大型泵站機組冷卻系統研究分析

姚輝勇，黃金偉，王騰，宋攀科

（1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.中國南水北調東線有限公司徐州分公司，江蘇 徐州 221000）

1 概述

南水北調某泵站裝置5 臺3000HSTM 燈泡灌流泵，機組動力采用TG1650-52 電機，該電機冷卻裝置為中國船舶重工集團公司第七一一研究所設計的電機冷卻系統KLSZ110。自2013 年運行以來共計8個調水年度，運行狀況良好，在2019 年運行期間流量傳感器顯示流量值較設計值變小，壓力表數值較設計值變大，經分析認為冷卻器及管道內應有不同程度的結垢，于是對4#機組冷卻器進行拆除維修，發現淡水冷卻器銅管內有不同程度的水垢及細粉砂沉積現象，對冷卻器采用高壓水及專用清洗劑清理后，效果明顯。

2 結垢的原因分析

2.1 水中溶解物的濃度分析

水源在循環水系統中，由于補充水采用天然井水，井水中含有的鹽類如碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硅酸鹽和其他礦物質，硬度300mmol/L 左右。在循環冷卻水經換熱后進淡水冷卻器冷卻，水中礦物質和離子含量也不斷被濃縮，與堿性物質發生反應，部分離子如Mg（OH）2和礦物質沉淀析出，由于Mg（OH）2等物質的膠凝作用，與水中的懸浮物、泥沙等沉淀下來。眾所周知水中含有的溶解鹽類越多，越容易析出，粘附在冷卻器銅管內壁表面而結垢。

2.2 溫度和溫差分析

在冷卻水和冷卻器換熱過程中，溶解在冷卻水中的二氧化碳會不斷逸出，水的pH 值會升高。氣體二氧化碳的溶解度隨著溫度的升高而減小，隨著溫度的降低而增大。據統計在0℃，標準大氣壓下二氧化碳的溶解度為（體積比）1∶1.713；在20℃，標準大氣壓下二氧化碳的溶解度為（體積比）1∶0.878；在60℃，標準大氣壓下二氧化碳的溶解度為（體積比）1∶0.359。在空氣冷卻器中溫度為65℃，循環淡水中二氧化碳的不斷逸出，pH 值的上升，結垢趨勢加快，可在淡水冷卻器表面形成碳酸鈣垢層。在循環水使用過程中由于水溫呈現周期性升降狀態，當溫度升高時具有負的溶解度溫度系數的鹽類(如硫酸鈣等)由于溫度升高溶解度降低并析出形成水垢；而當溫度降低時具有正的溶解度溫度系數的鹽類如二氯化鈣由于溶解度降低而析出成垢。

3 冷卻器、管路的疏通及清理

泵站的冷卻器材質為薄壁黃銅，位于機組流道內不能輕易起吊維修冷卻器。在2019 年度維修拆除淡水冷卻器時，發現結垢基本為白色碳酸鹽類，還有少許沉淀泥沙等，若采用傳統高壓水結合人工疏通方式進行，會對黃銅冷卻管造成傷害，影響運行。針對該問題查找資料，結合泵站機組設備的實際情況，制定詳細的冷卻器水垢清除方案，定期采用高壓水結合食品級檸檬酸除垢劑清洗，避免造成對淡水冷卻器的機械損傷和化學腐蝕。

食品級檸檬酸除垢劑除垢能力強，對碳酸鹽、硫酸鹽、鐵銹、銅銹形成的污垢具有較強的溶解能力，且對換熱銅管無腐蝕。這種方法優點是除垢徹底且對淡水冷卻器無傷害，能提高清理工作效率。水垢和除垢劑反應化學方程式：

3.1 前期準備

連接管路、清洗泵、清洗桶、連接管路、與管路相符的閥門等，做好閉路循環系統。拆卸設備原管路，連接已準備好的管路閥門和清洗管路，做好清洗準備。記錄清洗前設備的溫度、壓力、能耗。用高壓清水對其進行沖洗，一是為了檢查循環系統有無泄漏，二是確定用水量和清洗劑用量，三是盡量沖除附著的水垢及沉淀的泥沙。待出水口水無雜色等異常現象時進行下一步檸檬酸除垢劑循環清洗。

3.2 清洗設備

先在系統清洗桶內緩緩加入檸檬酸除垢劑循環5min 以便能夠混合均勻，根據上步計算的用水量，先按照1∶10 比例稀釋檸檬酸除垢劑原液。循環20min 后測量一次pH 值，若pH 值大于1 適當補充原液。連續循環2～3h，每半小時測量一次pH 值，若后兩次pH 值均在1 以內說明水垢已清理完畢，停止循環。為了防止大塊垢質被剝離后堵塞管路，將管路反連接，進行反沖洗、脈沖沖洗，再次測pH 值，如果連續兩次pH 值在1 以內，則已清洗干凈。

3.3 設備調試運行

管道已清理干凈，但是管道及冷卻器內稀釋液pH 值較小，易腐蝕管路。更換清洗桶內稀釋液為清水后緩緩加入小蘇打等弱堿性物質攪拌均勻，繼續循環沖洗干凈管路，使殘留在循環系統內的稀釋液充分中和，同樣測pH 值，若連續兩次pH 值在7 左右，證明已經沖洗干凈。然后連接換熱器管路，確保采用4DSY-2.5 電動試壓泵對系統打壓，確保設備連接完整，無滲漏現象，然后開機試運行。記錄清洗后的設備的溫度、壓力和電耗數值，與未清洗前及設計指標進行比較。

3.4 廢液處理

使用后的除垢劑稀釋液，不能夠隨便棄置，需同小蘇打等弱堿性物質中和后進行集中處理，避免污染環境。

4 減少結垢的措施

4.1 降低補充水的濁度

天然水體中泥沙、腐蝕生物以及各種懸浮物和膠體等的存在構成了水體的濁度。循環冷卻水處理的補充水渾濁度在2～5 度，濁度越低越好，說明循環水中雜質少；當循環冷卻水的進水水質不好時，必須要先進行預處理，減少污垢的沉積。對此要優化淡水水站的水濾器，更好地過濾去除懸浮物質。

4.2 做好冷卻水的水質處理

采用低硬度的水或純水，做好循環冷卻水水質處理主要是為了防止水垢和腐蝕。當進水水質不好時，勢必會導致水垢和腐蝕的產生，同時還可能會滋生大量的細菌，從而形成污垢。因此做好水質處理，是減少系統產生污垢的重要方法。故淡水水站的補充水一般采用處理過的純水，呈中性和弱堿性的，pH 值控制在7～9.5 之間。

4.3 投加阻垢劑、分散劑

六偏磷酸鈉等阻垢劑對鈣鎂離子具有吸附、絡合、分散作用。在進行阻垢、防腐和殺菌滅藻處理時，投加一定量的聚丙烯酸鈉等分散劑，也是控制污垢沉積的有效方法。分散劑能將水中大的泥團分散成細小的微粒懸浮在水中，隨著水流而動，不會沉積在傳熱表面上，從而減少了污垢對傳熱的影響。可在水箱內定期投放除垢劑，以便消除附在管道壁上的污垢。

4.4 投加緩蝕劑

在管道及冷卻器銅管內壁形成一層薄壁保護膜，經考察市場緩蝕劑類型，鉻酸鹽、鎢酸鹽氧化膜具有較好的保護作用。吸附性有機緩蝕劑具有發展前景，對金屬內壁清潔光滑的同時具有較好的吸附性，缺點是價格較高，。

5 水循環系統的優化

5.1 增設前置過濾器

在補水管道上增設一套具有反沖洗排污功能的前置過濾器，內置褶皺式纖維膜、FOF 阻垢復合碳芯及400 目可拆洗不銹鋼網，達到40 微米的精濾。該裝置的使用有效攔阻了供水中的懸浮物及部分離子，可有效改善水的濁度和水質。

5.2 投放除垢劑

在淡水水箱內按照容量按比例投放除垢劑，從循環水出口處目測水質，較以前清澈且無雜質和漂浮物，有效提高了循環水的利用率。

6 結語

通過對機組淡水冷卻器、淡水水站設施清理維護以及淡水站水循環系統的優化，減少了冷卻器銅管發生滲漏的風險，使冷卻器的熱交換效果明顯提高，熱交換工況有了明顯的改善，保障了該泵站機組電機高效、安全、經濟運行，可為其他泵站的冷卻裝置升級改造提供參考依據■