吳紹康

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000）

地鐵常規(guī)冷卻塔一般設(shè)置在高風(fēng)亭上、冷卻塔單獨(dú)設(shè)置在地面以及冷卻塔單獨(dú)下沉式設(shè)置等幾種形式。常規(guī)冷卻塔的設(shè)置存在征地拆遷面積大、噪聲高、景觀差等系列問題。常規(guī)冷卻塔的設(shè)置參照一般民用建筑冷卻塔的設(shè)計(jì)，未充分考慮地鐵工程的土建特點(diǎn)，根據(jù)羅輝等的研究，在進(jìn)排風(fēng)亭間，常有可以利用的剩余空間，將冷卻塔設(shè)在新排風(fēng)井之間的剩余空間內(nèi)，能夠有效解決上述痛點(diǎn)問題，將冷卻塔結(jié)合車站附屬埋于地下的布置示意圖如圖1所示。

圖1 隱藏式冷卻塔結(jié)合車站附屬布置的示意圖

將冷卻塔結(jié)合車站附屬空間，冷卻塔與冷卻泵位于同層，冷卻塔集水盤的高度受地下空間凈高的限制，集水盤與水泵入口的高差較小，集水盤的控制水位低于機(jī)房?jī)?nèi)冷卻水管的最高點(diǎn)；相對(duì)常規(guī)冷卻塔，同層布置的隱藏式冷卻塔存在氣蝕、空蝕以及倒流等新的問題需要考慮。本文針對(duì)新型的地鐵冷卻塔布置型式，重點(diǎn)研究泵塔同層布置時(shí)存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，旨在為地鐵冷卻塔設(shè)置難題提供參考。

1 隱藏式冷卻塔的氣蝕分析

以廣州地區(qū)典型站標(biāo)準(zhǔn)化的冷水機(jī)房為例，機(jī)房布置詳見文獻(xiàn)[2]。管道設(shè)計(jì)流速參照經(jīng)濟(jì)流速的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。驗(yàn)算一般站的冷卻水泵氣化情況，計(jì)算主要控制條件如下：

（1）單臺(tái)冷卻塔選型水量為200m3/h計(jì)算（共計(jì)2臺(tái)），計(jì)算冷卻水主管流量為290m3/h，計(jì)算流速為1.64m/s。

（2）冷卻塔以及水泵接管尺寸均為DN200，計(jì)算流速為1.28m/s。

（3）水泵進(jìn)口水溫考慮不利情況，取35℃，對(duì)應(yīng)的汽化壓力為5.6kPa

（4）地鐵行業(yè)冷卻水泵氣蝕余量可取4m。

經(jīng)計(jì)算，從接水盤入口至水泵入口的局部阻力損失為2.2m，沿程阻力損失為0.4m，總計(jì)算阻力為2.6m。阻力損失考慮1.1倍的安全系數(shù)，總阻力可控制在2.9m。水泵吸入口超過汽化壓力的富余壓頭為6.9m，大于水泵的氣蝕余量。

2 隱藏式冷卻塔的空蝕分析

2.1 水泵蝸殼最小淹沒深度需求

地鐵工程普遍采用單級(jí)單吸臥式離心泵，分站供冷車站的冷卻水泵的選型功率一般在15～30kW。這一功率范圍內(nèi)的單級(jí)單吸臥式離心泵的葉輪頂部高度距離機(jī)房裝修完成米面一般在800mm左右；考慮方案階段，設(shè)備未招標(biāo)，不同廠家、不同冷卻水泵的結(jié)構(gòu)差異，冷卻水泵的蝸殼頂部距離機(jī)房裝修完成面的高度按1m考慮，能夠滿足分站供冷的車站包容設(shè)計(jì)要求。

管道式離心泵的電機(jī)與泵一體化設(shè)計(jì)，采用立式結(jié)構(gòu)，占地面積小，運(yùn)行平穩(wěn)，泵進(jìn)出口設(shè)計(jì)成規(guī)格相同的法蘭且位于同一中心在線。當(dāng)塔、泵同層布置時(shí)，采用管道式離心泵更有利于滿足水泵的淹沒深度要求，有利于水泵的啟動(dòng)。此外，采用管道泵后，泵的出口可直接水平接入冷水主機(jī)入口，相比臥式離心泵的布置方案，減小了管路阻力，同時(shí)減小了冷卻水管的停機(jī)倒流水量。

2.2 冷卻水管吸入口的最小淹沒深度分析

為保證水泵正常運(yùn)行，一般要求吸水管管口的淹沒深度必須大于臨界淹沒深度hcr。隱藏式冷卻塔與冷卻泵同層布置時(shí)，系統(tǒng)所需水容積最大的工況點(diǎn)為系統(tǒng)初始啟動(dòng)冷卻水泵的工況，初始時(shí)刻，從水泵吸入口至與集水盤靜止水面等高的管段內(nèi)充滿了流動(dòng)介質(zhì)。其余部分冷卻水管及冷凝器均按空管考慮。如果補(bǔ)水速率小于水泵的抽水速率，水位會(huì)不斷下降，當(dāng)下降超過水泵吸入口臨界淹沒深度時(shí)，將會(huì)形成進(jìn)氣漩渦，影響水泵的正常工作。因此，不同流量條件下，發(fā)生吸氣旋渦的臨界相對(duì)淹沒深度（h/D）cr是隱藏式冷卻塔集水盤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，也是控制旋渦形成的一個(gè)主要考慮因素。

何等通過試驗(yàn)觀測(cè)水泵吸水管附近旋渦生成、發(fā)展的過程，得到了吸水口臨界淹沒深度與流量的關(guān)系式，如下：

式中，h為吸入口的淹沒深度，m；D為吸入口的管徑，m；Fr為弗勞德準(zhǔn)則數(shù)Fr=u× (gL)?1/2；u為吸水口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；L為吸水管的特征長(zhǎng)度，m。

經(jīng)計(jì)算，得到不同冷卻水管徑及不同冷卻水量的臨界淹沒深度。計(jì)算結(jié)果表1所示：

表1 不同冷卻水管徑以及冷卻水量的臨界淹沒深度

3 隱藏式冷卻塔集水盤容積的確定

通常冷卻塔的補(bǔ)水量為冷卻水流量的1～2%，補(bǔ)水量遠(yuǎn)小于水泵的流量，初始最不利工況下，啟泵時(shí)集水盤水位不可避免地下降，水位下降的極限位置不低于3.2小節(jié)。集水盤的浮球閥控制水容積需要滿足循環(huán)管路的補(bǔ)水量，同時(shí)滿足補(bǔ)水后的集水盤水位不低于臨界淹沒深度。

以廣州地區(qū)典型裝配式冷水機(jī)房的布置方案，計(jì)算水泵初始最不利工況需要給循環(huán)管路補(bǔ)充的水量，此水量也就是從集水盤初始水位下降到最小淹沒深度的水容量，計(jì)算得到典型裝配式布置的冷水機(jī)房，初始起泵的系統(tǒng)循環(huán)計(jì)算補(bǔ)水量為4.92m3以及選型補(bǔ)水量為5.42m3，如表2所示：

表2 系統(tǒng)循環(huán)的選型補(bǔ)水量

兩臺(tái)臥式隱藏式冷卻塔的集水盤的長(zhǎng)寬尺寸按照2.5×9.0m考慮，設(shè)計(jì)集水盤的選型補(bǔ)水量的下降高度為0.24m。

綜上所述，冷卻塔集水盤的初始水位的高度不應(yīng)低于選型補(bǔ)水量的下降高度與臨界淹沒深度之和。根據(jù)第三小節(jié)中臨界深度的計(jì)算，不同冷卻塔接管管徑及不同冷卻水量（單臺(tái)塔）的冷卻塔浮球閥控制水位深度結(jié)果表3所示：

表3 冷卻塔集水盤控制水位深度

4 結(jié)語

充分利用車站土建附屬多余空間，隱藏式冷卻塔能有效解決塔用地征拆困難、噪聲高、景觀差及易被投訴的難題，但塔泵同層布置時(shí)，應(yīng)考慮冷卻水泵的氣蝕、空蝕等問題，應(yīng)核算冷卻塔集水盤的容積以及考慮停機(jī)時(shí)冷卻水倒流問題。

對(duì)于一般地下車站，泵塔同層布置時(shí)，合理設(shè)置塔的基礎(chǔ)高度、采用管道泵、塔出水管位置、優(yōu)化水管尺寸以及集水盤大小等措施可滿足冷卻水泵的正常啟動(dòng)，可避免出現(xiàn)氣蝕、空蝕的發(fā)生。