大型泵站机组冷却水系统优化效果分析

江如春 马 骏 宋 峰

(1.江苏省江都水利工程管理处,江苏 扬州 225200;2.江苏省淮沭新河管理处,江苏 淮安 223005)

1 工程概况

江都第一抽水站(简称江都一站)是国家南水北调东线源头——江都水利枢纽工程的重要组成部分[1]。该抽水站于1961年12月开始兴建,1963年3月竣工,是中华人民共和国成立后国内第一个自行设计、自行建设、自行管理的大型泵站[2]。管理好、运行好国家南水北调东线源头工程[3],不断探索新方法、新技术十分必要。本文以江都一站为例,通过分析大型立式轴流泵机组长期运行时现有冷却水系统对机组轴瓦温度影响的主要因素[4-5],提出并实施冷却水系统优化改进方案,总结系统优化取得的效果。

2 系统现状

大型泵站机组冷却水系统主要为主机组推力轴承、上下导轴承和其他部位提供冷却润滑用水,确保机组运行期间各运转件温升在允许范围内,杜绝推力瓦、导向瓦温度偏高甚至出现烧瓦等情况[6-8],保障机组安全稳定运行。

江都一站原冷却水系统采用的是开放式直接供水方式[9],通过出水流道下部空箱向引水管道进水,经泵站建筑物内埋设管道进入供水泵加压,再经管道输送至油冷却器、导轴承等部位的冷凝管道,经单向冷却后从回水管排至泵站进水侧。根据历年运行情况分析,冷却水系统存在以下问题:

a.天然河道水质无法满足冷却水水质要求。河水中含有大量漂浮物,大粒径的泥沙含量较高,容易造成管道和阀件堵塞;河水硬度不满足要求,容易使管路及上下油缸内冷却器结垢,造成冷却水流通不畅,导热率明显降低,轴瓦部件温升异常,迫使主机组紧急停机。

b.冷却水水温完全依赖河水温度,冷却效率不可控。河水水温随季节天气影响变化大,在具有防洪排涝功能需要长期运行的泵站工程中,当河水温度较高时,会出现冷却效率不高,导致轴瓦部件温度持续保持较高温度,降低轴瓦及透平油等材料的寿命周期,对机组安全稳定运行产生影响。

c.冷却系统供水泵长期连续运行无法智能轮换。供水泵是冷却水系统主要的动力来源,其性能良好是泵站工程开机运行的前提条件之一。江都一站工程不仅承担防汛排涝等重要任务,还承担南水北调长期任务[10],现场原安装有两台套供水泵,采用一用一备方式运行,平均每年连续运行时间长,两台供水泵无法自动智能切换,且累计运行台时无法精确统计,给提前预判开展供水泵定期维护、保障工程连续运行带来不利影响。

3 优化方案

针对以上问题,结合泵站冷却水系统的工作原理和运行特点,运用中央空调制冷技术,提出冷却水系统改进优化方案。

a.采用封闭式循环供水方式,选用活性反应为中性的纯净水作冷却介质,确保上、下油缸内冷却器管路无积垢,避免腐蚀金属和水垢产生沉淀物堵塞管道,提高热传导效率。

b.选用模块式变频风冷热泵机组,根据环境实时温度,结合机组运行实际工况,实时调整控制冷却水水温,保障电机上、下油缸内透平油在良好润滑传热温度区间,延长机组轴瓦等易损部件使用寿命。

c.选用新型智能循环水力模块机组,将循环水泵、膨胀水箱、控制模块、配电箱、阀件、仪表等集成在一起,实现与主机和室内末端进行联控通信,智能控制实现启停、模式切换联动的功能,运行过程实时监控,提高整个工程系统运行的稳定性。一体装配式循环水力模块机组占地面积小、易装易拆,设备稳定性高,是泵站辅机系统按功能模块化建设的实践成果,其主要结构组成见图1。

图1 循环水力模块机组结构

4 效果分析

冷却水系统优化后工作方式:由管道式循环水力模块推动冷却循环水在管路循环流动,流经主机组上、下导轴承等部位,通过散热器热传导升温后,经密闭管路进入室外模块式变频风冷热泵机组,经冷却后再经管路循环增压,重新进入供水母管路,如此周而复始密闭循环,以满足主机运行时系统冷却要求。同时在管路上设置温度、压力、流量等表计和传感器,将采集的数据传至中控室,实现对机组冷却水系统实时在线监测和报警管理。大型泵站封闭式循环冷却水系统见图2。

图2 封闭式循环冷却水系统

循环动力泵选用管道式循环泵,循环介质选用自来水,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,管道也不会产生空气。为了便于冷却水系统日常维护保养时的调试工作,在系统最高处设置排气阀和高位自动补水水箱。根据主机组对冷却水系统的技术要求,核算冷却水系统循环流量、入口压力技术要求,综合考虑主机组技术供水最高点和室外风冷机组的扬程差以及管路、泵阀水头损失后,确定冷却水系统管路管径,管阀组件优先考虑不锈钢材质,以确保系统防腐和运行耐久性。

经过系统优化后进行实际运行统计,在相同运行工况及天气下,与系统优化前机组运行时各轴瓦、油缸温度对比,优化后的冷却水系统降温热传导效果明显提高,见图3。

图3 机组冷却水系统优化前后温度对比

本冷却水系统优化方案主要优点如下:

a.系统采用全封闭循环方式,解决了开放式冷却水系统因水质等问题造成的冷却效率低下、管路和冷却器堵塞、锈蚀、集气等问题,可显著增加系统运行使用寿命,维护管理简单方便。

b.利用变频风冷热泵机组制冷,实现冷却水水温可控,避免天气变化带来的影响,且变频风冷系统技术成熟、节能高效,人机环境友好。为研究冷却水水温对机组轴瓦温度的影响提供了硬件基础,见图4。

图4 机组冷却水水温对轴瓦等温度的影响

c.循环水力模块机组集自动控制器、流量计、压力表和电动阀于一体,实现了冷却水流量自动可调,循环泵两用两备,定期自动轮换运行,为冷却水系统连续长期运行提供了可靠保障。

5 结 语

随着南水北调、引江济太、引江济淮、引江济汉等大型水利工程的建设,修建的大型泵站不仅要发挥汛期防洪排涝功能,还要参与长期调水运行以及改善河湖生态环境等运行计划,这对保障机组长期连续运行提出了更高要求。通过分析影响机组安全稳定运行的不利因素,优化冷却水系统是十分必要的。封闭式循环冷却水系统满足提升大型泵站机组安全可靠运行和工程利用率的需求,可以更好地服务于泵站工程,充分发挥运行效益,为大型泵站冷却水系统建设和优化提供技术参考。