大型泵站机组冷却系统研究分析

姚辉勇，黄金伟，王腾，宋攀科

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.中国南水北调东线有限公司徐州分公司，江苏 徐州 221000）

1 概述

南水北调某泵站装置5 台3000HSTM 灯泡灌流泵，机组动力采用TG1650-52 电机，该电机冷却装置为中国船舶重工集团公司第七一一研究所设计的电机冷却系统KLSZ110。自2013 年运行以来共计8个调水年度，运行状况良好，在2019 年运行期间流量传感器显示流量值较设计值变小，压力表数值较设计值变大，经分析认为冷却器及管道内应有不同程度的结垢，于是对4#机组冷却器进行拆除维修，发现淡水冷却器铜管内有不同程度的水垢及细粉砂沉积现象，对冷却器采用高压水及专用清洗剂清理后，效果明显。

2 结垢的原因分析

2.1 水中溶解物的浓度分析

水源在循环水系统中，由于补充水采用天然井水，井水中含有的盐类如碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐和其他矿物质，硬度300mmol/L 左右。在循环冷却水经换热后进淡水冷却器冷却，水中矿物质和离子含量也不断被浓缩，与碱性物质发生反应，部分离子如Mg（OH）2和矿物质沉淀析出，由于Mg（OH）2等物质的胶凝作用，与水中的悬浮物、泥沙等沉淀下来。众所周知水中含有的溶解盐类越多，越容易析出，粘附在冷却器铜管内壁表面而结垢。

2.2 温度和温差分析

在冷却水和冷却器换热过程中，溶解在冷却水中的二氧化碳会不断逸出，水的pH 值会升高。气体二氧化碳的溶解度随着温度的升高而减小，随着温度的降低而增大。据统计在0℃，标准大气压下二氧化碳的溶解度为（体积比）1∶1.713；在20℃，标准大气压下二氧化碳的溶解度为（体积比）1∶0.878；在60℃，标准大气压下二氧化碳的溶解度为（体积比）1∶0.359。在空气冷却器中温度为65℃，循环淡水中二氧化碳的不断逸出，pH 值的上升，结垢趋势加快，可在淡水冷却器表面形成碳酸钙垢层。在循环水使用过程中由于水温呈现周期性升降状态，当温度升高时具有负的溶解度温度系数的盐类(如硫酸钙等)由于温度升高溶解度降低并析出形成水垢；而当温度降低时具有正的溶解度温度系数的盐类如二氯化钙由于溶解度降低而析出成垢。

3 冷却器、管路的疏通及清理

泵站的冷却器材质为薄壁黄铜，位于机组流道内不能轻易起吊维修冷却器。在2019 年度维修拆除淡水冷却器时，发现结垢基本为白色碳酸盐类，还有少许沉淀泥沙等，若采用传统高压水结合人工疏通方式进行，会对黄铜冷却管造成伤害，影响运行。针对该问题查找资料，结合泵站机组设备的实际情况，制定详细的冷却器水垢清除方案，定期采用高压水结合食品级柠檬酸除垢剂清洗，避免造成对淡水冷却器的机械损伤和化学腐蚀。

食品级柠檬酸除垢剂除垢能力强，对碳酸盐、硫酸盐、铁锈、铜锈形成的污垢具有较强的溶解能力，且对换热铜管无腐蚀。这种方法优点是除垢彻底且对淡水冷却器无伤害，能提高清理工作效率。水垢和除垢剂反应化学方程式：

3.1 前期准备

连接管路、清洗泵、清洗桶、连接管路、与管路相符的阀门等，做好闭路循环系统。拆卸设备原管路，连接已准备好的管路阀门和清洗管路，做好清洗准备。记录清洗前设备的温度、压力、能耗。用高压清水对其进行冲洗，一是为了检查循环系统有无泄漏，二是确定用水量和清洗剂用量，三是尽量冲除附着的水垢及沉淀的泥沙。待出水口水无杂色等异常现象时进行下一步柠檬酸除垢剂循环清洗。

3.2 清洗设备

先在系统清洗桶内缓缓加入柠檬酸除垢剂循环5min 以便能够混合均匀，根据上步计算的用水量，先按照1∶10 比例稀释柠檬酸除垢剂原液。循环20min 后测量一次pH 值，若pH 值大于1 适当补充原液。连续循环2～3h，每半小时测量一次pH 值，若后两次pH 值均在1 以内说明水垢已清理完毕，停止循环。为了防止大块垢质被剥离后堵塞管路，将管路反连接，进行反冲洗、脉冲冲洗，再次测pH 值，如果连续两次pH 值在1 以内，则已清洗干净。

3.3 设备调试运行

管道已清理干净，但是管道及冷却器内稀释液pH 值较小，易腐蚀管路。更换清洗桶内稀释液为清水后缓缓加入小苏打等弱碱性物质搅拌均匀，继续循环冲洗干净管路，使残留在循环系统内的稀释液充分中和，同样测pH 值，若连续两次pH 值在7 左右，证明已经冲洗干净。然后连接换热器管路，确保采用4DSY-2.5 电动试压泵对系统打压，确保设备连接完整，无渗漏现象，然后开机试运行。记录清洗后的设备的温度、压力和电耗数值，与未清洗前及设计指标进行比较。

3.4 废液处理

使用后的除垢剂稀释液，不能够随便弃置，需同小苏打等弱碱性物质中和后进行集中处理，避免污染环境。

4 减少结垢的措施

4.1 降低补充水的浊度

天然水体中泥沙、腐蚀生物以及各种悬浮物和胶体等的存在构成了水体的浊度。循环冷却水处理的补充水浑浊度在2～5 度，浊度越低越好，说明循环水中杂质少；当循环冷却水的进水水质不好时，必须要先进行预处理，减少污垢的沉积。对此要优化淡水水站的水滤器，更好地过滤去除悬浮物质。

4.2 做好冷却水的水质处理

采用低硬度的水或纯水，做好循环冷却水水质处理主要是为了防止水垢和腐蚀。当进水水质不好时，势必会导致水垢和腐蚀的产生，同时还可能会滋生大量的细菌，从而形成污垢。因此做好水质处理，是减少系统产生污垢的重要方法。故淡水水站的补充水一般采用处理过的纯水，呈中性和弱碱性的，pH 值控制在7～9.5 之间。

4.3 投加阻垢剂、分散剂

六偏磷酸钠等阻垢剂对钙镁离子具有吸附、络合、分散作用。在进行阻垢、防腐和杀菌灭藻处理时，投加一定量的聚丙烯酸钠等分散剂，也是控制污垢沉积的有效方法。分散剂能将水中大的泥团分散成细小的微粒悬浮在水中，随着水流而动，不会沉积在传热表面上，从而减少了污垢对传热的影响。可在水箱内定期投放除垢剂，以便消除附在管道壁上的污垢。

4.4 投加缓蚀剂

在管道及冷却器铜管内壁形成一层薄壁保护膜，经考察市场缓蚀剂类型，铬酸盐、钨酸盐氧化膜具有较好的保护作用。吸附性有机缓蚀剂具有发展前景，对金属内壁清洁光滑的同时具有较好的吸附性，缺点是价格较高，。

5 水循环系统的优化

5.1 增设前置过滤器

在补水管道上增设一套具有反冲洗排污功能的前置过滤器，内置褶皱式纤维膜、FOF 阻垢复合碳芯及400 目可拆洗不锈钢网，达到40 微米的精滤。该装置的使用有效拦阻了供水中的悬浮物及部分离子，可有效改善水的浊度和水质。

5.2 投放除垢剂

在淡水水箱内按照容量按比例投放除垢剂，从循环水出口处目测水质，较以前清澈且无杂质和漂浮物，有效提高了循环水的利用率。

6 结语

通过对机组淡水冷却器、淡水水站设施清理维护以及淡水站水循环系统的优化，减少了冷却器铜管发生渗漏的风险，使冷却器的热交换效果明显提高，热交换工况有了明显的改善，保障了该泵站机组电机高效、安全、经济运行，可为其他泵站的冷却装置升级改造提供参考依据■