朱　奕，李瑋華，孫　麗，顧　振

(蘇州市河道管理處，江蘇蘇州　215000)

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大中型貫流泵站冷卻循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能降噪

朱奕，李瑋華，孫麗，顧振

(蘇州市河道管理處，江蘇蘇州215000)

通過實(shí)地監(jiān)測分析大中型貫流泵站冷卻循環(huán)系統(tǒng)，許多系統(tǒng)中的循環(huán)用泵配用不合理。循環(huán)用泵的運(yùn)行工況點(diǎn)嚴(yán)重偏離正常值，造成了諸如過流零部件壽命短、特殊環(huán)境下設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差、能耗噪聲大等問題。通過對整個(gè)系統(tǒng)的重新測算進(jìn)行適當(dāng)改造，使泵的運(yùn)行工況點(diǎn)回歸正常范圍達(dá)到節(jié)能降噪的目的。

大中型貫流泵站；冷卻循環(huán)系統(tǒng)；節(jié)能降噪改造

0　引言

大中型貫流泵站在施行節(jié)能改造的時(shí)候，往往只關(guān)注到主泵的節(jié)能改造而忽略了與之配套的循環(huán)冷卻系統(tǒng)的改造。在實(shí)地監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)某些冷卻循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)泵和循環(huán)系統(tǒng)匹配不合理，導(dǎo)致了冷卻循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定且整體系統(tǒng)效率不高。經(jīng)過測算通過重新配型改造，不但可以大幅降低能耗，同時(shí)還能提高整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1　改造工程概述

東風(fēng)新泵站是蘇州市中心區(qū)防洪工程十大控制建筑物之一，位于蘇州中心城區(qū)西面的京杭大運(yùn)河與里雙河交匯口距運(yùn)河約80 m的里雙河上。由一座單孔凈寬8 m節(jié)制閘和一座20 m3/s雙向泵站組成。泵站采用堤身式布置，安裝4臺(tái)平面S型軸伸式貫流泵配250 kW異步電動(dòng)機(jī)單列布置而成。單泵流量5 m3/s，泵型為1500ZWB-1，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為1.60 m。該站作為蘇州古城區(qū)東部的重要進(jìn)出水口門，運(yùn)行任務(wù)較為繁重。

2　運(yùn)行狀況介紹分析

大中型貫流泵站的主體機(jī)組由于其使用的特性一般均選用大流量小揚(yáng)程的軸流泵。由于裝機(jī)容量大，通常采用水冷式電動(dòng)機(jī)配套冷卻循環(huán)系統(tǒng)使用。以東風(fēng)新泵站為例:一主一備兩臺(tái)技術(shù)供水泵參與冷卻循環(huán)系統(tǒng)作為四臺(tái)主泵的伺服系統(tǒng)。原設(shè)計(jì)技術(shù)供水泵選用流量為50 m3/h，揚(yáng)程為50 m的離心泵，其配用功率為15 kW。

當(dāng)水泵在管路中運(yùn)行時(shí)，水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)不僅與水泵本身的運(yùn)行特性相關(guān)，同時(shí)也與管路特性相關(guān)。水泵的實(shí)際工作點(diǎn)由能量和質(zhì)量的平衡條件決定，由于介質(zhì)在管路中是連續(xù)性的，因此質(zhì)量是平衡的。單位質(zhì)量介質(zhì)完成整個(gè)循環(huán)所消耗的能量與水泵對介質(zhì)所做的功是相等的，這是能量平衡條件。由于整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)的起止都為循環(huán)水池，因此基于能量平衡條件，整體管路中的循環(huán)水頭損失等于泵處于平衡運(yùn)行工況點(diǎn)的揚(yáng)程。通過測定水泵進(jìn)出口的壓力及真空度測定此時(shí)的揚(yáng)程即可得出此流量下整個(gè)管路的水力損失(見圖1)。

圖1　水泵進(jìn)出口壓力和真空度測定

通過實(shí)地監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該泵的實(shí)際工作揚(yáng)程僅為27 m左右，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下整個(gè)管網(wǎng)的水力損失為27 m左右。該數(shù)值遠(yuǎn)小于所選用技術(shù)水泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)的揚(yáng)程，通過比對出廠實(shí)驗(yàn)報(bào)告提供的水泵運(yùn)行曲線(圖2)該揚(yáng)程下的流量值約為72 m3/h。流量偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)50%，揚(yáng)程偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)-56%(一般情況下為了保證離心泵的運(yùn)行效率，認(rèn)為離心泵運(yùn)行工況點(diǎn)流量不宜小于設(shè)計(jì)點(diǎn)的60%且不大于設(shè)計(jì)點(diǎn)的130%，揚(yáng)程不應(yīng)低于設(shè)計(jì)點(diǎn)的65%)，技術(shù)水泵已處于嚴(yán)重偏工況運(yùn)行狀態(tài)。從運(yùn)行曲線圖上直觀的可以看出相對于設(shè)計(jì)工況點(diǎn)水泵的效率急劇下降，流量增大。流量增大直接引起管路內(nèi)的流速增加，根據(jù)沿程阻力損失公式[1]：

hw=∑hf+∑hj

式中：hf為沿程水頭損失；hj為局部水頭損失。

圖2　水泵進(jìn)行曲線

其中對于管路的沿程水頭損失可以使用達(dá)西公式[1]即：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；l為管路長度；d為管路直徑；V為流速。

對于管路部件可采用局部水頭損失公式[2]：

式中：ξ為局部阻力系數(shù)。

使用雷諾數(shù)計(jì)算公式判斷管路內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，雷諾數(shù)計(jì)算公式[2]：

式中：d為光路直徑；υ為介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度；V為流速。

當(dāng)1×105

通過代入化簡達(dá)西公式可得：

及

由公式可知無論是局部水頭損失還是沿程水頭損失，當(dāng)流量增大，流速也跟著增大。同時(shí)管路系統(tǒng)中的損失急劇增大，系統(tǒng)的效率也跟隨著下降。其次流速的大幅增大加劇了水泵的過流部件以及各管路部件的氣蝕。隨著水泵過流部件氣蝕破壞的加劇泵整體的效率下降，導(dǎo)致水泵的軸功率增加。更換葉輪之前循環(huán)水泵在運(yùn)行一段時(shí)間后在夏季高溫期間頻繁跳閘，可以推斷由于水泵偏工況運(yùn)行，且電動(dòng)機(jī)接近滿負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)氣蝕達(dá)到一定程度使水泵的運(yùn)行效率降低，加大了電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，再加上氣溫高，外界溫度和定子及軸承的溫差減小，散熱效率變差產(chǎn)生了頻繁跳閘的現(xiàn)象。查看更換下的葉輪發(fā)現(xiàn)葉輪進(jìn)口頸部有輕微氣蝕，葉輪后蓋板出口側(cè)及葉片背面已經(jīng)被嚴(yán)重氣蝕破壞。

3　循環(huán)水泵的改造

經(jīng)過對泵站主泵及循環(huán)冷卻系統(tǒng)的測算分析，選用一臺(tái)設(shè)計(jì)點(diǎn)流量為50m3/h，揚(yáng)程為32m的循環(huán)泵替代，能滿足流量的要求同時(shí)又可以緩解水泵偏工況運(yùn)行帶來的一系列問題。依照該型水泵出廠試驗(yàn)繪制的性能曲線(圖3)，據(jù)測算更換水泵后由于流量的下降引起沿程阻力損失的降低，水泵的運(yùn)行揚(yáng)程約為23m左右時(shí)，該工況點(diǎn)下水泵的流量約為61.2m3/h。流量偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)22.4%，揚(yáng)程偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)28.13%。偏工況運(yùn)行的狀態(tài)得到緩解。

圖3　水泵出廠試驗(yàn)性能曲線

參照阻力損失公式可以基本判斷隨著流量的下降，整個(gè)系統(tǒng)的損失下降，整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)效率增加。

4　改造前后對比

對東風(fēng)新泵站的冷卻循環(huán)系統(tǒng)用泵中的一臺(tái)進(jìn)行改造，并對各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄比對。

圖4　泵揚(yáng)程的檢測值

對兩臺(tái)泵運(yùn)行電流值進(jìn)行監(jiān)測對比(圖5)。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看改造后水泵的運(yùn)行電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改造之前的電流值。取平均值后得到，改造前平均電流為24 A，改造后平均電流僅為14 A。通過輸入電流可以分別求得改造前后電動(dòng)機(jī)的輸入功率。

圖5　泵電流的監(jiān)測

改造前電動(dòng)機(jī)輸入功率[3]：

正常狀況下，為了保證主泵正常工作，循環(huán)系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。改造后可比改造前全年(按365 d計(jì)算)節(jié)約電量約為(P改造前-P改造后)×25 h×365 d=52 209.6 kWh。

同時(shí)經(jīng)第三方檢測機(jī)構(gòu)對泵的噪聲進(jìn)行監(jiān)測，得到改造前噪聲約為87 Db左右，改造后噪聲約為79 Db左右。配用功率的下降以及氣蝕的改善，一定程度上降低了噪聲。

冷卻循環(huán)系統(tǒng)的改造后，在對兩臺(tái)循環(huán)泵監(jiān)測的同時(shí)也對主泵的定子溫度以及軸承溫度做監(jiān)測對比(因4臺(tái)機(jī)組中2號(hào)機(jī)組使用時(shí)間較長，因此由2號(hào)機(jī)組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，改造前數(shù)據(jù)預(yù)先在實(shí)施改造前監(jiān)測并記錄)，以確保冷卻系統(tǒng)改造不對主泵機(jī)組的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

圖6即為改造前后相關(guān)主泵電動(dòng)機(jī)冷卻指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，并對各指標(biāo)取平均值得到改造前電動(dòng)機(jī)軸承溫度為39.2 ℃；改造后電動(dòng)機(jī)軸承溫度為39.6 ℃；改造前電動(dòng)機(jī)定子溫度為48.9 ℃；改造后電動(dòng)機(jī)定子溫度為49.5 ℃。從圖中可以看出改造前后，主泵機(jī)組的電動(dòng)機(jī)軸承溫度以及電動(dòng)機(jī)定子溫度均處于穩(wěn)定狀態(tài)，且改造前后電動(dòng)機(jī)的軸承溫度以及定子溫度的均值沒有明顯的上升。循環(huán)水泵的改造并未對主泵電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

圖6　冷卻指標(biāo)數(shù)據(jù)對比

改造后的循環(huán)水泵對比改造前的循環(huán)水泵更適合于該循環(huán)系統(tǒng)，泵運(yùn)行工況點(diǎn)更接近泵運(yùn)行高效區(qū)，同時(shí)流量的適當(dāng)下降降低了整個(gè)管路的沿程損失，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使得能耗得以大幅下降，從而降低了運(yùn)行成本。同時(shí)，得益于氣蝕的改善，系統(tǒng)的各管件以及循環(huán)泵的過流部件的壽命大大的提高，維修保養(yǎng)成本也得以降低。

5　結(jié)語

負(fù)擔(dān)城市排澇重任的貫流泵的伺服冷卻循環(huán)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初其管路沿程損失計(jì)算過大。選用的水泵在運(yùn)行過程中嚴(yán)重偏離水泵的高效運(yùn)行區(qū)。不但循環(huán)水泵的配用功率偏大而且在運(yùn)行過程中由于其過大的流量造成對管路部件以及水泵過流部件的損壞。過大的流量以及過大的沿程損失造成了能源的大量浪費(fèi)。

上述成功改造的案例說明， 通過對管路系統(tǒng)的重新分析， 在不影響管路系統(tǒng)整體性能的條件下使用各種改造方法使得循環(huán)泵在管路系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)更接近泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)性能， 能夠大大的提高整體循環(huán)系統(tǒng)的效率， 從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時(shí)由于管路內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)的改善， 以及配用功率的減小， 同時(shí)能夠降低噪聲、 減少振動(dòng)。

[1]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊[M].北京：宇航出版社，1995.

[2]羅惕乾.流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]徐輝.貫流式泵站[M].北京：中國水利水電出版社，2008.