江尖泵站技术供水系统优化配置研究与实践

(无锡市城市防洪工程管理处，江苏 无锡 214023)

随着中国农业治涝标准和沿江环湖城市的防洪标准提高，近十多年来在沿江河、湖泊地区已兴建或将规划建设一批扬程在0～3m的大型排水泵站。此类泵站的特点是流量大、扬程低，属于特低扬程泵站，其中有相当一部分泵站采用了竖井贯流形式。自2004年无锡市梅梁湖竖井贯流泵站建成以来，中国已建和在建的大型竖井贯流泵站近20座。竖井贯流泵站在农业治涝和城市防洪中发挥了巨大作用，但与此同时，在竖井贯流泵站运行中仍存在一些亟待解决的关键技术问题，这其中泵站技术供水系统的合理配置及其可靠性尤为关键。

1 概 况

江尖水利枢纽泵站是无锡市城市防洪工程的主要排涝和调水泵站，位于江尖大桥与吴桥之间的古运河上，泵站安装有三台2500ZGB-20型竖井式贯流泵及配套YKS560-8型10kV异步电动机，单机功率为800kW，采用单列布置，机组中心距8.2m。电机与水泵通过型号为H2SM13的齿轮减速箱传动。泵站设计扬程1.46m，总设计流量60m3/s，总装机容量2400kW，于2006年7月建成投运。泵站建成后为无锡主城区防洪排涝和调水引流发挥了重要的作用，目前已累计运行约8600台时，调排水量约6.2亿m3。

1.1 技术供水系统参数与原理

江尖水利枢纽泵站技术供水系统由循环供水和冷却供水两个子系统组成，设有35m3循环供水贮水池，采用2台套LS100-44A型离心泵作为循环水的动力，功率18.5kW，流量94m3/h，扬程44m；冷却系统采用2台套LS150-24B型离心泵，功率18.5kW，流量173m3/h，扬程24m，配有2台BFR250型板式热交换器，为预防板式热交换器被水中杂物淤堵，在冷却管线中配置了2台TY型滤水器。

在机组运行过程中，循环水通过循环泵对电动机、齿轮箱和推力轴承进行冷却，并对填料函进行水润滑。循环水的路径是：水箱→循环泵→进水管道→热交换器→机组设备→回水管道→水箱。冷却水的作用是通过热交换器对循环水进行降温，即：开启冷却泵，从进水流道取水，经滤水器过滤，进入板式热交换器，通过板式热交换器降低循环水水温，最后排入河道。

1.2 技术供水系统存在的问题

泵站长时间运行时，经常出现技术供水系统循环水水温突然上升的状况，导致机组设备温度急速上升。后经检查，发现冷却水压力表基本无显示，冷却水出水口出水量很小，通过进一步检查，发现冷却泵内有垃圾堵塞。在垃圾清理后，或更换备用进水口取水，水压显示正常，循环水水温下降明显，判定为冷却水进水口堵塞、水泵叶轮上有杂物缠绕或滤水器滤网堵塞，从而导致冷却水供水不足，影响了冷却效果。另一方面，滤水器滤出的垃圾经过管道排入集水井，还会造成集水井渗漏排水泵的堵塞。造成以上堵塞情况的主要原因是冷却水取水口在泵站流道中，而城区河道水质较差，水中杂物较多，当泵站机组开启时，河道内垃圾随水流涌动，进入冷却水取水口，进而将进水口、冷却泵及滤水器堵塞。由于冷却泵、滤水器等极易堵塞，有时甚至无法开启，维修频繁，使用十分不便，导致运行人员不愿开启冷却水系统，循环水温高时开启水箱出水阀，排出高温的循环水，同时开启水箱进水阀，补充自来水，虽可以抑制循环水温升高，但是存在进水是否跟得上放水，集水井是否能及时外排等问题，最重要的是造成了自来水的大量流失，据统计，非运行月份和运行月份，自来水用水量相差约500t(仅统计8h运行情况)。因此，无论从便于管理的角度，还是从节约用水的角度来说，对原系统进行改造是十分必要的。

2 配置优化研究与实践

从国内外相关研究和实践来看，目前泵站技术供水散热系统主要有风冷式水冷机组、板式热交换器和盘管式热交换器等不同形式，江尖泵站原先采用的是板式热交换器形式。从现场情况来看，除板式热交换器外，风冷式水冷机组、盘管式热交换器均无法进行安装，改造难度大。因此，需要探索研究一种新的技术供水形式，既能保证降温效果，又便于改造，适应现场情况。根据江尖泵站现场实际情况，初步设想出一种外置空调降温、空气介质与散热器直接换热、风机排热的新型技术供水系统，同时依据传热学、流体力学的基础理论，研究热质交换规律和水力输运规律，提出系统合理配置模式。经过理论计算，若要降低循环水温3℃以上，换热面积要达到1023m2以上。通过比选，与空气介质直接换热的散热器选用翅片管作为主要换热原件，管内流体通过管壁及翅片对外界进行热交换，由于翅片增加了换热面积，将显著增强换热量。

根据前期研究成果，对江尖泵站技术供水系统进行改造，将原系统中的冷却水系统进行了拆除，新安装两台翅片管热交换器，主要参数如下：总传热系数为25kcal/(m2·h·℃)，换热面积为1025m2，迎面风速为3.6m/s，迎风面积为6.14m2，流量为30t/h。同时，对技术供水的管路也进行改造，新的循环水的路径为：水箱→循环泵→进水管道→翅片管热交换器→机组设备→回水管道→水箱，其中翅片管热交换器是冷却循环水的关键装置。新的技术供水系统由开式的冷流系统和闭式的热流系统组成，冷流与热流在翅片管热交换器中换热，由冷流将热流中的热量带出，排入自然界中。冷流是在一个封闭性良好的室内，室内的空气灰尘含量较少，空气质量较好。冷流系统由送风机、压力和温度监测传感器组成，由送风机抽室内的冷空气进入翅片管热交换器与热流换热，交换热量后的热空气直接排到室外。当室内的温度升高到给定值时，由室内的空调给室内的空气降温。热流系统包括循环水箱(或水池)、供水泵、管道及阀件、示流信号器、压力和温度监测传感器等。由供水泵将循环水箱中的热流送入翅片管热交换器与冷流换热，从翅片管热交换器出来的冷却润滑水通过管道供给冷却润滑用水对象，冷却水流经用水对象后获得热量变成热水，再回到循环水箱，形成闭式循环，这其中润滑水不再回到循环水箱，而是排至主泵内，少量排至集水井，因此循环水箱有时需要补水。

改造后的翅片管换热器技术供水系统见图1。

图1 翅片管换热器技术供水系统

3 优化改造后系统效果与效益

3.1 改造后系统效果

新的技术供水系统改造完成后，选取江尖泵站1台机组运行时的数据进行效果检查，9点开机运行，未开风机，室温约14℃，循环水箱水量约15m3。具体循环水温度随时间的变化见表1。

表1 循环水温度时间变化

由表1可见，循环水温度随时间上升的幅度不大，且到12h以后趋于稳定，不再明显上升。

经过一段时间的运行，从运行情况来看，新的技术供水系统冷却效果十分明显，在同样的运行工况下，可以比原系统降低循环水温2～3℃，若再开一台风机的话，实际降温效果在5℃左右。

3.2 改造后系统效益

新的供水系统改造完成后，不仅有效地解决了竖井式贯流泵站长时间运行时机组温度居高不下的问题，保障了主机组的运行安全，而且还减少了技术供水系统的运行能耗。按江尖泵站年平均运行时间1000h计，预计每年可节电约23万kW·h，电价按1元/(kW·h)计算，每年可节约电费近23万元。

江尖泵站担任着无锡城区的防洪排涝任务，改造后的技术供水系统提高了泵站的运行可靠性，增加了泵站汛期开机时长，减少了汛期无锡主城区被淹没面积，保障了人民生命财产安全。

4 建议及思考

翅片管换热器技术供水系统改造在江尖泵站的应用十分成功，比较原水冷系统，该系统改造成本低，维修养护简单，有效地解决了竖井式贯流泵长时间运行机组温度居高不下的问题，同时有效地保障了主机泵组的运行安全。但由于时间仓促，系统还存在一些需要改进和提高的地方。

4.1 翅片管散热器安装位置不合理

由于现场实际条件，翅片管散热器安装在循环泵出水侧，机组设备的前面，更合理的位置应在循环水箱回水侧之前，这样从机组设备出来的热流循环水可以降温后再进入循环水箱，避免水箱水温升高。

4.2 所选翅片管散热器风机功率偏大

为增加翅片管散热器的散热效果，在翅片管散热器上安装了4台功率为4kW的风机，实践证明风机选型功率太大，数量偏多，翅片管热量散发的速度跟不上风机排风的速度，造成了浪费，且由于风机功率较大，噪声也相对偏大。因此，风机选择也应进行相关计算，选择更为合适的功率和数量。

4.3 系统的自动化程度有待提高

由于系统改造相对仓促，未对系统自动化程度进行过多的设计，仅安装有两个温度监测传感器，可以考虑进一步提高系统的自动化程度，如根据温度情况自动启停风机、室内空调系统自动启停等，甚至可以研究根据循环水箱水量、水温、机组设备温度等工况自动控制设备运行的系统。