地铁隐藏式冷却塔与冷却泵同层布置的关键问题分析

吴绍康

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510000）

地铁常规冷却塔一般设置在高风亭上、冷却塔单独设置在地面以及冷却塔单独下沉式设置等几种形式。常规冷却塔的设置存在征地拆迁面积大、噪声高、景观差等系列问题。常规冷却塔的设置参照一般民用建筑冷却塔的设计，未充分考虑地铁工程的土建特点，根据罗辉等的研究，在进排风亭间，常有可以利用的剩余空间，将冷却塔设在新排风井之间的剩余空间内，能够有效解决上述痛点问题，将冷却塔结合车站附属埋于地下的布置示意图如图1所示。

图1 隐藏式冷却塔结合车站附属布置的示意图

将冷却塔结合车站附属空间，冷却塔与冷却泵位于同层，冷却塔集水盘的高度受地下空间净高的限制，集水盘与水泵入口的高差较小，集水盘的控制水位低于机房内冷却水管的最高点；相对常规冷却塔，同层布置的隐藏式冷却塔存在气蚀、空蚀以及倒流等新的问题需要考虑。本文针对新型的地铁冷却塔布置型式，重点研究泵塔同层布置时存在的关键技术问题，旨在为地铁冷却塔设置难题提供参考。

1 隐藏式冷却塔的气蚀分析

以广州地区典型站标准化的冷水机房为例，机房布置详见文献[2]。管道设计流速参照经济流速的设计标准。验算一般站的冷却水泵气化情况，计算主要控制条件如下：

（1）单台冷却塔选型水量为200m3/h计算（共计2台），计算冷却水主管流量为290m3/h，计算流速为1.64m/s。

（2）冷却塔以及水泵接管尺寸均为DN200，计算流速为1.28m/s。

（3）水泵进口水温考虑不利情况，取35℃，对应的汽化压力为5.6kPa

（4）地铁行业冷却水泵气蚀余量可取4m。

经计算，从接水盘入口至水泵入口的局部阻力损失为2.2m，沿程阻力损失为0.4m，总计算阻力为2.6m。阻力损失考虑1.1倍的安全系数，总阻力可控制在2.9m。水泵吸入口超过汽化压力的富余压头为6.9m，大于水泵的气蚀余量。

2 隐藏式冷却塔的空蚀分析

2.1 水泵蜗壳最小淹没深度需求

地铁工程普遍采用单级单吸卧式离心泵，分站供冷车站的冷却水泵的选型功率一般在15～30kW。这一功率范围内的单级单吸卧式离心泵的叶轮顶部高度距离机房装修完成米面一般在800mm左右；考虑方案阶段，设备未招标，不同厂家、不同冷却水泵的结构差异，冷却水泵的蜗壳顶部距离机房装修完成面的高度按1m考虑，能够满足分站供冷的车站包容设计要求。

管道式离心泵的电机与泵一体化设计，采用立式结构，占地面积小，运行平稳，泵进出口设计成规格相同的法兰且位于同一中心在线。当塔、泵同层布置时，采用管道式离心泵更有利于满足水泵的淹没深度要求，有利于水泵的启动。此外，采用管道泵后，泵的出口可直接水平接入冷水主机入口，相比卧式离心泵的布置方案，减小了管路阻力，同时减小了冷却水管的停机倒流水量。

2.2 冷却水管吸入口的最小淹没深度分析

为保证水泵正常运行，一般要求吸水管管口的淹没深度必须大于临界淹没深度hcr。隐藏式冷却塔与冷却泵同层布置时，系统所需水容积最大的工况点为系统初始启动冷却水泵的工况，初始时刻，从水泵吸入口至与集水盘静止水面等高的管段内充满了流动介质。其余部分冷却水管及冷凝器均按空管考虑。如果补水速率小于水泵的抽水速率，水位会不断下降，当下降超过水泵吸入口临界淹没深度时，将会形成进气漩涡，影响水泵的正常工作。因此，不同流量条件下，发生吸气旋涡的临界相对淹没深度（h/D）cr是隐藏式冷却塔集水盘设计的关键参数，也是控制旋涡形成的一个主要考虑因素。

何等通过试验观测水泵吸水管附近旋涡生成、发展的过程，得到了吸水口临界淹没深度与流量的关系式，如下：

式中，h为吸入口的淹没深度，m；D为吸入口的管径，m；Fr为弗劳德准则数Fr=u× (gL)−1/2；u为吸水口流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；L为吸水管的特征长度，m。

经计算，得到不同冷却水管径及不同冷却水量的临界淹没深度。计算结果表1所示：

表1 不同冷却水管径以及冷却水量的临界淹没深度

3 隐藏式冷却塔集水盘容积的确定

通常冷却塔的补水量为冷却水流量的1～2%，补水量远小于水泵的流量，初始最不利工况下，启泵时集水盘水位不可避免地下降，水位下降的极限位置不低于3.2小节。集水盘的浮球阀控制水容积需要满足循环管路的补水量，同时满足补水后的集水盘水位不低于临界淹没深度。

以广州地区典型装配式冷水机房的布置方案，计算水泵初始最不利工况需要给循环管路补充的水量，此水量也就是从集水盘初始水位下降到最小淹没深度的水容量，计算得到典型装配式布置的冷水机房，初始起泵的系统循环计算补水量为4.92m3以及选型补水量为5.42m3，如表2所示：

表2 系统循环的选型补水量

两台卧式隐藏式冷却塔的集水盘的长宽尺寸按照2.5×9.0m考虑，设计集水盘的选型补水量的下降高度为0.24m。

综上所述，冷却塔集水盘的初始水位的高度不应低于选型补水量的下降高度与临界淹没深度之和。根据第三小节中临界深度的计算，不同冷却塔接管管径及不同冷却水量（单台塔）的冷却塔浮球阀控制水位深度结果表3所示：

表3 冷却塔集水盘控制水位深度

4 结语

充分利用车站土建附属多余空间，隐藏式冷却塔能有效解决塔用地征拆困难、噪声高、景观差及易被投诉的难题，但塔泵同层布置时，应考虑冷却水泵的气蚀、空蚀等问题，应核算冷却塔集水盘的容积以及考虑停机时冷却水倒流问题。

对于一般地下车站，泵塔同层布置时，合理设置塔的基础高度、采用管道泵、塔出水管位置、优化水管尺寸以及集水盘大小等措施可满足冷却水泵的正常启动，可避免出现气蚀、空蚀的发生。