王耿

（南水北調(diào)中線干線工程管理局，北京 100038）

惠南莊泵站變頻器外部冷卻水系統(tǒng)改造設(shè)計

王耿

（南水北調(diào)中線干線工程管理局，北京 100038）

惠南莊泵站是南水北調(diào)中線工程向北京市輸水的關(guān)鍵性工程，在機(jī)組試運(yùn)行過程中，出現(xiàn)變頻器內(nèi)部換熱器被冷卻水中雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致機(jī)組故障停機(jī)的情況。為消除故障，對變頻器冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改造設(shè)計和施工，設(shè)計方案采用雙冷源間接冷卻方式，同時對外部冷卻水溫度進(jìn)行控制。

泵站；變頻器；冷卻水；改造；設(shè)計

1 惠南莊泵站基本情況

1.1 工程概況

惠南莊泵站是南水北調(diào)中線工程北京段渠首處的一座大型加壓泵站，是北京段實(shí)現(xiàn)管涵加壓輸水的關(guān)鍵控制性工程，也是南水北調(diào)中線工程中唯一的泵站。水泵機(jī)組于2015年5月試運(yùn)行，2015年7月投入使用。

泵站進(jìn)口4孔平板閘門，后接前池，總?cè)莘e8.72萬m3，在泵站主廠房布置8臺水泵機(jī)組，單側(cè)采用2臺或3臺并聯(lián)運(yùn)行方式。水泵型式為臥式單級雙吸離心泵，其中6臺工作，2臺備用，水泵單機(jī)功率7300 kW，流量為10 m3/s，揚(yáng)程為26.52～58.20 m。為適應(yīng)上游來水流量從20～60 m3/s的區(qū)間變化，保持泵站穩(wěn)定運(yùn)行，水泵需作變速運(yùn)行以調(diào)節(jié)流量，為此每臺水泵-電動機(jī)機(jī)組均配備獨(dú)立的變頻器，變頻器選用瑞士ABB公司生產(chǎn)的ACS6000型中壓變頻產(chǎn)品。

1.2 改造前變頻器冷卻系統(tǒng)

泵站設(shè)置一套技術(shù)供水系統(tǒng)，采用直接供水方式，為水泵機(jī)組及變頻器提供冷卻水源。技術(shù)供水從泵站進(jìn)水池兩側(cè)分路取水，兩路進(jìn)水管接濾水器，匯至進(jìn)水總管，分別接6路支管，經(jīng)水泵加壓后匯總至出水總管。由出水總管引出8路水泵電動機(jī)冷卻水支管和1路變頻器冷卻水支管，其中變頻器冷卻水支管再分為8路，分別為8臺變頻器提供冷卻水。技術(shù)供水系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 技術(shù)供水系統(tǒng)布置圖

2 變頻器冷卻系統(tǒng)改造的提出

在泵站試運(yùn)行過程中，曾出現(xiàn)機(jī)組因變頻器冷卻系統(tǒng)水流量低報警而故障停機(jī)的情況。經(jīng)過對設(shè)備拆解仔細(xì)檢查，故障原因?yàn)樽冾l器的板式換熱器堵塞，導(dǎo)致變頻器內(nèi)部循環(huán)冷卻回路水流不暢，設(shè)備部件溫度過高而停機(jī)。后經(jīng)檢查分析表明，雜質(zhì)來源為泵站前池即南水北調(diào)渠道水中植物類絮狀物。當(dāng)夾帶這類雜質(zhì)的水流經(jīng)過變頻器內(nèi)部的窄流道板式換熱器時，長時間大流量通過造成換熱器板片堵塞，導(dǎo)致變頻器內(nèi)部溫度升高報警，繼而跳閘停機(jī)。

南水北調(diào)水來自距北京市千里之外的丹江口水庫，屬于天然水。持續(xù)監(jiān)測表明，其水質(zhì)為Ⅱ類水，并且大部分指標(biāo)達(dá)到Ⅰ類水的標(biāo)準(zhǔn)，對于城市供水而言，屬于優(yōu)質(zhì)水源。對于天然水中雜質(zhì)，粗略地可以按其顆粒大小分為3類：懸浮物、膠體和溶解物質(zhì)，通常將大于100 nm的顆粒稱為懸浮物，包括泥沙、黏土、動植物的肢體等［1］。對于精密設(shè)備水冷卻系統(tǒng)來說，由于水中絮狀物的存在，如果監(jiān)控不到位、處理不及時將可能造成機(jī)組故障停機(jī)。惠南莊泵站為南水北調(diào)中線進(jìn)京的節(jié)點(diǎn)性工程，也是全線唯一一座泵站，其安全運(yùn)行對向首都穩(wěn)定供水起著至關(guān)重要的作用。而消除或控制上游來水的雜質(zhì)在技術(shù)上不具操作性，因此必須在泵站內(nèi)部對水質(zhì)進(jìn)行控制。另一方面，經(jīng)過復(fù)核，廠家對變頻器外部冷水的溫度要求是5～28℃，而實(shí)際上，通過往年實(shí)際測量可知，泵站前池水最高溫度已經(jīng)超過了29℃，不能滿足設(shè)備的制冷要求，需要進(jìn)行冷卻處理。因此，必須對原有的外部冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，以滿足設(shè)備運(yùn)行對水質(zhì)和水溫的雙重要求，進(jìn)而保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 變頻器水冷單元散熱量計算

變頻器為間接熱交換散熱方式，外接循環(huán)冷卻水進(jìn)入變頻器板式換熱器后，與變頻器內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行換熱。變頻器換熱原理圖見圖2。

圖2 變頻器熱交換原理圖

泵站共設(shè)8臺相同型號變頻器。廠家提供的產(chǎn)品說明書標(biāo)明，單臺變頻器最大發(fā)熱量為233 kW，其中由水冷單元（變頻器內(nèi)部自帶板式換熱器）負(fù)擔(dān)217 kW的散熱量，其他熱量通過元件與空氣直接交換散熱。同時，產(chǎn)品要求的變頻器外部冷卻供水溫度范圍為5～28℃，最小流量為420 L/min（25.2 m3/h）。

8臺變頻器為6用2備方式，運(yùn)行方式要求最少啟動4臺運(yùn)行；根據(jù)廠家工藝要求，在變頻器處于熱備用狀態(tài)時，無論是否投入運(yùn)行，必須為變頻器提供外部冷卻水，以保證其內(nèi)部冷卻水的電導(dǎo)率維持在合格水平。由此計算，8臺變頻器最小供水流量為100.8 m3/h，最大供水流量為201.6 m3/h，水冷單元最大散熱量為1 302 kW。

按照變頻器散熱最不利工況—變頻器進(jìn)口溫度28℃，流量25.2 m3/h，變頻器散熱量217 kW/臺計算，由以下水的比熱容公式可求得變頻器供回水溫差△t：

Q=c×m×Δt

式中：Q：熱量（kJ=kW·s）；

C：水的比熱容（kJ/（kg·℃）），取4.2；

m：水的質(zhì)量（kg）25m3/h流量換算為7kg/s；

△t：溫差（℃）；

變頻器供回水溫差Δt為7.41℃，回水溫度t為35.41℃。

4 改造方案的選擇

冷卻過程是工業(yè)生產(chǎn)全過程的一部分，它與全過程有密切關(guān)系，其各項(xiàng)參數(shù)是根據(jù)全過程來確定的。另外，冷卻過程也是工業(yè)生產(chǎn)全過程和環(huán)境之間的一個環(huán)節(jié)，由于冷卻介質(zhì)的取用、消耗及排放而影響環(huán)境。目前常用的冷卻方式有直流冷卻、循環(huán)冷卻以及直流冷卻與循環(huán)冷卻聯(lián)合運(yùn)行。循環(huán)冷卻的主要優(yōu)點(diǎn)是降低水的消耗量。直流冷卻與循環(huán)冷卻聯(lián)合運(yùn)行是對直流冷卻的發(fā)展，其主要優(yōu)點(diǎn)是降低直流冷卻水源的負(fù)擔(dān)。

4.1 方案選取原則

（1）作為泵站的技術(shù)供水系統(tǒng)，系統(tǒng)選擇要首先考慮泵站的穩(wěn)定運(yùn)行，冷卻系統(tǒng)要充分保證系統(tǒng)安全。

（2）系統(tǒng)方案應(yīng)考慮節(jié)能，并盡可能利用前池水。

4.2 方案設(shè)計目標(biāo)

綜合上述分析，冷卻系統(tǒng)改造工程應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)功能：

（1）解決原水對現(xiàn)有設(shè)施的堵塞問題；（2）解決夏季水溫超高問題。

4.3 方案分析

4.3.1 溫度分析

根據(jù)上年度泵站前池溫度實(shí)測數(shù)據(jù)，其全年最高溫度為30.6℃。但由于實(shí)測數(shù)據(jù)不連續(xù)且年份偏少，不能完全作為設(shè)計依據(jù)。因此需參照相關(guān)水體溫度予以估算確定。有關(guān)參照值見表1。

表1 北京周邊及水源地湖海水體溫度統(tǒng)計表

由表1可知，在夏季最熱的7～9月份，丹江口水庫水經(jīng)過1 276 km地上明渠進(jìn)入惠南莊泵站前池，其水溫將幾乎肯定會超過28℃。在這種情況下，將無法利用泵站前池原水對變頻器進(jìn)行直接冷卻，需考慮另外的冷源。

4.3.2 水質(zhì)處理

要解決水中雜質(zhì)問題，可考慮對水體進(jìn)行物理處理，主要有格柵法、沉砂池、離心機(jī)、沉淀池、過濾、氣浮等方案［3］。但綜合考慮占地、運(yùn)行維護(hù)、造價等多方面因素，在已經(jīng)建成的泵站內(nèi)新建以上工程已較為不可取。

4.4 改造方案選擇

在泵站現(xiàn)有工程技術(shù)條件下，初步選定“抽取深層井水直接冷卻”、“前池冷源處理后冷卻”、“復(fù)合冷源間接冷卻”3種方案。因封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)不直接暴露于空氣中，水量損失小，水質(zhì)處理方法簡單、維護(hù)容易，同時，使用冷卻塔兼有蒸發(fā)散熱過程，提高了冷卻效率［4］，因此，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，選用“復(fù)合冷源間接冷卻系統(tǒng)方案”。

在復(fù)合冷源組合方面，又可考慮兩種方案：

（1）冷水機(jī)組加寬通道板式換熱器方案，夏季極熱時采用冷水機(jī)組，其他季節(jié)采用前池原水經(jīng)寬通道板式換熱器間接制冷；

（2）冷水機(jī)組加冷卻塔方案，放棄使用原水，使外部循環(huán)水完全封閉運(yùn)行，徹底解決水質(zhì)堵塞的隱患。

為保證供水的高度可靠性，經(jīng)比選決定選用冷水機(jī)組加冷卻塔方案。

5 改造工程設(shè)計

5.1 總體設(shè)計

在原有技術(shù)供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，徹底解決水質(zhì)差、水溫超高的問題，并提高系統(tǒng)的可靠性。復(fù)合冷源間接冷卻系統(tǒng)，其工藝流程見圖3。

圖3 復(fù)合冷源間接冷卻系統(tǒng)流程簡圖

復(fù)合冷源間接冷卻系統(tǒng)增設(shè)閉式冷卻塔和板式換熱器，用閉式循環(huán)水取代前池水，解決水質(zhì)問題。增設(shè)風(fēng)冷式冷水機(jī)組，在冷卻塔降溫不滿足要求時啟動，解決冷卻水溫度超限問題。變頻器內(nèi)部換熱器出水由閉式冷卻塔降溫后，經(jīng)冷卻水循環(huán)泵依次進(jìn)入冷凍水換熱器、變頻器內(nèi)換熱器。如果圖中a點(diǎn)水溫高于28℃，開啟冷水機(jī)組降溫，如果圖中a點(diǎn)水溫低于28℃，冷水機(jī)組不啟動，僅靠冷卻塔完成變頻器降溫。

5.2 工藝設(shè)計

5.2.1 冷卻塔選型

冷卻塔采用閉式冷卻塔，2用1備，單臺冷卻塔盤管內(nèi)冷卻水流量為100.8 m3/h；冷卻塔進(jìn)口水溫為33.554℃，出口水溫為28℃，在濕球溫度25℃時，單臺冷卻塔換熱量不低于651 kW。

5.2.2 冷卻水循環(huán)泵選型

變頻器水冷單元與冷卻塔循環(huán)管路上，設(shè)置3臺循環(huán)水泵，2用1備，單臺水泵流量125 m3/h、揚(yáng)程55 m。

5.2.3 風(fēng)冷式冷水機(jī)組選型

風(fēng)冷式冷水機(jī)組選型時考慮原水供水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，冷水機(jī)組可以單獨(dú)運(yùn)行，完成變頻器降溫任務(wù)，并根據(jù)北京地區(qū)極端空氣溫度41.9℃選型。本工程變頻器所需冷卻水溫度較高，因此制冷機(jī)的冷凍水供回水溫度設(shè)定為9/14℃，以提高制冷機(jī)制冷效率。在最不利工況下，制冷機(jī)系統(tǒng)需提供1 302 kW冷量。

5.2.4 冷凍水循環(huán)泵選型

設(shè)置冷凍水循環(huán)泵4臺，3用1備，單臺水泵流量120 m3/h、揚(yáng)程25 m。

5.2.5 冷凍水換熱器選型

冷凍水換熱器按冷凍水流量257.3 m3/h，供回水溫度9/14℃；循環(huán)冷卻水以流量201.6 m3/h，供回水溫度33.56/28℃；換熱量1 302 kW進(jìn)行選型。

5.3 系統(tǒng)控制及配電

5.3.1 自動控制及監(jiān)測

考慮到改造后的冷卻系統(tǒng)規(guī)模較大，制冷及交換設(shè)備臺數(shù)較多，各部分之間相距較遠(yuǎn)并存在工況轉(zhuǎn)換和運(yùn)行調(diào)節(jié)，同時為實(shí)現(xiàn)節(jié)能和保證安全可靠運(yùn)行的目的，對新增的冷卻系統(tǒng)采用現(xiàn)地控制與遠(yuǎn)程集中控制相結(jié)合的方式［4］?，F(xiàn)地電動控制主要通過設(shè)備廠家自帶現(xiàn)地控制盤柜來實(shí)現(xiàn)，其控制方式可不依賴于泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制PLC而獨(dú)立工作，即當(dāng)遠(yuǎn)程控制PLC出現(xiàn)故障時，工作人員依然可以通過設(shè)備現(xiàn)地控制盤柜上的控制按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟、停操作。

設(shè)置冷卻系統(tǒng)PLC控制柜，對冷水機(jī)組、冷卻塔、循環(huán)泵狀態(tài)的進(jìn)出口水溫、壓力參數(shù)及設(shè)備啟停狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測［5］，對設(shè)備進(jìn)行自動控制和調(diào)節(jié)。同時，該P(yáng)LC系統(tǒng)與泵站SCADA系統(tǒng)通過MB+通信接口連接，上傳系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在泵站中控室遠(yuǎn)方監(jiān)視。自控設(shè)備安裝應(yīng)在工藝設(shè)備安裝量完成80%后開始進(jìn)行［6］。

5.3.2 配電

改造新增設(shè)備容量較大，經(jīng)負(fù)荷計算，對原配電盤柜回路開關(guān)進(jìn)行了增容更換，同時新增冷卻水循環(huán)泵、冷凍水循環(huán)泵配電控制柜各1面，新增冷卻塔配電柜3面，其中對冷卻水循環(huán)泵和冷卻塔風(fēng)扇進(jìn)行變頻控制。

5.4 設(shè)備布置

綜合考慮泵站變頻器位置及原有設(shè)備布置情況，將冷水機(jī)組、冷卻塔等大型設(shè)備布置在泵站廠房室外，其中，冷卻塔間距除滿足通風(fēng)要求外，還應(yīng)滿足管溝、道路防火以及施工和檢修場地要求［7］。其他循環(huán)泵、板式換熱器及控制柜布置在室內(nèi)靠近變頻器的位置。設(shè)備間水管埋地布設(shè)，進(jìn)行防腐處理；動力電纜利用原有電纜橋架并新建室外電纜溝敷設(shè)。

6 改造施工及效果

為了使惠南莊泵站盡快投入使用，發(fā)揮南水北調(diào)中線工程的效益，管理單位科學(xué)組織項(xiàng)目施工，合理調(diào)配資源，采用加班作業(yè)。嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范，其中，冷水機(jī)組采用基礎(chǔ)驗(yàn)收、運(yùn)輸?shù)跹b、機(jī)組就位、配管、質(zhì)檢、調(diào)試的工序，并對基礎(chǔ)避震采用焊接固定；3臺冷卻塔水平及垂直度偏差控制在2/1000范圍內(nèi)［8］。從故障發(fā)生、制定改造方案到項(xiàng)目實(shí)施，前后僅用了60 d時間將改造后的冷卻系統(tǒng)投入使用，泵站試運(yùn)行得以順利恢復(fù)進(jìn)行。

經(jīng)歷一個夏、秋和冬季應(yīng)用，改造工程運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，變頻器進(jìn)口溫度控制在20±3℃范圍內(nèi)。為惠南莊泵站穩(wěn)定運(yùn)行和南水北調(diào)中線工程向北京市供水發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

相信經(jīng)過更長時間的使用考驗(yàn)，積累更多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，可為國內(nèi)類似工程提供有益借鑒。

［1］丁桓如，吳春華，龔云峰.工業(yè)用水處理工程［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

［2］陳永燦，張寶旭，李玉梁.密云水庫垂向水溫模型研究［J］.水利學(xué)報，1998（9）：18-19.

［3］羅 琳，顏智勇，戴春皓，等.環(huán)境工程學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

［4］趙杉林，張鑫輝，李長波，等.工業(yè)循環(huán)冷卻水處理技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2014.

［5］GB 50019-2015工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］李永峰，張 洪，孔祥龍.環(huán)境工程施工技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［7］GB/T 50102-2014工業(yè)循環(huán)冷卻設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］GB 50738-2011通風(fēng)與空調(diào)工程施工規(guī)范［S］.

TV675

B

1672-5387（2016）07-0068-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.023

2016-02-26

王 耿（1971-），男，高級工程師，從事水利水電工程電氣、自動化、信息系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)維管理工作。