王肇优，缪 薇，徐 丹，申 林

（江苏省江都水利工程管理处,江苏 扬州 225200）

0 概况

江都二站位于扬州市江都区仙女镇,是江都水利工程管理处下属单位之一,也是南水北调东线源头。江都二站现共安装8 台1.75 ZLQC-6 型立式机械全调节轴流泵,叶轮直径1.64 m,泵站设计扬程6 m,单机流量10.2 m3/s,总抽水能力81.6 m3/s。江都二站原供水系统由三台ISWH100-160 A供水泵、管道和阀件组成,直接抽取泵站上游河水,用于冷却主机组上下油缸及润滑填料,其中供水泵流量93.5 m3/h ,扬程28 m,单机功率11 kW。改造后供水系统分为冷却水系统和润滑水系统。 冷却水系统为封闭强制循环系统,主要由3 台冷水机组、2 台水力模块、管道、阀件和电气系统等组成,主要用于主机组上下油缸冷却；润滑水系统为开放式直供系统,利用原有供水泵和电气控制部分,重新布置管道和闸阀,直接抽取上游河水润滑填料,并作为冷却水系统备用系统。改造后江都二站供水系统图见图1。

图1 改造后供水系统图

1 水系统参数计算与确定

1.1 总流量计算

查阅上海电机厂和高邮水泵厂相关出厂资料,得出以下相关数据：单台电机上油缸所需冷量25 kW,下油缸所需冷量3 kW,单台叶片调节机构所需冷量2 kW,8 台机组合计共需冷量240 kW。根据制冷量与流量经验公式（式1）,计算出管道总流量,具体计算如下：

已知Q =240 kW,Δt取值为4°C,系数k取值为1.15,可得出：

1.2 供水支管、母管直径确定

根据现有的上下油缸冷却器管道尺寸,确定上油缸进出水管道支管直径为40 mm,下油缸进出水管道支管直径为25 mm。已知 qv总=64.19 m3/h,查阅供暖通风空调设计手册[1]具体参数见表1,供水母管直径取100 mm。

表1 水系统管径与单位流量、单位长度阻力损失关系表

1.3 供水泵（管道泵）扬程计算与确定

根据管道材料、管道流速和管道安装现场布置图,计算出供水母管长度和支管长度,再根据经验公式,计算沿程损失和局部损失,最后通过伯努利能量方程,计算出所需供水泵扬程,具体计算如下：

（1）设备阻力hm：根据冷水机组安装说明书,一般冷水机组阻力取60 kPa,则hm=6 m。

（2）沿程阻力hf：根据管道安装现场布置图,取冷却水系统进出水母管长度：L母=240 m,取每台支管长度：L1=30 m,则8 台主机支管总长度：L支=240 m,比摩阻值选200 Pa/m,hf=（240+240）×200/（1×105）×10=9.6 m。

（3）局部阻力hd：局部阻力取沿程阻力的50%,hd=hf×0.5=4.8 m。

（4）冷却器末端阻力h冷：根据JB/T 7607-2005 立式电机轴承用LYJH型油冷却器规定[2],大概计算出上油缸压降为0.033 MPa,下油缸压降为0.019 MPa,则h冷=（0.033+0.019）×106/（1×105）×10=5.2 m。

（5）阀件阻力h阀：管道控制阀较少,考虑到闸阀常开,h阀=2 m。

（6）安装平台差高hG：考虑到冷水机组安装平台和冷却器安装平台高差约为5 m,故取hG=5 m。

（7）供水泵扬程H：取水泵扬程安全系数为1.1,则H=（hm+hf+hd+h冷+h阀-hG）×1.1=（6+9.6+4.8+5.2+2-5）×1.1=24.86 m。

根据以上冷却水系统安装条件及参数要求,通过比较已有相关供水泵参数,考虑到其他因素,确定了供水泵扬程为24 m～30 m。

2 封闭强制循环水系统运行原理

江都二站冷却水系统由冷水机组、水力模块、冷却水、管道阀件和冷却器等设备构成。按照运行原理,可将冷却水系统分外循环和内循环构成。

外循环主要冷却介质为自来水,动力来自水力模块中的供水泵,外循环流程为：二站高温冷却水（主机组回水）通过水力模块供水泵增压,进入冷水机组钎焊板式换热器散热成低温冷却水,低温冷却水通过母管和各分路支管进入主机组冷却器,热交换吸热形成高温冷却水,高温冷却水再回到水力模块供水泵,形成一个外循环,外循环原理图见图2。

图2 内循环原理图（冷水机组运行机理图）

内循环在冷水机组内进行（冷水机组运行机理）,冷却介质为R410 A,内循环流程为：低温低压的制冷剂以蒸汽形式通过压缩机压缩为高温高压的气体,经四通换向阀进入翅片式风冷换热器放热,凝结为液体,在第一电子膨胀阀中节流为低温低压的制冷工质气液混合物,进入钎焊板式换热器吸热为过热气体,再经过四通换向阀、气液分离器进入压缩机,完成制冷内循环,冷却系统原理图见图2[3]。冷水机组主要由蒸发器（钎焊板式换热器）、电子膨胀阀、压缩机、气液分离器,风侧换热器（翅片换热器）和电气控制部件。

3 智能化控制

3.1 一键开机

冷却水系统采用了智能化控制系统,启动方式简单可靠,易操作。江都二站冷却水系统开机流程：在二站上位机冷却水系统控制界面,见图3,先将制冷进水设置温度栏,设置温度为20.0℃,然后直接在设置开关机界面直接开停机。

图3 冷却水系统控制显示界面

3.2 温差控制法

该机组控制原理为温差控制法,温差控制法为：将冷水机组进水温度（主机组回水温度）作为输入信号,控制器将该输入信号与初始温度设定值（夏季一般设置进水温度为20℃,冬天一般设置进水温度为15℃）对比,输出相应的控制信号以控制变频水泵的转速,从而使冷却水的流量满足主机组所需的负荷,江都二站水系统温差控制法见图4。

图4 水系统温差控制法

3.3 系统功能

本机组同时通过MC250、MC250 电路集成版进行集中控制,通过ModBvs通讯协议,将冷水机组和水力模块通讯信号连接到泵站控制系统,搭建冷却水系统监控界面,通过上位机一键开机和关机,如发生故障,上位机直接发出报警信号,显示故障原因。

本机组通过控制系统进水温度（主机组回水温度）,针对不同的运行条件,利用变频技术,可以实现15%～100%无级容量调节,从而实现低能耗、高输出,但在实际运行中,需要考虑最不利机组（末端机组）运行条件,通过机组控制阀来调节机组压力和流速,保障最不利机组有足够的水头。

4 水力模块构成及优势

水力模块主要将管道泵、阀件、过滤器、压力表、温压表、配电箱等部件集成在一个箱子里面,见图5。本站改造后的冷水系统采用的是麦克维尔水力模块,每台套水力模块由两台变频控制水泵（含电机）构成,一主一备,通过变频器进行控制。本水力模块采用的管道泵型号为TD65-30/2 SWHC,额定流量40 m3/h,额定功率5.5 kW,额定扬程30 m,其中单泵标准机外扬程为27 m。江都二站进水压力为0.17 MPa,主水管末端压力为0.22 MPa,各支管进水口压力为0.15 MPa,符合二站运行规范。

图5 水力模块内部构造图

水力模块具备以下优势：（1）机组占地面积0.60 m2,相比于原有的供水系统,减少了供水母管安装长度和工作量,并且大大缩减调试工作量,提高了施工质量；（2）相比于原有的供水泵,该泵增加冬季保暖装置,当温度低于零下时,通过环境温度传感器,自动启动水泵加热丝；（3）智能联控,与冷水机组一起同上位机连接,可远程控制启停及制冷/制热模式的切换,且运行过程中各项数据均上传至上位机,实现实时监控,提高了运行质量；（4）机身采用密封防雨设置,减少人为和环境对设备的损伤,减少维护和检修成本,提高设备使用寿命,且室外安装减少土建预算,此次改造节省土建预算资金为45万元。

5 运行经验总结

5.1 运行条件及参数设置

1）二站冷水机组因为设备本身需求,只需要采用制冷模式运行时,室外环境温度为：5℃～48℃ ,机组冷却水出水温度范围为5℃～25℃。

2）根据机组运行一年来实践经验,进水温度和进出水压力必须满足以下条件：1）冬季运行期间,设置进水温度为8℃～12℃；夏季运行期间,设置进水温度为20℃～22℃；2）冷却水机组进水压力为0.04 MPa～0.06 MPa,出水压力为0.08 MPa～0.10 MPa,检修层进回水压力为0.15 MPa～0.25 MPa。

3）机组停机期间,禁止断开设备电源,按照规定期限对压缩机、控制器、水侧换热器、翅片式换热器和过滤器检查,检查项目按照安装使用说明书规定检查。

5.2 维修保养项目(建议参考）

根据江都二站近一年运行经验,确定以下维修保养项目,建议参考：

1）冷水机组应定期清洗翅片式空气交换器,确保外部无落叶。棉绒、昆虫、杨柳絮等杂物。

2）定期检查冷却水的状况,如果水质较差,请及时更换冷却水,机组在冬季停机时,应打开排水阀排出冷却水,避免因温度下降冻坏闸阀配件和设备。

3）定期清洗水系统内的水过滤器。

4）定期检查水管道内是否混入空气,每隔一段时间旋开排气阀排出空气。

5）定期制冷剂和润滑油,正常情况机组无需补充制冷剂和润滑油,如果出现泄漏情况,按照铭牌规定补充制冷剂和润滑油。

6）由于机组振动,每隔2～3个月,应及时检查机组螺钉是否松动,电气接线是否松动,并及时紧固。

6 改造后运行效果及效益分析

6.1 运行效果分析

江都二站改造后的冷却水系统,经过一段时间的运行,取2019年外界环境温度相同的一天,记录温度参数,江都二站改造前后温度对比见表2。通过分析表2数据,江都二站上油缸温度差和推力瓦温度差大概相同为8℃,下油缸温度差为6℃,上下导轴瓦温度基本不变,从上述数据明显看出冷却效果显著改善。改造后的冷却系统温度均匀且温度低、操作方便、一键启停、无堵塞、无污染、额定水流量小、管路连接简单等优点。

表2 江都二站改造前后温度对比 单位：℃

6.2 经济效益分析

江都二站在土建方面,因采用密封冷水机组和水力模块,节约建筑预算资金45 万元；冷水机组因采用变频技术,可根据运行工况,冬季可处于断续运行状态,实现了节能效果,按管理处年运行200 天计算,其中50天只需运行散热风扇,年可节电约50000 kW[4]；（3）原有供水系统采用开放式直供冷却系统,按照每小时88 m3,每年开机200 天,大约损耗水资源为422400 m3,而改造后的冷水系统每年大概需要水资源400 m3,每年为国家节省了水资源422000 m3,为单位创建节水型机关工作作出了一份贡献。

7 结论

江都二站冷却水系统改造,成功的将中央空凋系统运用到泵站工程中,利用成熟的智能控制技术,进一步提高泵管理效率和辅机智能化水平,具有较大的推广价值,但还存在一些不足,例如,夏季湿度较大,管道温度正常在20℃,容易形成凝露滴水等现象。