基于水冷封闭循环的大型泵站技术供水系统研究

基于水冷封闭循环的大型泵站技术供水系统研究

陈广明

凤台县西淝河洼地治理应急工程建设管理处安徽省淮南市232100

摘要：大型泵站技术供水系统是泵站主机组安全运行的重要保障，同时也影响到泵站设备运行寿命和维修养护周期，是泵站技术管理中的重要环节，技术供水方案选择可直接影响到泵站安全运行和生产维护成本控制。本文根据我国大型泵站现有技术供水系统运行情况和存在问题，通过工程运行实践进行分析计算，结合西淝河泵站的工程特点，在建设阶段对泵站技术供水方案进行优化研究，以期为西淝河泵站提供一套安全、高效、实用的水冷封闭循环技术供水系统。

关键词：西淝河泵站；技术供水；水冷封闭循环

1引言

水利是国民经济发展的基础，大型泵站具有低扬程、大流量的特点，是水利防洪减灾体系中的重要组成部分，是保护人民生命财产安全和发展粮食生产的关键所在，在解决洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化这当今三大水资源问题中，起着其他水利工程不可替代的作用。特别是大型泵站承担的排涝、灌溉、调水和供水重任，在中国国民经济可持续发展和社会稳定中占有非常重要的地位。我国大型泵站大部分位于长江、淮河、三江平原的中下游等地区，进入二十世纪后，我国大型泵站建设得到了迅猛发展，特别是南水北调工程的建设，带动了大型泵站的设计、建设和大型水机设备制造技术趋于成熟，使跨区域、跨流域调水成为可能。

安徽省是水利大省，位于长江下游和淮河中游，防洪除涝任务繁重，目前全省已经建成的大二型规模以上的泵站有十多座，是我国大型泵站建设运用较多的省份。而淮南市位于淮河中游，是淮河干流防洪除涝压力最大的地区，目前淮南市已经建成泥河、永幸河、城北湖、禹王等大型泵站，加上在建的西淝河和高塘湖泵站，共有六座大型泵站，总装机近六万千瓦，总抽排流量660m3/s，占到全省大型泵站总装机容量近一半左右，在全国范围内也较为罕见。

大型泵站是一项复杂的系统工程，而主电机、水泵是大型泵站的核心设备，除高压供电、励磁和控制保护系统外，主机组正常运行还需要可靠的油、电、水、气等辅助系统作为保障，辅助系统的正常安全运行，直接影响主机组系统的运行安全，直接决定了泵站的安全生产。而其中技术供水系统又是大型泵站机组运行辅助系统中的重要组成部分，泵站技术供水系统主要为主电机、水泵轴承系统和辅助设备提供冷却、润滑用水，技术供水系统方案的选择，决定了主机组运行安全和维护成本。

上世纪九十年代以前，我国大型泵站的技术供水系统主要为开放式，采取前池流道进水，通过管道加压，经需冷却设备循环冷却然后分别排出，这种技术供水系统的主要特点是技术简单、冷却量大，缺点对水质要求高，增压泵、管阀和散热器易堵塞，影响主机组运行安全，特别是散热器堵塞、结垢或腐蚀穿孔后会引起油室进水，造成机组维护成本大幅增加。受国民经济快速发展和环境治理滞后影响，现有地表水系污染较重，特别是大范围排涝的河道沉底杂物淤泥较多，大流量泄洪后开机排涝，进入技术供水系统的水质极差，从近年来建成的淮南市永幸河枢纽和城北湖泵站技术供水系统运行情况来看，多次出现因技术供水系统堵塞造成冷却供水压力不足，引起轴瓦温升异常致使机组停运行的事故，经停机检查发现，几起事故均为增压泵叶轮室杂物缠绕、管道及阀门堵塞所致，究其原因，一是开放式技术供水系统存在先天设计缺陷，二是排涝河道水质很差，泵站设计中没有考虑在技术供水进水口设置拦污栅栏，管路上也没有过虑或沉淀设施。

近年来，国内部分大型泵站根据运行和管理经验，也对泵站技术供水系统进行了研究和改造尝试，采取深井水或二次取水，或者加装净水过滤装置对循环水质进行处理，也有部分泵站采取半开放式技术供水方案，但是改造效果均不甚理想，或者是能耗高成本大，或者是维护困难，半开放式还存在管路进气等问题。也关注到南水北调的部分泵站进行技术供水密闭循环系统改造方案，利用空调器原理增加了室外冷水机组，但是存在投资大、冷却效率低和能耗高的问题。

2工程概况

引江济淮工程，被称为安徽省的"南水北调"工程，是安徽建国以来实施建设的投资与规模最大的一项水利工程。引江济淮工程是一项以工业和城市供水为主，兼有农业灌溉补水、生态环境改善和发展江淮航运等综合效益的大型跨流域调水工程，按所在的位置，自南向北分为引江济巢、江淮勾通和淮水北调三段，其中引江济淮和淮水北调线路分别设有枞阳站、派河站、蜀山站、西淝河站、阚疃南站等大型提水泵站，是安徽省水资源配置战略工程和全省经济社会发展与水环境改善的重大基础设施。引江济淮工程以城乡供水和发展航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水环境等功能。

引江济淮工程供水范围涵盖安徽省12市和河南省2市，共55个区县，工程利用现有和新辟河道双线引江，切岭穿越江淮分水岭，疏浚皖北河流实施江水北送，2040年工程年引江水量49亿立方米，年入淮河水量26亿立方米；依托调水线路建设长江至淮河Ⅲ级航道328.4公里，其中江淮沟通段按Ⅱ级航道标准建设，每年内河水运量将超过1亿吨。引江济淮工程估算总投资912.71亿元，总工期6年。

其中西淝河为淮水北调最主要的通道，作为清水廊道进行建设。西淝河泵站是淮水北调第一站，位于凤台县西淝河下段入淮口，该站的主要作用是将经江淮运河－瓦埠湖－东淝河线路进入淮河的江水，经该站提升后进入西淝河，经西淝河下段上送至阚疃南站经提升后继续北送至亳州市和河南省南部的周口和商丘地区。

西淝河泵站工程技术参数…………

根据西淝河洼地排涝和淮水北送调水规模规划，西淝河泵站的设计自排流量442m3／s，，抽排流量180m3／s，引水流量85m3／s，设计水位站上21．60m（废黄河高程），站下13．30m，设计净扬程8．30m，平均净扬程7．80m。选用2900HDQ20—9立式轴流泵6台套（其中引水机组4台套，三台运行一台备用），单机设计流量30m3／s，水泵叶轮直径2900ram，水泵转速146r／min，配2400kW立式高压同步电机6台，总装机容量14400kW，变电站采用专用35kV线路进线。泵泵站结构采用闸站一体结构，双向X型流道，以站代堤。

插图一：西淝河泵站结构图

3存在问题及技术需求分析

⑴存在问题

目前我国大型泵站技术供水系统主要有开放式和封闭式二种，其中大部分为开放式系统，部分泵站在运行和管理实践中也对现有开放式技术供水系统进行了改造和更新，主要是对进水口和管路采取防护和过滤措施，将进水改为地下水或增建二级水池在静水区取水等方式，但是管路堵塞、能耗高、散热器堵塞或散热效率下降等问题仍然存在，效果均不是完全理想。近年来也有部分泵站进行了封闭式系统改造尝试，但基本上是采取空调风冷机组或强制水冷机组等方式，解决了水质和堵塞问题，但是带来高耗能和管路集气问题。

以淮南市已经建成的永幸河和城北湖泵站为例，二站均装机五台，单机流量在16－20m3/s左右，技术供水系统与消防供水系统合并设计，共用离心泵从前池供水至技术供水管网和消防水箱，经加热循环后排至泵站下游。从二站技术供水系统最近几年运行情况来看，多次出现离心泵、管路或阀组堵塞情况，造成轴瓦温度升高主机组强制停机等事故，严重影响机组运行安全。

同时大部分泵站技术供水系统与消防供水系统合并设计，技术供水泵兼做消防泵，水泵按照消防供水最大水量和最大水头校核设计，由于消防供水水量和最大水头远远大于技术供水系统参数，这样就造成技术供水泵组长期在低水头、小流量最不利工况下运行，是典型的大马拉小车，机组效率极其低下。按照大型泵站机组平均年运行时间4000台时计算，技术供水机组单机功率一般在11－18kw之间，一般采用二用一备方式运行，二台按30kw计算，每年技术供水系统能耗电量在12万度左右，系统经济性较差。

插图二：泵站技术供水管路图

⑵技术需求分析

泵站技术供水系统的最基本的功能就是为主机组提供冷却用水，耗水量根据系统冷却热当量需求确定。为解决当前技术供水系统方案存在的问题，首先是解决冷却介质洁净度问题，以确保管路、闸阀及散热器长期可靠运行，其次要解决冷却介质循环后热排放问题，目标是冷却系统高效运转，同时对技术供水和消防供水机组进行节能降耗优化设计。

而大型泵站对技术供水水质要求较高：冷却水应不含漂浮物；泥沙平均粒径最大不得超过0.1mm，泥沙粒径0.0025mm以上含量不超过含沙量的5%；为避免管路及冷却器结垢，冷却水应是中性水，硬度不宜大于10德国度；冷却水pH值应呈中性以避免腐蚀管路与用水设备。

上述要求决定了技术供水冷却系统必须采用封闭循环设计。

⑶技术方案选择

根据上述技术需要目标分析，为保证冷却介质纯净可靠，确定采用封闭循环系统，让冷却介质在管道中封闭循环运行，冷却介质可优先选用纯净水，比热大、造价低、安全可靠，流量、压力根据系统需要确定，可根据需要加入除垢剂。现有部分泵站改造的密闭循环技术供水系统，均是采用水冷或风冷强制循环，需要加设循环管道泵和冷却风机，造成系统能耗较高。而泵站前池流动进水水温一般比环境空气温度低很多，且在泵站开机后水流自主流动循环，利用泵站前池进水作为技术供水系统外周冷却环境，首先是作为外周冷却介质的水比空气的比热大得多，热交换效率高冷却效果好，其次是利用前池水流自主流动，自然冷却无需强制动力消耗。因此可充分考虑利用泵站前池流动进水，作为技术供水系统热排放的外周冷却环境。

而对于技术供水和消防供水共用机泵问题，二者对供水系统的技术要求差别很大。技术供水考虑为机组保障的长期稳定负荷运行，净扬程10米以内，要求流量稳定水质洁净，单台主机要求技术供水流量在10－15吨/h之间；而消防供水在使用上为单一小概率事件，对供水可靠性要求很高，对水质不做特别要求，峰值供水流量较技术供水要大的多，同时消防供水设计为保证泵站火灾停电时有消防供水，多数采用在泵站顶层设置消防水箱利用高程差在发生火灾时保证供水水压，净扬程一般在20米以上。一个要求低扬程、小流量、连续稳定负荷，一个要求高扬程、大流量、运行概率极小，二者供水的用途、流量和扬程压力等参数相差很大，共用水泵在选型上困难，往往以消防供水的最大流量和最高水头作为校核条件，结果是以牺牲技术供水机组机泵装置效率为代价，同时也无法对技术供水系统进行封闭循环，一方面系统能耗高，另一方面又存在因水质差堵塞散热管、腐蚀管道等问题，因此可考虑将技术供水和消防供水分开作为独立系统设计。

基于以上思路，设计泵站技术供水系统方案如下：

将技术供水与消防供水分开作为二个子系统独立设计。

技术供水系统采取循环封闭、自然水冷方式，系统由循环动力泵、管路、阀组、内外散热器、测量显示和控制保护等部分组成。循环动力泵选用管道式循环泵，循环介质选用纯净水，内外散热器组件均选用铜或不锈钢材质，因为系统为全密闭工作状态，冷却介质没有损耗，管理也不会产生空气，因此不需要设置排气阀和补水水箱。根据主机组对冷却系统技术要求，核算技术供水系统供水量、入口压力技术要求，综合考虑主机组技术供水最高点和前池室外散热管的扬程差和管路、泵阀水头损失后，计算技术供水系统管路管径，再复核循环管道泵技术参数，管阀组件优先考虑不锈钢材质以确保系统运行的耐久性。系统工作方式为：由管道式循环泵推动冷却循环水在管路循环流动，流经主机组上下导等部位通过散热器受热后，再经密闭管路进入前池外散热器冷却，经管路通过循环泵增压后重新进入管路，如此周而复始密闭循环以满足系统冷却要求。

消防供水按技术规范要求单独核算，在不考虑技术供水要求后，系统对泵型、管阀、消防栓和水箱等选择计算相对简单，仅考虑满足消防供水要求即可，在此不再敷述。

上述技术供水方案的主要优点：

1、系统采用全封闭循环方式，解决了开放式系统因冷却水质造成堵塞管路、影响系统冷却效果的问题，避免了管路集气问题；

2、系统基于自然水冷方式，充分利用泵站前池自然流动进水作为外冷却介质，比热大且无需设置强制冷却装置，相对强制空冷系统低耗能高效率；

3、系统建设安装简单投资较少，冷却介质采用纯净水，可长期运行无损耗无腐蚀，维护管理简单方便。