江尖泵站技術供水系統優化配置研究與實踐

(無錫市城市防洪工程管理處，江蘇 無錫 214023)

隨著中國農業治澇標準和沿江環湖城市的防洪標準提高，近十多年來在沿江河、湖泊地區已興建或將規劃建設一批揚程在0～3m的大型排水泵站。此類泵站的特點是流量大、揚程低，屬于特低揚程泵站，其中有相當一部分泵站采用了豎井貫流形式。自2004年無錫市梅梁湖豎井貫流泵站建成以來，中國已建和在建的大型豎井貫流泵站近20座。豎井貫流泵站在農業治澇和城市防洪中發揮了巨大作用，但與此同時，在豎井貫流泵站運行中仍存在一些亟待解決的關鍵技術問題，這其中泵站技術供水系統的合理配置及其可靠性尤為關鍵。

1 概 況

江尖水利樞紐泵站是無錫市城市防洪工程的主要排澇和調水泵站，位于江尖大橋與吳橋之間的古運河上，泵站安裝有三臺2500ZGB-20型豎井式貫流泵及配套YKS560-8型10kV異步電動機，單機功率為800kW，采用單列布置，機組中心距8.2m。電機與水泵通過型號為H2SM13的齒輪減速箱傳動。泵站設計揚程1.46m，總設計流量60m3/s，總裝機容量2400kW，于2006年7月建成投運。泵站建成后為無錫主城區防洪排澇和調水引流發揮了重要的作用，目前已累計運行約8600臺時，調排水量約6.2億m3。

1.1 技術供水系統參數與原理

江尖水利樞紐泵站技術供水系統由循環供水和冷卻供水兩個子系統組成，設有35m3循環供水貯水池，采用2臺套LS100-44A型離心泵作為循環水的動力，功率18.5kW，流量94m3/h，揚程44m；冷卻系統采用2臺套LS150-24B型離心泵，功率18.5kW，流量173m3/h，揚程24m，配有2臺BFR250型板式熱交換器，為預防板式熱交換器被水中雜物淤堵，在冷卻管線中配置了2臺TY型濾水器。

在機組運行過程中，循環水通過循環泵對電動機、齒輪箱和推力軸承進行冷卻，并對填料函進行水潤滑。循環水的路徑是：水箱→循環泵→進水管道→熱交換器→機組設備→回水管道→水箱。冷卻水的作用是通過熱交換器對循環水進行降溫，即：開啟冷卻泵，從進水流道取水，經濾水器過濾，進入板式熱交換器，通過板式熱交換器降低循環水水溫，最后排入河道。

1.2 技術供水系統存在的問題

泵站長時間運行時，經常出現技術供水系統循環水水溫突然上升的狀況，導致機組設備溫度急速上升。后經檢查，發現冷卻水壓力表基本無顯示，冷卻水出水口出水量很小，通過進一步檢查，發現冷卻泵內有垃圾堵塞。在垃圾清理后，或更換備用進水口取水，水壓顯示正常，循環水水溫下降明顯，判定為冷卻水進水口堵塞、水泵葉輪上有雜物纏繞或濾水器濾網堵塞，從而導致冷卻水供水不足，影響了冷卻效果。另一方面，濾水器濾出的垃圾經過管道排入集水井，還會造成集水井滲漏排水泵的堵塞。造成以上堵塞情況的主要原因是冷卻水取水口在泵站流道中，而城區河道水質較差，水中雜物較多，當泵站機組開啟時，河道內垃圾隨水流涌動，進入冷卻水取水口，進而將進水口、冷卻泵及濾水器堵塞。由于冷卻泵、濾水器等極易堵塞，有時甚至無法開啟，維修頻繁，使用十分不便，導致運行人員不愿開啟冷卻水系統，循環水溫高時開啟水箱出水閥，排出高溫的循環水，同時開啟水箱進水閥，補充自來水，雖可以抑制循環水溫升高，但是存在進水是否跟得上放水，集水井是否能及時外排等問題，最重要的是造成了自來水的大量流失，據統計，非運行月份和運行月份，自來水用水量相差約500t(僅統計8h運行情況)。因此，無論從便于管理的角度，還是從節約用水的角度來說，對原系統進行改造是十分必要的。

2 配置優化研究與實踐

從國內外相關研究和實踐來看，目前泵站技術供水散熱系統主要有風冷式水冷機組、板式熱交換器和盤管式熱交換器等不同形式，江尖泵站原先采用的是板式熱交換器形式。從現場情況來看，除板式熱交換器外，風冷式水冷機組、盤管式熱交換器均無法進行安裝，改造難度大。因此，需要探索研究一種新的技術供水形式，既能保證降溫效果，又便于改造，適應現場情況。根據江尖泵站現場實際情況，初步設想出一種外置空調降溫、空氣介質與散熱器直接換熱、風機排熱的新型技術供水系統，同時依據傳熱學、流體力學的基礎理論，研究熱質交換規律和水力輸運規律，提出系統合理配置模式。經過理論計算，若要降低循環水溫3℃以上，換熱面積要達到1023m2以上。通過比選，與空氣介質直接換熱的散熱器選用翅片管作為主要換熱原件，管內流體通過管壁及翅片對外界進行熱交換，由于翅片增加了換熱面積，將顯著增強換熱量。

根據前期研究成果，對江尖泵站技術供水系統進行改造，將原系統中的冷卻水系統進行了拆除，新安裝兩臺翅片管熱交換器，主要參數如下：總傳熱系數為25kcal/(m2·h·℃)，換熱面積為1025m2，迎面風速為3.6m/s，迎風面積為6.14m2，流量為30t/h。同時，對技術供水的管路也進行改造，新的循環水的路徑為：水箱→循環泵→進水管道→翅片管熱交換器→機組設備→回水管道→水箱，其中翅片管熱交換器是冷卻循環水的關鍵裝置。新的技術供水系統由開式的冷流系統和閉式的熱流系統組成，冷流與熱流在翅片管熱交換器中換熱，由冷流將熱流中的熱量帶出，排入自然界中。冷流是在一個封閉性良好的室內，室內的空氣灰塵含量較少，空氣質量較好。冷流系統由送風機、壓力和溫度監測傳感器組成，由送風機抽室內的冷空氣進入翅片管熱交換器與熱流換熱，交換熱量后的熱空氣直接排到室外。當室內的溫度升高到給定值時，由室內的空調給室內的空氣降溫。熱流系統包括循環水箱(或水池)、供水泵、管道及閥件、示流信號器、壓力和溫度監測傳感器等。由供水泵將循環水箱中的熱流送入翅片管熱交換器與冷流換熱，從翅片管熱交換器出來的冷卻潤滑水通過管道供給冷卻潤滑用水對象，冷卻水流經用水對象后獲得熱量變成熱水，再回到循環水箱，形成閉式循環，這其中潤滑水不再回到循環水箱，而是排至主泵內，少量排至集水井，因此循環水箱有時需要補水。

改造后的翅片管換熱器技術供水系統見圖1。

圖1 翅片管換熱器技術供水系統

3 優化改造后系統效果與效益

3.1 改造后系統效果

新的技術供水系統改造完成后，選取江尖泵站1臺機組運行時的數據進行效果檢查，9點開機運行，未開風機，室溫約14℃，循環水箱水量約15m3。具體循環水溫度隨時間的變化見表1。

表1 循環水溫度時間變化

由表1可見，循環水溫度隨時間上升的幅度不大，且到12h以后趨于穩定，不再明顯上升。

經過一段時間的運行，從運行情況來看，新的技術供水系統冷卻效果十分明顯，在同樣的運行工況下，可以比原系統降低循環水溫2～3℃，若再開一臺風機的話，實際降溫效果在5℃左右。

3.2 改造后系統效益

新的供水系統改造完成后，不僅有效地解決了豎井式貫流泵站長時間運行時機組溫度居高不下的問題，保障了主機組的運行安全，而且還減少了技術供水系統的運行能耗。按江尖泵站年平均運行時間1000h計，預計每年可節電約23萬kW·h，電價按1元/(kW·h)計算，每年可節約電費近23萬元。

江尖泵站擔任著無錫城區的防洪排澇任務，改造后的技術供水系統提高了泵站的運行可靠性，增加了泵站汛期開機時長，減少了汛期無錫主城區被淹沒面積，保障了人民生命財產安全。

4 建議及思考

翅片管換熱器技術供水系統改造在江尖泵站的應用十分成功，比較原水冷系統，該系統改造成本低，維修養護簡單，有效地解決了豎井式貫流泵長時間運行機組溫度居高不下的問題，同時有效地保障了主機泵組的運行安全。但由于時間倉促，系統還存在一些需要改進和提高的地方。

4.1 翅片管散熱器安裝位置不合理

由于現場實際條件，翅片管散熱器安裝在循環泵出水側，機組設備的前面，更合理的位置應在循環水箱回水側之前，這樣從機組設備出來的熱流循環水可以降溫后再進入循環水箱，避免水箱水溫升高。

4.2 所選翅片管散熱器風機功率偏大

為增加翅片管散熱器的散熱效果，在翅片管散熱器上安裝了4臺功率為4kW的風機，實踐證明風機選型功率太大，數量偏多，翅片管熱量散發的速度跟不上風機排風的速度，造成了浪費，且由于風機功率較大，噪聲也相對偏大。因此，風機選擇也應進行相關計算，選擇更為合適的功率和數量。

4.3 系統的自動化程度有待提高

由于系統改造相對倉促，未對系統自動化程度進行過多的設計，僅安裝有兩個溫度監測傳感器，可以考慮進一步提高系統的自動化程度，如根據溫度情況自動啟停風機、室內空調系統自動啟停等，甚至可以研究根據循環水箱水量、水溫、機組設備溫度等工況自動控制設備運行的系統。