吳志峰，張友明，王 波，陳松山

（1.揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100）

0 引 言

隨著我國農(nóng)業(yè)治澇標準和沿江環(huán)湖城市的防洪標準提高，豎井貫流泵站在農(nóng)業(yè)治澇和城市防洪工程發(fā)揮了巨大作用，但與此同時，在豎井貫流泵站運行中仍存在一些亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，這其中泵站技術(shù)供水系統(tǒng)的合理配置及其可靠性尤為關(guān)鍵。運行實踐表明，因技術(shù)供水中斷、供水量不足或系統(tǒng)出現(xiàn)過大真空等而導(dǎo)致電機燒瓦、水泵水導(dǎo)軸承干摩擦破壞、填料函失效漏水、電機與齒輪變速箱溫升過高被迫停機等事故屢有發(fā)生。因此，開展豎井貫流泵站技術(shù)供水系統(tǒng)研究具有重要現(xiàn)實意義。

近年來國內(nèi)專家學(xué)者對泵站技術(shù)供水開展了一些研究。顏紅勤[1]探討了泵站技術(shù)供水盤管冷卻器布置與換熱面積計算；高欽[2]介紹新疆博斯騰湖東泵站采用循環(huán)冷卻供水方式；楊邗[3]介紹了九里河、伯瀆港和嚴埭港樞紐盤管置于流道中的冷去循環(huán)系統(tǒng)；董金龍[4]結(jié)合江蘇3座泵站介紹凈水循環(huán)3種供水方式；問澤杭[5]等提出改進供水系統(tǒng)的3種方法：取水口調(diào)整法、閉路循環(huán)法和介質(zhì)更換法，結(jié)合泗陽二站介紹MFLS-10型模塊化風(fēng)冷冷水空調(diào)機組；韓宏舉[6]介紹了風(fēng)冷式水冷機組在泗陽二站中應(yīng)用等?？傮w而言，已發(fā)表的論文大多只是經(jīng)驗介紹，缺乏必要的計算分析。為此，本文以江尖泵站為研究對象，利用流體管路系統(tǒng)的計算分析軟件Flowmaster，通過系統(tǒng)各部分模塊搭建，計算分析技術(shù)供水系統(tǒng)的管路阻力、流量分配以及各部溫度。

1 研究對象

江尖水利樞紐為無錫市城市防洪工程八大樞紐之一，具有防洪、排澇和調(diào)水等多重功能。泵站安裝3臺2500ZWS-2型豎井式貫流泵，單機流量20 m3/s，總流量60 m3/s；配套電機為YKS560-8型水冷式高壓防爆電機，單機容量800 kW，總裝機容量2400 kW。

圖1 技術(shù)供水系統(tǒng)原理圖

江尖泵站技術(shù)供水系統(tǒng)包括閉式循環(huán)熱流系統(tǒng)和開式冷流2個子系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)有35 m3循環(huán)供水貯水池，冷熱流通過2臺BFR250型熱交換器換熱。熱流系統(tǒng)循環(huán)水的動力是2臺LS100-44A型離心泵，它的循環(huán)路徑是：水箱→循環(huán)泵→進水管道→板式熱交換器→機組設(shè)備（電動機、齒輪箱和推力軸承）→回水管道→儲水池，啟動時供給填料函的潤滑水不流儲水池。冷流系統(tǒng)則是由LS150-24B型離心泵從河道取水，經(jīng)濾水器過濾，流經(jīng)板式熱交換器換熱后再排入河道，為防止水中雜物淤堵熱交換器，冷流系統(tǒng)中還配置2臺TY型濾水器。

2 系統(tǒng)模型建構(gòu)

2.1 數(shù)學(xué)模型

一維流體流動控制方程及換熱方程為：

質(zhì)量守恒方程：

流動阻力方程：

壓力損失方程：

換熱方程：

式中：

u1、u2、u—流速；

A1、A2—流體流過的面積；

p1、p2—進出口壓力；

ξ—流動損失系數(shù)；

ρ—密度；

p—靜壓力；

z—標高；

T1、T2—進出口溫度；

Q—吸熱/放熱功率；

m—質(zhì)量流量；

cp—定壓比熱。

2.2 仿真計算模型

Flowmaster軟件包含許多求解模塊，技術(shù)供水系統(tǒng)仿真選用Heat Transfer Steady State。

根據(jù)軟件提供的元件庫建立技術(shù)供水系統(tǒng)仿真模型。在建模過程中，使用的管路、彎頭、水泵、換熱器、水箱等元件參數(shù)由廠家提供或由Flowmaster提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)、公式進行建模。

（1）系統(tǒng)管路

采用元件庫Pipe族，選擇Cylindrical Rigid管，管道材質(zhì)為不銹鋼，絕對粗糙度0.15 mm，管道長度及安裝高度按照施工圖設(shè)置。

將彎頭、閥門、濾水器等元器件簡化為阻力元件Loss: Discrete，并設(shè)置相應(yīng)的損失系數(shù)。

（2）循環(huán)水泵、冷卻水泵

采用元件庫Pump族，選擇Radial Flow徑向流泵，循環(huán)水泵額定流量0.0261 m3/s，額定揚程44 m，額定轉(zhuǎn)速2960 rpm，額定率18.5 kW，性能曲線由廠家提供。冷卻水泵額定流量0.0667 m3/s，額定揚程20.7 m，額定轉(zhuǎn)速1480 rpm，額定功率18.5 kW，性能曲線由廠家提供。

（3）換熱器

采用元件庫中的Plate Heat Exchangers板式熱交換器，板片數(shù)為41片，孔口直徑0.08 m，孔口水平距離0.196 m，孔口垂直距離0.862 m，板子有效寬度0.18 m，有效面積0.25 m2，板的厚度0.5 mm，人形紋夾角30°。

（5）各路負荷

電機采用空氣冷卻器冷卻，循環(huán)水流過電機空氣冷卻器對電機內(nèi)部空氣冷卻降溫，從而降低電機內(nèi)部空氣溫升。采用Heat-Exchanger族，選擇Heater-Cooler元件模擬電機，采用Radiator模擬空氣冷卻器?？諝饫鋮s器1-2管路損失系數(shù)16.66，管路面積3.43 m2，3-4管路損失系數(shù)14.5，管路面積0.00553 m2，電機發(fā)熱量根據(jù)實際情況計算得到。

將齒輪箱與軸承看做熱源，用Heat-Exchanger族的Heater-Cooler進行模擬。發(fā)熱量根據(jù)不同工況計算得到。

根據(jù)供水系統(tǒng)管路布置情況連接各類元件，得到技術(shù)供水系統(tǒng)仿真設(shè)計圖，如圖2所示。

3 仿真模型驗證

為驗證仿真實驗準確性，將額定揚程下的循環(huán)水箱仿真值與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)相比較，仿真結(jié)果為26.94℃，現(xiàn)場運行結(jié)果為27.7℃，相差0.76℃，絕對誤差2.8%，小于5%。說明仿真實驗結(jié)果準確可靠。

圖2 技術(shù)供水系統(tǒng)仿真設(shè)計圖

4 變工況仿真結(jié)果與分析

選取5種不同的工況條件對技術(shù)供水系統(tǒng)進行分析，由下式計算得到電機產(chǎn)熱量，齒輪箱與軸承的產(chǎn)熱量按電機產(chǎn)熱量的15%計算。

式中：

p出—電機輸出功率；

ρ—密度；

q—流量；

η泵、η傳、η電機—水泵效率、傳動效率、電機效率；

H—揚程；

Δp—產(chǎn)熱量。

完成仿真模型搭建后輸入每個元器件參數(shù)并調(diào)節(jié)工況，模擬不同水位情況下供水系統(tǒng)的工作狀態(tài)。圖3為1臺水泵開機時，水泵揚程與電機進出口水溫的關(guān)系。

由圖3可以看出：隨著揚程的增大，電機進出口溫度均呈上升趨勢。但水泵揚程的變化對電機進出口水溫的影響并不大，電機進口溫升最大約為0.5℃，而隨著電機發(fā)熱量的增大，電機出口水溫溫升最大約為4℃。

水泵工況的改變不僅對電機進出口水溫有影響，對軸承以及齒輪箱的進出口水溫都有影響，如圖4所示。

圖3 水泵揚程與電機進出口水溫

圖4 揚程與軸承、齒輪箱進出口溫度

由圖4可以看出：齒輪箱與軸承的進出口水溫隨著揚程的增大不斷上升。齒輪箱與軸承進口溫度大致相等，最大溫升為0.62℃。齒輪箱出口最大溫升為14.98℃，軸承出口溫升最大約為13.08℃。

圖5為水泵揚程的改變對循環(huán)水箱水溫的影響。

圖5 循環(huán)水箱溫度

由圖5可以看出：隨著水泵揚程的增大，循環(huán)水箱水溫也在不斷增大，最大溫升為7.34℃。

圖6為額定揚程下循環(huán)水箱溫度與冷卻水泵閥門開度的關(guān)系。

圖6 閥門開度與循環(huán)水箱溫度關(guān)系

從圖6可以看出隨著閥門開度的增大循環(huán)水箱溫度不斷減小。當閥門開度小于45°時，閥門開度的變化對循環(huán)水箱溫度影響較為明顯，而開度大于45°后，閥門開度的變化對循環(huán)水箱溫度的影響非常小。

5 結(jié)語

電機、軸承以及齒輪箱進出口溫度直接影響到泵站的安全穩(wěn)定運行，本文基于Flowmaster軟件對技術(shù)供水系統(tǒng)進行研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著水泵運行工況的變化，電機、齒輪箱以及軸承進出口溫度都會相應(yīng)升高，但進口溫度升高最大在0.6℃左右，并不明顯。電機、齒輪箱和軸承出口溫升較大，電機出口最大溫升為5.18℃，齒輪箱出口最大溫升為14.98℃，軸承出口最大溫升為12.08℃，循環(huán)水箱最大溫升為7.34℃。

（2）首次利用Flowmaster軟件對泵站技術(shù)供水系統(tǒng)進行建模分析，驗證了該軟件對技術(shù)供水系統(tǒng)建模分析的可行性。對豎井貫流泵站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。