惠南庄泵站变频器外部冷却水系统改造设计

王耿

（南水北调中线干线工程管理局，北京 100038）

惠南庄泵站变频器外部冷却水系统改造设计

王耿

（南水北调中线干线工程管理局，北京 100038）

惠南庄泵站是南水北调中线工程向北京市输水的关键性工程，在机组试运行过程中，出现变频器内部换热器被冷却水中杂质堵塞，导致机组故障停机的情况。为消除故障，对变频器冷却系统进行了改造设计和施工，设计方案采用双冷源间接冷却方式，同时对外部冷却水温度进行控制。

泵站；变频器；冷却水；改造；设计

1 惠南庄泵站基本情况

1.1 工程概况

惠南庄泵站是南水北调中线工程北京段渠首处的一座大型加压泵站，是北京段实现管涵加压输水的关键控制性工程，也是南水北调中线工程中唯一的泵站。水泵机组于2015年5月试运行，2015年7月投入使用。

泵站进口4孔平板闸门，后接前池，总容积8.72万m3，在泵站主厂房布置8台水泵机组，单侧采用2台或3台并联运行方式。水泵型式为卧式单级双吸离心泵，其中6台工作，2台备用，水泵单机功率7300 kW，流量为10 m3/s，扬程为26.52～58.20 m。为适应上游来水流量从20～60 m3/s的区间变化，保持泵站稳定运行，水泵需作变速运行以调节流量，为此每台水泵-电动机机组均配备独立的变频器，变频器选用瑞士ABB公司生产的ACS6000型中压变频产品。

1.2 改造前变频器冷却系统

泵站设置一套技术供水系统，采用直接供水方式，为水泵机组及变频器提供冷却水源。技术供水从泵站进水池两侧分路取水，两路进水管接滤水器，汇至进水总管，分别接6路支管，经水泵加压后汇总至出水总管。由出水总管引出8路水泵电动机冷却水支管和1路变频器冷却水支管，其中变频器冷却水支管再分为8路，分别为8台变频器提供冷却水。技术供水系统布置见图1。

图1 技术供水系统布置图

2 变频器冷却系统改造的提出

在泵站试运行过程中，曾出现机组因变频器冷却系统水流量低报警而故障停机的情况。经过对设备拆解仔细检查，故障原因为变频器的板式换热器堵塞，导致变频器内部循环冷却回路水流不畅，设备部件温度过高而停机。后经检查分析表明，杂质来源为泵站前池即南水北调渠道水中植物类絮状物。当夹带这类杂质的水流经过变频器内部的窄流道板式换热器时，长时间大流量通过造成换热器板片堵塞，导致变频器内部温度升高报警，继而跳闸停机。

南水北调水来自距北京市千里之外的丹江口水库，属于天然水。持续监测表明，其水质为Ⅱ类水，并且大部分指标达到Ⅰ类水的标准，对于城市供水而言，属于优质水源。对于天然水中杂质，粗略地可以按其颗粒大小分为3类：悬浮物、胶体和溶解物质，通常将大于100 nm的颗粒称为悬浮物，包括泥沙、黏土、动植物的肢体等［1］。对于精密设备水冷却系统来说，由于水中絮状物的存在，如果监控不到位、处理不及时将可能造成机组故障停机。惠南庄泵站为南水北调中线进京的节点性工程，也是全线唯一一座泵站，其安全运行对向首都稳定供水起着至关重要的作用。而消除或控制上游来水的杂质在技术上不具操作性，因此必须在泵站内部对水质进行控制。另一方面，经过复核，厂家对变频器外部冷水的温度要求是5～28℃，而实际上，通过往年实际测量可知，泵站前池水最高温度已经超过了29℃，不能满足设备的制冷要求，需要进行冷却处理。因此，必须对原有的外部冷却水系统进行改造，以满足设备运行对水质和水温的双重要求，进而保证机组的安全稳定运行。

3 变频器水冷单元散热量计算

变频器为间接热交换散热方式，外接循环冷却水进入变频器板式换热器后，与变频器内部冷却水系统进行换热。变频器换热原理图见图2。

图2 变频器热交换原理图

泵站共设8台相同型号变频器。厂家提供的产品说明书标明，单台变频器最大发热量为233 kW，其中由水冷单元（变频器内部自带板式换热器）负担217 kW的散热量，其他热量通过元件与空气直接交换散热。同时，产品要求的变频器外部冷却供水温度范围为5～28℃，最小流量为420 L/min（25.2 m3/h）。

8台变频器为6用2备方式，运行方式要求最少启动4台运行；根据厂家工艺要求，在变频器处于热备用状态时，无论是否投入运行，必须为变频器提供外部冷却水，以保证其内部冷却水的电导率维持在合格水平。由此计算，8台变频器最小供水流量为100.8 m3/h，最大供水流量为201.6 m3/h，水冷单元最大散热量为1 302 kW。

按照变频器散热最不利工况—变频器进口温度28℃，流量25.2 m3/h，变频器散热量217 kW/台计算，由以下水的比热容公式可求得变频器供回水温差△t：

Q=c×m×Δt

式中：Q：热量（kJ=kW·s）；

C：水的比热容（kJ/（kg·℃）），取4.2；

m：水的质量（kg）25m3/h流量换算为7kg/s；

△t：温差（℃）；

变频器供回水温差Δt为7.41℃，回水温度t为35.41℃。

4 改造方案的选择

冷却过程是工业生产全过程的一部分，它与全过程有密切关系，其各项参数是根据全过程来确定的。另外，冷却过程也是工业生产全过程和环境之间的一个环节，由于冷却介质的取用、消耗及排放而影响环境。目前常用的冷却方式有直流冷却、循环冷却以及直流冷却与循环冷却联合运行。循环冷却的主要优点是降低水的消耗量。直流冷却与循环冷却联合运行是对直流冷却的发展，其主要优点是降低直流冷却水源的负担。

4.1 方案选取原则

（1）作为泵站的技术供水系统，系统选择要首先考虑泵站的稳定运行，冷却系统要充分保证系统安全。

（2）系统方案应考虑节能，并尽可能利用前池水。

4.2 方案设计目标

综合上述分析，冷却系统改造工程应该实现以下目标功能：

（1）解决原水对现有设施的堵塞问题；（2）解决夏季水温超高问题。

4.3 方案分析

4.3.1 温度分析

根据上年度泵站前池温度实测数据，其全年最高温度为30.6℃。但由于实测数据不连续且年份偏少，不能完全作为设计依据。因此需参照相关水体温度予以估算确定。有关参照值见表1。

表1 北京周边及水源地湖海水体温度统计表

由表1可知，在夏季最热的7～9月份，丹江口水库水经过1 276 km地上明渠进入惠南庄泵站前池，其水温将几乎肯定会超过28℃。在这种情况下，将无法利用泵站前池原水对变频器进行直接冷却，需考虑另外的冷源。

4.3.2 水质处理

要解决水中杂质问题，可考虑对水体进行物理处理，主要有格栅法、沉砂池、离心机、沉淀池、过滤、气浮等方案［3］。但综合考虑占地、运行维护、造价等多方面因素，在已经建成的泵站内新建以上工程已较为不可取。

4.4 改造方案选择

在泵站现有工程技术条件下，初步选定“抽取深层井水直接冷却”、“前池冷源处理后冷却”、“复合冷源间接冷却”3种方案。因封闭式循环冷却水系统不直接暴露于空气中，水量损失小，水质处理方法简单、维护容易，同时，使用冷却塔兼有蒸发散热过程，提高了冷却效率［4］，因此，经过经济技术比选，选用“复合冷源间接冷却系统方案”。

在复合冷源组合方面，又可考虑两种方案：

（1）冷水机组加宽通道板式换热器方案，夏季极热时采用冷水机组，其他季节采用前池原水经宽通道板式换热器间接制冷；

（2）冷水机组加冷却塔方案，放弃使用原水，使外部循环水完全封闭运行，彻底解决水质堵塞的隐患。

为保证供水的高度可靠性，经比选决定选用冷水机组加冷却塔方案。

5 改造工程设计

5.1 总体设计

在原有技术供水系统的基础上进行改进，彻底解决水质差、水温超高的问题，并提高系统的可靠性。复合冷源间接冷却系统，其工艺流程见图3。

图3 复合冷源间接冷却系统流程简图

复合冷源间接冷却系统增设闭式冷却塔和板式换热器，用闭式循环水取代前池水，解决水质问题。增设风冷式冷水机组，在冷却塔降温不满足要求时启动，解决冷却水温度超限问题。变频器内部换热器出水由闭式冷却塔降温后，经冷却水循环泵依次进入冷冻水换热器、变频器内换热器。如果图中a点水温高于28℃，开启冷水机组降温，如果图中a点水温低于28℃，冷水机组不启动，仅靠冷却塔完成变频器降温。

5.2 工艺设计

5.2.1 冷却塔选型

冷却塔采用闭式冷却塔，2用1备，单台冷却塔盘管内冷却水流量为100.8 m3/h；冷却塔进口水温为33.554℃，出口水温为28℃，在湿球温度25℃时，单台冷却塔换热量不低于651 kW。

5.2.2 冷却水循环泵选型

变频器水冷单元与冷却塔循环管路上，设置3台循环水泵，2用1备，单台水泵流量125 m3/h、扬程55 m。

5.2.3 风冷式冷水机组选型

风冷式冷水机组选型时考虑原水供水系统出现故障时，冷水机组可以单独运行，完成变频器降温任务，并根据北京地区极端空气温度41.9℃选型。本工程变频器所需冷却水温度较高，因此制冷机的冷冻水供回水温度设定为9/14℃，以提高制冷机制冷效率。在最不利工况下，制冷机系统需提供1 302 kW冷量。

5.2.4 冷冻水循环泵选型

设置冷冻水循环泵4台，3用1备，单台水泵流量120 m3/h、扬程25 m。

5.2.5 冷冻水换热器选型

冷冻水换热器按冷冻水流量257.3 m3/h，供回水温度9/14℃；循环冷却水以流量201.6 m3/h，供回水温度33.56/28℃；换热量1 302 kW进行选型。

5.3 系统控制及配电

5.3.1 自动控制及监测

考虑到改造后的冷却系统规模较大，制冷及交换设备台数较多，各部分之间相距较远并存在工况转换和运行调节，同时为实现节能和保证安全可靠运行的目的，对新增的冷却系统采用现地控制与远程集中控制相结合的方式［4］。现地电动控制主要通过设备厂家自带现地控制盘柜来实现，其控制方式可不依赖于泵站计算机监控系统与远程控制PLC而独立工作，即当远程控制PLC出现故障时，工作人员依然可以通过设备现地控制盘柜上的控制按钮实现设备的启、停操作。

设置冷却系统PLC控制柜，对冷水机组、冷却塔、循环泵状态的进出口水温、压力参数及设备启停状态进行监测［5］，对设备进行自动控制和调节。同时，该PLC系统与泵站SCADA系统通过MB+通信接口连接，上传系统运行参数及状态，实现在泵站中控室远方监视。自控设备安装应在工艺设备安装量完成80%后开始进行［6］。

5.3.2 配电

改造新增设备容量较大，经负荷计算，对原配电盘柜回路开关进行了增容更换，同时新增冷却水循环泵、冷冻水循环泵配电控制柜各1面，新增冷却塔配电柜3面，其中对冷却水循环泵和冷却塔风扇进行变频控制。

5.4 设备布置

综合考虑泵站变频器位置及原有设备布置情况，将冷水机组、冷却塔等大型设备布置在泵站厂房室外，其中，冷却塔间距除满足通风要求外，还应满足管沟、道路防火以及施工和检修场地要求［7］。其他循环泵、板式换热器及控制柜布置在室内靠近变频器的位置。设备间水管埋地布设，进行防腐处理；动力电缆利用原有电缆桥架并新建室外电缆沟敷设。

6 改造施工及效果

为了使惠南庄泵站尽快投入使用，发挥南水北调中线工程的效益，管理单位科学组织项目施工，合理调配资源，采用加班作业。严格执行相关规范，其中，冷水机组采用基础验收、运输吊装、机组就位、配管、质检、调试的工序，并对基础避震采用焊接固定；3台冷却塔水平及垂直度偏差控制在2/1000范围内［8］。从故障发生、制定改造方案到项目实施，前后仅用了60 d时间将改造后的冷却系统投入使用，泵站试运行得以顺利恢复进行。

经历一个夏、秋和冬季应用，改造工程运行稳定，各项性能指标完全达到了预期目标，变频器进口温度控制在20±3℃范围内。为惠南庄泵站稳定运行和南水北调中线工程向北京市供水发挥了关键的作用。

相信经过更长时间的使用考验，积累更多的运行经验和数据，可为国内类似工程提供有益借鉴。

［1］丁桓如，吴春华，龚云峰.工业用水处理工程［M］.2版.北京：清华大学出版社，2014.

［2］陈永灿，张宝旭，李玉梁.密云水库垂向水温模型研究［J］.水利学报，1998（9）：18-19.

［3］罗 琳，颜智勇，戴春皓，等.环境工程学［M］.北京：冶金工业出版社，2014.

［4］赵杉林，张鑫辉，李长波，等.工业循环冷却水处理技术［M］.北京：中国石化出版社，2014.

［5］GB 50019-2015工业建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.

［6］李永峰，张 洪，孔祥龙.环境工程施工技术［M］.北京：化学工业出版社，2014.

［7］GB/T 50102-2014工业循环冷却设计规范［S］.

［8］GB 50738-2011通风与空调工程施工规范［S］.

TV675

B

1672-5387（2016）07-0068-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.023

2016-02-26

王 耿（1971-），男，高级工程师，从事水利水电工程电气、自动化、信息系统建设及运维管理工作。