大型立式水泵机组供排水系统改造

赵文军，仇宝云，吉庆伟，王慧洁，蔡晓东

（1.江苏省骆运水利工程管理处，江苏宿迁 223800；2.扬州大学，江苏扬州 225127）

0 引言

供排水系统是泵站三大辅助系统之一，对主机组进行冷却和润滑，直接影响泵站机组运行可靠性和经济效益［1］。近年来泵站主机组冷却水系统优化改造技术也越来越被受到重视，涉及围绕系统改造理论研究［2-3］、现有系统维修方案优化［4-6］、设备改造与优化［7-8］、冷却水处理与水质控制［9-10］等方面，但缺少循环水系统改造方案的全面计算比较。针对南水北调东线江苏省沙集泵站供排水系统，对泵站需要供水量和运行工况进行计算，分析原系统存在的问题，提出合理的改造方案，将传统水系统改造为闭式冷水机组循环水系统，改造后的系统运行可靠、节能效果显著。

1 泵站供排水量计算

1.1 工程概况

江苏省沙集泵站位于睢宁县沙集镇南约2 km处的徐洪河上，建成于1993年，泵站抽水能力50 m3/s，采用堤身式块基型结构，肘形管进水流道，平直管出水流道。水泵选用1800HD-10.5型立式混流泵，共5台，单机设计流量为10 m3/s，设计扬程10.5 m，配套TL1600-20/2150主电机5台，单机功率1 600 kW，总装机容量8 000 kW。该站运行时间长，在保障徐州地区工农业生产、航运、环保及调节骆马湖水位方面起着重要作用。

1.2 冷却热量计算

沙集泵站技术供水包括电机推力轴承、上下导轴承的油冷却器冷却用水和水泵橡胶轴承的润滑用水。推力轴承所产生的热量也就是推力轴承损耗的功率［11］，采用式（1）计算：

式中 ΔNft——推力轴承损耗功率，kW；

P —— 推力轴承荷重，由水泵轴向水推力加上机组转动部分重量，N；

f —— 推力轴承镜板与轴瓦间磨擦系数，其数值与液体摩擦条件有关，一般为0.003～0.004；

v —— 推力轴瓦上2/3直径处的圆周速度，m/s。

水泵轴向水推力G水可用式（2）进行估算：

式中 G水——水泵轴向水推力，N；

ρ ——水体密度，kg/m3；

g ——重力加速度，m/s2，g=9.81 m/s2；

H ——水泵扬程，m；

K ——系数，其值为 0.9～1.0；

D ——叶轮外径，m。

沙集泵站叶轮外径为1.8 m，设计扬程为10.5 m，水泵转动部分重量为12.200 kg，推力轴瓦上2/3直径处的圆周速度为7.85 m/s，推力轴承镜板与轴瓦间磨擦系数f取0.004，系数K取1，将各参数值代入式（1）式（2）中，计算出推力轴承损耗功率ΔNft为11.37 kW。电机上下导轴承损耗功率各为推力轴承的10%～20%，取上限20%，则电机上下导轴承损耗功率ΔNfd为4.55 kW。

1.3 油冷却器冷却用水量计算

同步电机推力轴承和上导轴承（位于上油缸内）损耗功率13.64 kW，下导轴承（位于下油缸内）损耗功率为2.27 kW。油缸内油冷却器的冷却用水量可用式（3）计算：

式中 QT——油冷却器冷却用水量，m3/h；

ΔNf——油缸内轴承损耗功率，kW；

ρ ——冷却水密度，kg/L；

c —— 冷却水的比热容，J/（kg·K），取 c=4 186.8 J/（kg·K）；

Δt —— 油冷却器进出口水温差，℃，与冷却器的效应优劣有关，一般为2～4 ℃，本次取2 ℃。

沙集站一台同步电机上油缸的设计冷却用水量为5.86 m3/h，下油缸的设计冷却用水量为0.98 m3/h。

1.4 排水量计算

沙集站无调相要求，排水泵总流量Q确定时需考虑机组检修情况，采用式（4）计算：

式中 nj——检修的机组台数，本次取1台；

q —— 检修时一台主泵进口检修闸门和出口工作闸门漏水量，m3/h，沙集泵站进出水流道闸门止水橡皮周长为28.6 m，本次计算中每米橡皮止水漏水量取3.6 m3/h，则沙集站一台主泵进出水流道闸门漏水量为102.96 m3/h；

V1—— 下游处于正常设计水位时进水流道和泵室内的积水量，m3，下游水位12 m时为48.1 m3；

V2—— 集水廊道排水泵起动高水位与停运低水位之间的有效容积，m3，沙集站为135 m3；

T —— 排水泵工作时间，h，一般取 4～6 h，此次计算取6 h。

将泵站各项数值代入式（4）中，计算得到沙集站排水泵总流量为133.47 m3/h。

2 原供排水系统能耗计算及存在问题

2.1 原供排水系统

沙集站供排水系统采用供排结合方式［12］，如图1所示。供水系统采用直接联合供水方式，供水泵为2台200QJ50-39/3型深井潜水电泵（设计工况扬程39 m，流量50 m3/h，功率9.2 kW），1台工作，1台备用；潜水泵安装在廊道内，从廊道内取水，经潜水泵加压后直接送至供水母管，再由供水母管分送至主机泵的上下油缸油冷却器和水导轴承，最后排回廊道［13］。

图1 改造前供排水系统Fig.1 Schematic diagram of water supply and drainage system before transformation

排水系统采用排水廊道集中的布置方式。生产污水、渗漏水以及机组检修排水汇集至廊道内，由潜水泵通过排水管路直接排至泵站上游。排水系统与供水系统共用两台潜水泵。

2.2 原供水系统能耗计算

2.2.1 原供水系统管路阻力参数计算

水泵装置运行中，进、出水管道附件水力损失与流量平方成正比。流体在管路中流动存在水头损失hw，它包括沿程阻力损失hf和局部阻力损失hj［14］，即流体在管路中流动存在水头损失hw=hf+hj=（Sf+Sj）Q2=SQ2。

（1）供水系统沿程阻力损失。

管路沿程阻力损失可按式（5）进行计算：

式中 hf——管路沿程阻力损失，m；

λ ——摩阻系数；

L —— 包括进出水管路在内的管道总长度，m；

d ——管道内径，m；

vp——管道内的平均流速，m/s；

n ——管道糙率，钢管可用0.012；

Sf——管道沿程阻力参数，s2/m5；

Q ——经过管路的流量，m3/s。

（2）供水系统局部阻力损失。

管道局部阻力损失可按式（6）计算：

式中 hj——局部阻力损失，m；

ζ —— 局部阻力系数，数值可根据实际情况按局部阻力系数表进行选取；

Sj——局部阻力参数，s2/m5；

Qt——经过管路的流量，m3/s。

（3）油冷却器阻力损失。

油冷却器阻力损失可按式（7）计算：

式中 m ——冷却管道串联数目；

l ——冷却器管长，m；

dy——冷却器内径，m；

vy——冷却器水流速，m/s；

Qo——经过冷却的流量，m3/s。

（4）串联管路总阻力参数。

串联管路的总阻力参数为串联各段的总阻力参数之合，可用式（8）表示：

式中 Sc——串联管路总阻力参数，s2/m5；

Sc1，Sc2，…，Scn—— 串联管路各分段阻力参数，s2/m5。

（5）并联管路总阻力参数。

并联管路的总阻力参数与各段支路的阻力参数之间的关系可用式（9）表示：

式中 Sb——并联管路总阻力参数；

Sb1，Sb2，…，Sbn—— 并 联 管 路 各 支 路 阻 力参数。

（6）管件阻力参数。

原供水系统管路按照管段直径和流量进行分段编号，将供水系统分成13管段。应用沿程阻力损失和局部阻力损失计算公式分别计算各管段的沿程阻力参数、局部阻力参数和总阻力参数。上油缸油冷却器管径为0.019 m，管长为2.08 m，串联数为4，局部阻力系数取4，代入式（5）计算得阻力参数为4 808 158.11 s2/m5；下油缸油冷却器管径为0.019 m，管长为9.72 m，串联数为1，局部阻力系数取4，代入式（5）可计算得阻力参数为24 345 971.17 s2/m5。

2.2.2 原供水系统运行工况点确定

沙集站水泵橡胶轴承的润滑用水只是在机组启动和停机时短时间使用，正常运行时供水系统主要供给电机上下油缸油冷却器冷却用水，调整供水泵出水口闸阀开度，保证联轴器层供水母管压力为0.1～0.15 MPa。廊道内正常水位8.7 m，水泵层水平供水母管上安装压力表，高程为10.7 m，当供水泵出水口闸阀全开和5台机组运行时此处压力表为0.30 MPa。以供水泵进水口滤网为起点，水泵层水平供水母管压力表为终点，供水系统的需要扬程H可用式（10）计算：

式中 Hr——需要扬程，m；

hw——总水头损失，m；

hb-ha——净扬程，m；

ha—— 供水泵吸水管进水口水位高程，m，此处为廊道内水位高程8.7 m；

hb—— 排水管出口高程，m，此处为压力表高程10.7 m；

pi——排水管上压力表处压力，Pa；

vm——母管内水流速，m/s；

Qg——供水泵流量，m3/s；

dm——冷却器排水母管内径，m。

以供水泵进水口滤网为起点，水泵层水平供水母管压力表为终点，将1-3各管段的阻力参数按串联管路阻力参数计算式（8）进行计算，代入式（10）得出需要扬程曲线方程为：

绘制式（11）的需要扬程曲线Q～Hr（如图2所示），与深井潜水电泵性能曲线Q～H交与A点。A点流量为51.00 m3/h，扬程为38.3 m，水泵效率为77.01%。

图2 改造前冷却水系统水泵与管路性能曲线Tab.2 Pump and pipeline characteristic curves of cooling water system before transformation

2.2.3 流量校核

沙集站1台同步电机上油缸的冷却用水量为5.86 m3/h，下油缸的冷却用水量为0.98 m3/h。1台机组所需冷却用水量为6.84 m3/h，5台机组同时运行时所需冷却用水量为34.2 m3/h。深井潜水电泵运行时的流量为51.00 m3/h，大于34.2 m3/h，满足机组需要。

2.2.4 管路真空度校核

管路中真空度如果过大，会引起管子振动，甚至水流中断使供水系统运行失去稳定，严重影响冷却效果，因此必须校核管中的真空压力。管路中真空度最大部位是位置最高的那个冷却器的顶部。沙集站上油缸油冷却器顶部高程为21.7 m，而廊道内水位高程8.7 m，如果排水管采取淹没出流流回廊道，因高程相差太大势必引起上油缸油冷却器顶部管路真空度过大造成不良后果。因此可采取排入大气的方法降低上油缸油冷却器顶部真空度，将上油缸油冷却器的回水排入较大管径的PVC管流回廊道。真空度校核可用式（13）进行计算：

式中 pb——真空压力，kPa，以负压形式表示；

hib—— 上油缸冷却器顶部高程，m，计算取21.7 m；

hb—— 排水管出口中心高程（当排入大气时），m，计算时取18.3 m；

hwb—— 冷却器后排水管的水力损失总和，m，计算时取8.05 m；

vb—— 排水管中流速，m/s，1.48 m/s；

vi—— 上油缸冷却器中流速，m/s，计算时取1.71 m/s。

经计算上油缸冷却器的真空度Pb/γ为4.61 kPa，超出负压允许的3～4 kPa范围，影响冷却效果。

2.2.5 能耗分析

电机上下油缸冷却水在冷却器和廊道之间循环使用，冷却器带来的部分热量可通过对流换热方式散发到水泵层空气中，或通过热传导方式传导至廊道四周的混凝土或水中，但大部分热量需与廊道中温度较低的深井自来水通过热交换传递出去。故原供水系统运行所需功率损耗包括生产区深井潜水电泵功率损耗和生活区深井潜水电泵功率损耗。

（1）生产区深井潜水电泵功率损耗。生产区深井潜水泵的运行所需功率损耗，可用式（14）进行计算：

式中 Pc——潜水泵电动机功率，kW；

Qq——潜水泵流量，m3/h，Qq=51.00 m3/h；

H ——潜水泵扬程，m，H=38.30 m；

η泵——潜水泵效率，η泵=77.01%；

η传动——潜水泵为直联传动，取值100%；

η电机—— 潜水泵电机效率，异步电机负载超过0.5时效率取0.85。

经计算，运行时生产区深井潜水泵功率损耗为8.07 kW。

（2）生活区深井潜水电泵功率损耗。注入廊道的深井自来水随环境温度变化而略有变化，但变化幅度不大，故注入廊道深井自来水量视为不变。生活区深井自来水只向廊道注水（约10 m3/h）情况下，深井潜电泵潜（流量为32 m3/h，功率为11 kW）的电压为405 V，电流为8.1A。此时深井潜水电泵功率损耗可用式（14）计算：

式中 Ph——深井潜水泵电动机功率，kW；

U ——潜水电动机电压，V；

I ——潜水泵电机电流，A；

cosφ ——异步电动机功率因素，取0.8。

经计算，生活区深井潜水泵功率损耗为4.46 kW，原供水系统运行时功率损耗为12.53 kW。

2.3 原供排水系统存在的问题

（1）水质较差，管路容易堵塞。廊道内水中泥沙和水生生物较多［15］，水生物在管路内繁殖，含泥沙的水容易在管路内淤积堵塞，造成过流断面减小、阻力增大，致使流量减小、扬程功率增大，流量减小致使上下油缸温度升高，情况严重时甚至造成堵塞，影响机组运行。在冷却器内壁结水垢致传热性能下降，影响冷却效果，同时水垢加厚后加剧管路淤积堵塞。

（2）高温天气时无法保证冷却效果。气温高于35 ℃时，因注水口偏小，采用注入温度较低的深井自来水方式无法有效降廊道水温，导致上下油缸温度偏高，甚至需进行短暂停机处理。

（3）不利于同步电机定子散热。廊道内热水通过对流方式向空气中散发热量，增加电机四周环境温度，不利于电机定子降温。

（4）排水泵设计流量偏小。2台潜水泵的设计流量为100 m3/h，小于计算所得的排水泵总流量133.47 m3/h。因此沙集站排水泵的流量偏小，当检修时对橡皮止水的要求非常高时，通常必须由潜水人员进行堵漏方可满足要求。

（5）机组运行和检修同时进行时矛盾较多。机组运行期间如有机组需要检修，冷却润滑水需要的压力与排水泵工作时的压力不同，并且排水初期排水量较大排水泵必须全部用于排除廊道和进水流道内的积水，因此正在运行的机组必须停止运行保证检修期排水。

（6）上油缸油冷却器真空度较大。上油缸油冷却器顶部的真空度为4.61 kPa，超出负压允许范围（3～4 kPa），容易引发冷却铜管振动，空气聚集在冷却器顶部［16］，甚至水流中断，影响冷却效果。含气水流还会造成冷却器铜管破裂，冷却水进入油缸，而油缸内的油通过冷却水管流失，如果不及时发现，将造成严重后果。

（7）水泵运行扬程高，能量浪费严重。沙集站上油缸油冷却器顶部高程为21.7 m，而廊道内水位高程8.7 m，上油缸油冷却器与廊道的高差大，采取高水高排势必提高供水泵的扬程，增大技术供水的能耗，能量浪费严重。

3 改造方案及其效果分析

3.1 改造方案

因沙集站供排水系统存在较多缺陷，需进行优化改造。因橡胶轴承的润滑用水只是在机组起动和停机时短时间使用［17］，故采取同步电机油冷却器供水、水泵橡胶轴承润滑供水和排水系统相对独立的方案进行改造［18］，如图3所示。

图3 改造后的供排水系统Fig.3 Schematic diagram of water supply and drainage system after transformation

同步电机上下油缸油冷却器供水采取闭式管路循环冷水机组冷却供水方式，采用型号为ZWLQ-20的两台风冷冷水空调机组（一主一备，功率17.64 kW，制冷量60 kW，水流量12 m3/h），用来降低回水母管内冷却水的温度，采用型号为DFG80-160/2/7.5两台管道增压泵（一主一备，设计扬程32 m，流量50 m3/h，功率7.5 kW），用于克服循环系统的沿程水力损失和局部水力损失，实现冷却水闭路循环；水泵上下导轴承润滑供水仍采用潜水泵抽取廊道内积水方式，深井自来水和原上游取水口压力水作为备用；排水系统采用型号为80WQ11131无堵塞排污潜水泵（设计扬程21 m，流量50 m3/h，功率5.5 kW），污水直接排向上游出水口，原技术供水取水口作为备用排水口，水导轴承润滑水供水泵作为备用排水泵。

3.2 改造方案能耗计算

因橡胶轴承的润滑用水只是在机组起动和停机时短时间使用，故不进行能耗计算，只对供给电机上下油缸油冷却器的闭式循环冷却水系统进行能耗计算［19-22］。

3.2.1 闭式循环冷却水系统管路阻力参数计算

闭式循环冷却水系统按照管段直径和流量进行分段编号，分成17管段。分别计算各管段的沿程阻力参数、局部阻力参数和总阻力参数。

3.2.2 闭式循环冷却水管路系统需要扬程曲线计算

将闭式循环冷却水系统阻力参数按串并联情况代入式（8）（9），计算闭式循环系统的总阻力参数。冷水空调机组在额定运行压力情况下，水头损失为0.04 MPa，循环冷却水系统进水口和排出口高程相同，并代入式（10）中，得出闭式循环冷却水系统的管路需要扬程曲线公式：

将流量Q的单位由m3/s转换为m3/h，则此段管路的扬程曲线方程由式（15）转换为：

绘制式（16）的管路性能曲线Q～Hr（如图4所示），与深井潜水泵性能曲线Q～H交与B点。B点流量为38.0 m3/h，扬程为26.6 m，水泵效率为80.98 %。

图4 闭式循环冷却水系统水泵与管路性曲线Fig.4 Pump and pipeline characteristic curves of closed circulating cooling water system

3.2.3 流量校核

沙集泵站五台机组共同运行时所需冷却用水量为34.2 m3/h。深井泵运行时的流量为38.00 m3/h，大于34.2 m3/h，满足机组需要。

3.2.4 管路真空度校核

在闭式循环冷却水系统管道泵的进水侧设置补水箱，补水箱高于管道泵叶轮中心5.2 m，管道泵处的静压值为0.052 MPa。冷却水系统循环工作时，管道内任一点的压力都大于管道泵处的系统静压值，确保系统最高点的热水不汽化。

3.2.5 能耗分析

闭式循环冷却水系统运行所需能耗包括管道泵能耗和冷水机组能耗。

（1）管道泵能耗。管道泵能耗P仍用式（13）进行计算，其中管道泵流量Q为38.00 m3/h，管道泵扬程H为26.6 m，管道泵效率η泵为80.98%。其他参数仍按深井潜水泵计数时数值，经计算运行时管道泵配套电机输入功率为4.00 kW。

（2）冷水机组能耗。冷水机组能耗随环境温度和开机台数变化而变化，主要表现在冷水机组间歇开停机时长不同。不同环境温度和开机台数，冷水机组开停机时长见表1。

表1 不同工况下冷水机组开停机时长Tab.1 Startup and shutdown duration of water chilling unit under different conditions

冷水机组运行时电压为401 V，电流为33.6 A。冷水机组运行时实时功率仍用式（15）计算可得18.32 kW。不同工况下，冷水机组能量损耗和闭式循环冷却水系统能量损耗计算结果见表2。

表2 不同工况下冷水机组和闭式循环冷却系统能量损耗Tab.2 The energy loss of water chilling unit and closed circulating cooling water system under different conditions

3.3 改造后供排水系统的优点

（1）提高技术供水可靠性。冷水机组有效降低循环冷却水的温度，管道增压泵保证清洁软水在闭式管路中循环，大大提高了同步电机油冷却器供水的可靠性。水泵导轴承润滑用水可由潜水泵直接抽取廊道积水提供，生活区深井自来水、和上游取水口的压力水作为备用，极大保障润滑可靠性。

（2）水质得到保障，冷却效果良好。同步电机冷却供水为清洁软水，在闭式管路、油缸冷却器和风冷冷水空调机组之间循环使用，冷却器内无泥沙淤积堵塞、少结垢，避免堵塞供水管路和冷却器，保障冷却效果。沙集泵站自2015年改造为闭式循环冷却水系统后，至今未发生过管路堵塞故障。

（3）实现多方案排水，提高排水系统可靠性。改造后沙集站排水系统以两台QW型无堵塞排污潜水泵作为主要排水泵，在排污泵发生故障或流量不够情况下还可使用润滑水供水泵作为排水泵，通过原供水系统进水口向上游排水。两套排水系统之间安装闸阀，可实现排水系统出水口互为备用，提高排水系统可靠性。潜污泵卧式安装在廊道集水槽内，可完全排净廊道内的积水，提高廊道容积使用率，进一步提高排水可靠性。

（4）节能效果显著。3台主机组运行，环境温度为15 ℃时闭式循环冷却水系统运行的能量损耗较改造前供水系统节约33.76 %，环境温度为0 ℃时节约68.08 %，而环境温度为30 ℃时则增加19.63 %；5台主机组运行，环境温度为15 ℃时闭式循环冷却水系统运行的能量损耗较改造前供水系统节约20.11 %，环境温度为0 ℃时节约68.08 %，而环境温度为30 ℃时则增加66.72 %。与改造前供水系统相比较，闭式循环冷却水系统运行时能量损耗受环境温度影响很大，温度越低节能效果越显著，高温时则比改造前增加能量损耗；开机台数越多，增加的能量损耗越大。沙集泵站为南水北调泵站，冬春季运行时间较长，运行时环境温度普遍较低，技术供水系统改造后，节能效果显著。

4 结论

（1）原供排水系统由于水质较差，管路易堵塞，上油缸油冷却器顶部的真空度为4.61 kPa，超出负压允许范围（3～4 kPa），供水可靠性差；采用高水高排增大供水泵扬程，供水运行能耗大。

（2）改造后闭式冷却机组循环冷却水系统，水质为清洁软水，冷却器内无泥沙淤积堵塞、结垢少；由风冷冷水空调机组有效降低冷却水的温度，管道增压泵保证冷却水循环流动，提高闭式循环冷却水系统可靠性。

（3）改造后闭式循环冷却水系统将稳压补水点安装在管道泵进水口处，则系统内无负压，保证了油冷却器的冷却效果。

（4）改造后闭式循环冷却水系统的运行能量损耗受环境温度和运行台数影响很大，温度越低节能效果越显著，运行台数越少节能效果越显著。沙集泵站三台主机组运行，环境温度为15 ℃时能耗较改造前降低33.76%，环境温度为0 ℃时节能68.08%。