。供水系統見圖1。

圖1 皂河站供水系統圖

2.2 存在問題

皂河站在2012年更新改造工程實施時，對所有供水管路進行了更換，但是在2017年3月2日進行的汛前檢查時發現示流信號計處管路淤堵嚴重（見圖2），管路淤堵易導致供水管水壓力達不到要求，影響冷卻效果，危及機組安全運行。

圖2 管路淤堵情況

經分析，管路淤堵主要原因為以下幾點：

（1）供水水源為下游引河河道，引河河道內水源泥沙含量高、雜物及水生生物較多，雖然取水口處裝有蓮蓬頭，管路中有濾水器進行過濾，但是并不能完全濾清水流，機組長期運行造成管路淤堵；

（2）示流信號計內機構阻水造成水流流態變化形成淤堵，時間一長會加重，甚至會造成整個管路淤堵。

此外，供水水源的水溫受外界環境影響，波動大，造成冷卻效果極不穩定，影響機組安全運行。

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，穩定水溫，但是在目前這種取水方式下是不可能實現的，因而可以考慮在冷卻水系統中使用冷水機組，利用冷卻水可循環使用的特點，采用循環供水方式[4]，通過系統內安裝的冷水機組帶走機組運行時產生的熱量，達到有效散熱冷卻的目的，從而改善機組運行條件。

3 采用冷水機組對冷卻水系統進行優化改造

3.1 冷卻水系統改造可行性分析

江蘇省泗陽第二抽水站原技術供水系統由于水源水質不佳，經常導致供水系統管道阻塞，致使供水管水壓力達不到要求，供水量不足，影響機組冷卻效果，其幾經技術改造最終采用了風冷冷水空調機組供水與廊道清水循環供水的改造方案，極大改善了機組的運行條件，提高了技術供水的安全性和可靠性。睢寧二站在技術供水系統設計時，對比之后選擇封閉循環式技術供水方式，將循環使用的冷卻水加壓后至冷水機組冷卻，再供給各個需水對象[5]。

在參考了一些大型泵站的技術供水系統改造方案之后[6-8]，皂河站為了解決管路淤堵問題，擬在供水系統中增加ZWLQ-30軸瓦冷卻機組，改用封閉循環式供水方式，對冷卻水系統進行優化改造。下面從皂河站主機組冷卻用水量和發熱量兩方面進行分析，研究冷卻水系統改造方案的可行性。下表是單臺機組設計用水量表。

根據表1，可知單臺主電機合計冷卻水流量226.5 m3/h，按進水溫度26℃，出水為28℃，進出水溫差2℃計算，需冷量＝226.5×（28-26）/0.86＝526.75 kW。皂河站有2臺機組，共需制冷量1 053.50 kW，機組冷卻水流量為453 m3/h。

表1 單臺機組各項用水量表

為了準確測量單臺機組實際用水量，在1＃主機組管道上安裝水表，測量出實際用水量見表2，并同時記錄2臺機組相應時段進水溫度和出水溫度，溫度記錄見表3。

根據表2機組運行時測量數據，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，水導軸承4 m3/h，單臺合計154 m3/h。根據表3現場測量數據可知，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℃計算，單臺機組需制冷量＝154×1.54/0.86＝275.76 kW，2臺合計所需制冷量551.52 kW。

表2 1＃主機組實際用水量統計表（單位：m3）

表3 機組實測進水、出水溫度記錄（℃）

根據電機效率參數（見表4），電機在80%時輸出功率時效率為94.8%，電機額定功率為7 000 kW，計算得出單臺電機的熱損耗為364 kW。而實際運行時，機組功率達不到額定功率，根據多年機組運行數據分析，在機組流量達到額定流量100 m3/s時，電機功率在5 700～6 000 kW之間，取上限6 000 kW，所以單臺電機的熱損耗＝6 000×（1-94.8%）＝312 kW，2臺電機的熱損耗為624 kW。

通過以上分析計算，在實際運行時2臺主機組冷卻水流量為308 m3/h，所需制冷量要達到624 kW。

ZWLQ-30軸瓦冷卻機組在環境溫度35℃時，進水溫度25℃，出水溫度22℃情況下，機組制冷量為117 kW，水流量為29 m3/h。采用6臺機組時，制冷量為702 kW，流量174 m3/h，能滿足皂河站主機組冷卻要求。

表4 皂河站主電機效率參數表

需要說明以下幾點。

（1）冷卻水流量問題，雖然6臺冷水機組總流量為174 m3/h，小于目前實際用水量，但是由于是強制循環冷卻，帶走機組發熱量是沒有問題的。

（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埋管道必須進行充分沖洗。

（3）夏季機組高溫運行時，要適當提高冷水機組出水溫度以減少冷凝水；冬天機組不運行時，要打開排水閥排盡管道和機組內循環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，冷水機組帶有備用機組，其特點是進出水溫度可以控制和調節，冷水機組進出水溫差不低于5℃。

3.2 冷水機組運行機理

改造后的冷卻水系統由循環供水裝置和冷水機組兩大部分組成[9]。

3.2.1 循環供水裝置

循環供水裝置主要由穩流罐及相關測控附件、立式多級離心泵（2臺，一用一備）、電器控制柜、管路和測量附件、閥門等組成，由一個公共安裝底座連成一個整體模塊，所有管道、閥門均采用不銹鋼材質。

循環供水裝置用于提供冷卻水，冷卻水經另外配置的ZWLQ-30軸瓦冷卻機組進行冷卻，冷卻后的冷卻水進入冷卻水管，以達到降溫的目的。

穩流罐：穩流罐內置真空抑制器和低水位傳感器，外接電磁補水閥，系統循環水量增大時起到調節和補償水量的作用，穩流罐在系統正常運行時為全封閉裝置，回水管內的水壓可以疊加到水泵的進水端，起到節能的效果；在低水位傳感器感應到罐內水位降低時，外接電磁補水閥打開，對系統進行補水。真空抑制器在罐內水位降低、沒有水補償時，與大氣接通，防止管內出現負壓。

立式多級離心泵：系統設置2臺水泵，一用一備，為冷卻系統提供冷卻水。每臺泵的出口裝有止回閥，系統正常運行時，對應的止回閥打開，另一臺水泵的止回閥為關閉狀態，防止水回流到備用泵。

圖3 循環供水裝置

電氣控制柜：系統中冷卻水溫度、壓力、流量傳感器信號傳到控制柜。控制柜設有現場顯示儀表、按鈕、信號燈及觸摸屏，本地、遠程選擇按鈕設在面板上。控制柜內設置PLC和變頻裝置，通過控制電機轉速實現系統母管內的流量調節和保持壓力恒定。PLC具備以太網通信接口，并提供接點傳到泵站計算機控制系統。控制柜配備RS485遠程通信接口，支持標準的MODBUSRTU通信協議，利用該端口進行遠程測控。通過開放相關接口，可在遠方監視設備的運行狀態及數據，還可以修改相應設定參數，并可控制設備的啟動、停止。控制系統具有RS485通訊接口及硬接線遠程接口，相應進出水溫度、壓力、流量、水位均以硬接線方式同時進行遠傳。

3.2.2 冷水機組運行機理

主機組冷卻器經熱交換流出的熱水經循環供水裝置送至ZWLQ-30軸瓦冷卻機組，熱水經過ZWLQ-30軸瓦冷卻機組強降溫后再次經母管和支管進入主機組冷卻器，進行熱量在循環水中交換的封閉式循環[10]，以達到降低主機組溫度的目的。管道中冷卻水的損失由水箱自動補給。管道中的冷卻水由于氣溫變化或某些外界原因產生氣體時，自動放氣閥及時地將氣體排出，避免了水泵汽蝕和換熱效果不佳等情況的發生。

3.2.3 主要特點

（1）循環冷卻水由流量與壓力同時控制，流量與壓力可同時滿足使用要求，從而實現安全可靠節能的目標。

（2）循環供水裝置能接受軸瓦冷卻機組的指令并自動運行，智能化、集成化程度高，操作簡單，節省人力。

（3）立式多級離心泵根據運行時間進行主泵與輔泵交替運行，確保水泵平衡磨損。

（4）設備全封閉運行，水質有保障。

（5）具有良好的過載、短路、過壓、欠壓、缺相、過流、短路、水源缺水等自動保護功能，在異常情況下能進行信號報警、自檢、故障判斷等，保護功能齊全。

4 結語

經分析，皂河抽水站采用6臺ZWLQ-30軸瓦冷卻機組供應冷卻水能夠滿足主機組冷卻要求，可采用此方案進行更新改造。改造后的冷卻水系統取水方便，水中無泥沙、漂浮物，水質有保證，水溫穩定，將能夠有效解決管路淤堵問題，確保機組冷卻水供應暢通，不會因冷卻水減少而影響機組運行，冷卻效果穩定，運行可靠性高，保障機組安全運行。如今，傳統技術供水方式已不能滿足很多大型泵站安全可靠運行的要求，因此采用冷水機組進行循環供水的方式已經越來越普遍，已成為泵站技術供水的一種發展方向。