問澤杭，吳海軍，張合朋

(1.江蘇省南水北調(diào)工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，江蘇 南京 210029；2.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800)

長(zhǎng)期以來，泵站主電機(jī)、主水泵生產(chǎn)廠家只提供主機(jī)組，而為實(shí)現(xiàn)泵站主機(jī)組冷卻、水泵葉片調(diào)節(jié)、水泵斷流等功能，大部分泵站都需另行配備有公共輔機(jī)系統(tǒng)。公共輔機(jī)系統(tǒng)按功能又可分為壓力油、壓縮空氣、技術(shù)供水等系統(tǒng)[1]，分別通過油、氣、水管道與主機(jī)組連接，通過自動(dòng)控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)各自功能。泵站運(yùn)行過程中，某一個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)的故障將直接影響泵站的安全運(yùn)行，因此有必要對(duì)當(dāng)前的泵站主輔機(jī)系統(tǒng)配置模式進(jìn)行調(diào)整。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化、功能模塊化的設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，為泵站主輔機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的選擇。2016年，張廣峰等[2]對(duì)190系列應(yīng)急柴油機(jī)水泵機(jī)組的成套化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。本文提出水泵機(jī)組成套化設(shè)計(jì)的思路，并對(duì)其可行性進(jìn)行了探討，以供泵站設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理人員參考。

1 水泵機(jī)組成套化的概念

水泵機(jī)組成套化就是以機(jī)組為單元，將其作為主要控制對(duì)象，不建立公共輔機(jī)系統(tǒng)，而采用“一對(duì)一”模式建立獨(dú)立的配套系統(tǒng)。因此，水泵成套設(shè)備除主水泵和電機(jī)外，還包含主機(jī)冷卻、斷流、葉片調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制、繼電保護(hù)等輔助設(shè)備或系統(tǒng)。水泵成套化，可以有效解決傳統(tǒng)方式下泵站所有機(jī)組對(duì)公共輔機(jī)系統(tǒng)的依賴，當(dāng)一臺(tái)主機(jī)的輔機(jī)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，其他機(jī)組的運(yùn)行不受影響。此外，各設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)互換和備用，同時(shí)也省去了大量機(jī)組間、公共輔機(jī)和主機(jī)間的互聯(lián)管道及供電電纜。

2 水泵機(jī)組成套化設(shè)計(jì)

水泵機(jī)組成套化設(shè)計(jì)是將機(jī)組、輔助設(shè)備及其控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一，即圍繞泵站機(jī)組冷卻、葉片調(diào)節(jié)、斷流等功能，將原來的系統(tǒng)拆分，進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置。本文以立式泵站、虹吸式出水流道為例，提出成套化設(shè)計(jì)方案。

2.1 水泵機(jī)組的冷卻型式及容量選擇

2.1.1 冷卻型式選擇

傳統(tǒng)的技術(shù)供水采用直接從河道取水作為技術(shù)供水水源，近年來，由于受泵站河道水生生物及河道污物影響，往往會(huì)造成技術(shù)供水系統(tǒng)管道堵塞，進(jìn)而影響機(jī)組冷卻條件及運(yùn)行可靠性。為解決泵站技術(shù)供水形式存在的問題，部分泵站將直接供水或間接供水方式改為流道閉路循環(huán)冷卻、冷水機(jī)組供水、排水廊道循環(huán)冷卻[3]等。目前以采用冷水機(jī)組作為冷卻供水為最多，而這一方式除水的冷卻由冷水機(jī)組完成外，整個(gè)系統(tǒng)仍采用原技術(shù)供水布置形式，即建立全站公用的技術(shù)供水系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，因運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)不一樣，需要通過調(diào)整壓力或水量來適應(yīng)，也需要設(shè)置供、回水母管，這些都增加了能量損耗。為解決以上問題，采取單臺(tái)機(jī)一對(duì)一技術(shù)供水或冷卻方式，即以主機(jī)為單元，一對(duì)一安裝小型冷水機(jī)組或蒸發(fā)式冷卻。

2.1.2 單臺(tái)機(jī)組冷卻容量選擇計(jì)算

單臺(tái)機(jī)組的冷卻容量一般由電機(jī)或水泵制造廠提供，也可按制造廠提供的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

(1)單臺(tái)機(jī)組軸承發(fā)熱量計(jì)算

(1)

式中，Q為單臺(tái)機(jī)組軸承發(fā)熱量，kW；S比熱，通常水的比熱為4.2 kJ/kg·℃；De為比重，水的比重為1 000 kg /m3；F為流量，m3/h；T為冷卻水進(jìn)出口溫差(一般選用2～4℃)。

以南水北調(diào)寶應(yīng)泵站為例，電機(jī)上、下油缸設(shè)計(jì)供水壓力為0.1～0.45 MPa，供水溫度20℃，上油缸設(shè)計(jì)供水流量17 m3/h，下油缸設(shè)計(jì)供水流量1.5 m3/h，合計(jì)18.5 m3/h，由式(1)計(jì)算得Q為43.17 kW。

(2)冷水機(jī)組制冷量計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算發(fā)熱量，按能耗比3.0計(jì)算，選擇冷水機(jī)組制冷量43 kW，相應(yīng)冷水機(jī)組壓縮機(jī)電功率約14 kW。

因電機(jī)冷卻進(jìn)水溫度不要求太低，冷水機(jī)組在高溫制冷比低溫制冷能力強(qiáng)，在實(shí)際選擇時(shí)，冷水機(jī)組壓縮機(jī)電功率可以適當(dāng)?shù)陀谟?jì)算值。

2.2 機(jī)組葉片調(diào)節(jié)設(shè)備型式選擇及調(diào)節(jié)力的確定

為適應(yīng)泵站不同運(yùn)行工況的要求，并提高水泵運(yùn)行效率，大型泵站通常采用葉片全調(diào)節(jié)水泵。葉片調(diào)節(jié)按照調(diào)節(jié)方式又分機(jī)械調(diào)節(jié)和液壓調(diào)節(jié)。對(duì)于液壓調(diào)節(jié)的泵站，需要增設(shè)壓力油系統(tǒng)，其主要功用是為葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供壓力油源。早期的壓力油系統(tǒng)由中壓空壓機(jī)、壓力油泵、油箱、閥件及控制系統(tǒng)組成。后期為取消中壓空壓機(jī)，采用氮?dú)庑钅芄?。最近，?nèi)置式液壓水泵葉片調(diào)節(jié)器和內(nèi)置式機(jī)械式水泵葉片調(diào)節(jié)器的使用，使取消泵站公用壓力油系統(tǒng)成為可能。

水泵葉片調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)力的大小和水泵轉(zhuǎn)輪直徑、ND值、葉片數(shù)量、水泵的流量、揚(yáng)程以及操作機(jī)構(gòu)制造質(zhì)量等多種因素有關(guān)，目前精確計(jì)算仍有很大的難度。如2013年，陳紅勛等[4]對(duì)江都四站的機(jī)組調(diào)節(jié)力進(jìn)行了計(jì)算和測(cè)試，在葉片角度-6°增加到+2°時(shí)，測(cè)試調(diào)節(jié)力305～172 kN，計(jì)算調(diào)節(jié)力289～-154 kN。湖北公安縣拓宇水利水電自動(dòng)控制設(shè)備廠經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為一般情況下，1.6 m口徑的泵，調(diào)節(jié)力150 kN左右；2.8～3.1 m口徑的泵，調(diào)節(jié)力500～1 000 kN左右。此外，引江濟(jì)淮工程的蜀山樞紐泵站，水泵葉輪直徑為3 480 mm，經(jīng)測(cè)試，機(jī)組最大調(diào)節(jié)力為1 800 kN。因此，目前市場(chǎng)上的內(nèi)置式液壓水泵葉片調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力均能滿足工程需要。

2.3 泵站機(jī)組斷流及設(shè)備選擇

目前泵站斷流方式大都采用快速閘門和真空破壞閥，分別適用于平直管出水和虹吸式出水的泵站。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)電磁式真空破壞閥和高速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，為機(jī)組成套化配置創(chuàng)造了條件。

2.3.1 快速閘門斷流速度選擇

目前快速閘門斷流按啟閉方式分為液壓?jiǎn)㈤]機(jī)和卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)由油泵、電機(jī)、管道及閥件組成，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，因閉門速度快，通常適用于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的臥式機(jī)組。卷揚(yáng)式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，早期設(shè)計(jì)的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)閉門速度慢，近年來，隨著高速卷揚(yáng)機(jī)出現(xiàn)，閉門速度可達(dá)5 m/min，滿足機(jī)組及規(guī)范規(guī)定的在2 min以內(nèi)的關(guān)門要求。

2.3.2 電磁真空破壞閥通流直徑的選擇

真空破壞閥通流直徑和機(jī)組流量、流道長(zhǎng)度、斷流時(shí)間及機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素有關(guān)，以圓形截面為例，最小通流直徑可按下面2種方法進(jìn)行計(jì)算。

(2)

(3)

式中：D為最小通流直徑；Q空為空氣進(jìn)入量，約等于出水流道倒泄水量或水泵啟動(dòng)流量，m3/s ；C為流量系數(shù)，對(duì)于通用虹吸破壞閥一般取 0.5 ；γ為空氣容重，t/m3；Δp為虹吸破壞閥內(nèi)外腔壓力差，m；g為重力加速度，m/s2；Q水為水泵額定流量，m3/s。

3 機(jī)組成套化計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)組成套化設(shè)計(jì)，可就近采集各種數(shù)據(jù)，就近建立管控系統(tǒng)，縮短控制信號(hào)電纜，節(jié)約工程費(fèi)用，各現(xiàn)場(chǎng)控制單元(LCU)單獨(dú)運(yùn)行，某LCU發(fā)生故障不會(huì)影響到其他LCU的正常運(yùn)行，也不會(huì)影響到上位機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可為機(jī)組監(jiān)控帶來較大的便利。

以立式機(jī)組、真空破壞閥斷流泵站為例，具體做法是采用可編程序控制器、DCS或智能設(shè)備，面向單臺(tái)機(jī)組建立現(xiàn)地控制單元。現(xiàn)地控制單元對(duì)水泵機(jī)組的設(shè)備功率、溫度、振動(dòng)、擺度、葉片承載力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；對(duì)水泵機(jī)組運(yùn)行工況及高效運(yùn)行進(jìn)行自主調(diào)節(jié)；利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過相關(guān)算法、模型，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邊緣運(yùn)算，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和輔助診斷。這一方式可以避免過去需要通過上位機(jī)對(duì)冷卻水系統(tǒng)、壓力油系統(tǒng)、低壓氣系統(tǒng)等泵站公用系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)的難度。此外，由于全站所有機(jī)組編制相同的控制程序，編程及軟件升級(jí)將更為便利，為程序標(biāo)準(zhǔn)化提供了基礎(chǔ)條件。圖1為現(xiàn)地控制單元控制示意圖。

圖1 機(jī)組現(xiàn)地控制單元(LCU)示意圖

4 結(jié) 語

采用泵站機(jī)組成套化設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)組為單元進(jìn)行設(shè)計(jì)與管理，可以避免機(jī)組之間干擾，降低設(shè)備故障率，有效提高設(shè)備可靠性；機(jī)組邊界清晰，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制以及控制程序標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)于大型調(diào)水工程或泵站群工程，可以實(shí)現(xiàn)多座泵站虛擬成一座泵站。此外，由主設(shè)備廠家統(tǒng)一設(shè)計(jì)和配套輔助設(shè)備，有利提高設(shè)備質(zhì)量，同時(shí)減少現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量。目前，雖然市場(chǎng)上的設(shè)備基本滿足機(jī)組成套化要求，但泵站主機(jī)輔助設(shè)備智能化、簡(jiǎn)單化仍有較大的空間，需要作進(jìn)一步研發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)真正意義上的成套化。