趙文軍，仇寶云，吉慶偉，王慧潔，蔡曉東

（1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇宿遷 223800；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引言

供排水系統(tǒng)是泵站三大輔助系統(tǒng)之一，對主機(jī)組進(jìn)行冷卻和潤滑，直接影響泵站機(jī)組運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)效益［1］。近年來泵站主機(jī)組冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化改造技術(shù)也越來越被受到重視，涉及圍繞系統(tǒng)改造理論研究［2-3］、現(xiàn)有系統(tǒng)維修方案優(yōu)化［4-6］、設(shè)備改造與優(yōu)化［7-8］、冷卻水處理與水質(zhì)控制［9-10］等方面，但缺少循環(huán)水系統(tǒng)改造方案的全面計(jì)算比較。針對南水北調(diào)東線江蘇省沙集泵站供排水系統(tǒng)，對泵站需要供水量和運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算，分析原系統(tǒng)存在的問題，提出合理的改造方案，將傳統(tǒng)水系統(tǒng)改造為閉式冷水機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)，改造后的系統(tǒng)運(yùn)行可靠、節(jié)能效果顯著。

1 泵站供排水量計(jì)算

1.1 工程概況

江蘇省沙集泵站位于睢寧縣沙集鎮(zhèn)南約2 km處的徐洪河上，建成于1993年，泵站抽水能力50 m3/s，采用堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，肘形管進(jìn)水流道，平直管出水流道。水泵選用1800HD-10.5型立式混流泵，共5臺(tái)，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為10 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程10.5 m，配套TL1600-20/2150主電機(jī)5臺(tái)，單機(jī)功率1 600 kW，總裝機(jī)容量8 000 kW。該站運(yùn)行時(shí)間長，在保障徐州地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航運(yùn)、環(huán)保及調(diào)節(jié)駱馬湖水位方面起著重要作用。

1.2 冷卻熱量計(jì)算

沙集泵站技術(shù)供水包括電機(jī)推力軸承、上下導(dǎo)軸承的油冷卻器冷卻用水和水泵橡膠軸承的潤滑用水。推力軸承所產(chǎn)生的熱量也就是推力軸承損耗的功率［11］，采用式（1）計(jì)算：

式中 ΔNft——推力軸承損耗功率，kW；

P —— 推力軸承荷重，由水泵軸向水推力加上機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量，N；

f —— 推力軸承鏡板與軸瓦間磨擦系數(shù)，其數(shù)值與液體摩擦條件有關(guān)，一般為0.003～0.004；

v —— 推力軸瓦上2/3直徑處的圓周速度，m/s。

水泵軸向水推力G水可用式（2）進(jìn)行估算：

式中 G水——水泵軸向水推力，N；

ρ ——水體密度，kg/m3；

g ——重力加速度，m/s2，g=9.81 m/s2；

H ——水泵揚(yáng)程，m；

K ——系數(shù)，其值為 0.9～1.0；

D ——葉輪外徑，m。

沙集泵站葉輪外徑為1.8 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為10.5 m，水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量為12.200 kg，推力軸瓦上2/3直徑處的圓周速度為7.85 m/s，推力軸承鏡板與軸瓦間磨擦系數(shù)f取0.004，系數(shù)K取1，將各參數(shù)值代入式（1）式（2）中，計(jì)算出推力軸承損耗功率ΔNft為11.37 kW。電機(jī)上下導(dǎo)軸承損耗功率各為推力軸承的10%～20%，取上限20%，則電機(jī)上下導(dǎo)軸承損耗功率ΔNfd為4.55 kW。

1.3 油冷卻器冷卻用水量計(jì)算

同步電機(jī)推力軸承和上導(dǎo)軸承（位于上油缸內(nèi)）損耗功率13.64 kW，下導(dǎo)軸承（位于下油缸內(nèi)）損耗功率為2.27 kW。油缸內(nèi)油冷卻器的冷卻用水量可用式（3）計(jì)算：

式中 QT——油冷卻器冷卻用水量，m3/h；

ΔNf——油缸內(nèi)軸承損耗功率，kW；

ρ ——冷卻水密度，kg/L；

c —— 冷卻水的比熱容，J/（kg·K），取 c=4 186.8 J/（kg·K）；

Δt —— 油冷卻器進(jìn)出口水溫差，℃，與冷卻器的效應(yīng)優(yōu)劣有關(guān)，一般為2～4 ℃，本次取2 ℃。

沙集站一臺(tái)同步電機(jī)上油缸的設(shè)計(jì)冷卻用水量為5.86 m3/h，下油缸的設(shè)計(jì)冷卻用水量為0.98 m3/h。

1.4 排水量計(jì)算

沙集站無調(diào)相要求，排水泵總流量Q確定時(shí)需考慮機(jī)組檢修情況，采用式（4）計(jì)算：

式中 nj——檢修的機(jī)組臺(tái)數(shù)，本次取1臺(tái)；

q —— 檢修時(shí)一臺(tái)主泵進(jìn)口檢修閘門和出口工作閘門漏水量，m3/h，沙集泵站進(jìn)出水流道閘門止水橡皮周長為28.6 m，本次計(jì)算中每米橡皮止水漏水量取3.6 m3/h，則沙集站一臺(tái)主泵進(jìn)出水流道閘門漏水量為102.96 m3/h；

V1—— 下游處于正常設(shè)計(jì)水位時(shí)進(jìn)水流道和泵室內(nèi)的積水量，m3，下游水位12 m時(shí)為48.1 m3；

V2—— 集水廊道排水泵起動(dòng)高水位與停運(yùn)低水位之間的有效容積，m3，沙集站為135 m3；

T —— 排水泵工作時(shí)間，h，一般取 4～6 h，此次計(jì)算取6 h。

將泵站各項(xiàng)數(shù)值代入式（4）中，計(jì)算得到沙集站排水泵總流量為133.47 m3/h。

2 原供排水系統(tǒng)能耗計(jì)算及存在問題

2.1 原供排水系統(tǒng)

沙集站供排水系統(tǒng)采用供排結(jié)合方式［12］，如圖1所示。供水系統(tǒng)采用直接聯(lián)合供水方式，供水泵為2臺(tái)200QJ50-39/3型深井潛水電泵（設(shè)計(jì)工況揚(yáng)程39 m，流量50 m3/h，功率9.2 kW），1臺(tái)工作，1臺(tái)備用；潛水泵安裝在廊道內(nèi)，從廊道內(nèi)取水，經(jīng)潛水泵加壓后直接送至供水母管，再由供水母管分送至主機(jī)泵的上下油缸油冷卻器和水導(dǎo)軸承，最后排回廊道［13］。

圖1 改造前供排水系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of water supply and drainage system before transformation

排水系統(tǒng)采用排水廊道集中的布置方式。生產(chǎn)污水、滲漏水以及機(jī)組檢修排水匯集至廊道內(nèi)，由潛水泵通過排水管路直接排至泵站上游。排水系統(tǒng)與供水系統(tǒng)共用兩臺(tái)潛水泵。

2.2 原供水系統(tǒng)能耗計(jì)算

2.2.1 原供水系統(tǒng)管路阻力參數(shù)計(jì)算

水泵裝置運(yùn)行中，進(jìn)、出水管道附件水力損失與流量平方成正比。流體在管路中流動(dòng)存在水頭損失hw，它包括沿程阻力損失hf和局部阻力損失hj［14］，即流體在管路中流動(dòng)存在水頭損失hw=hf+hj=（Sf+Sj）Q2=SQ2。

（1）供水系統(tǒng)沿程阻力損失。

管路沿程阻力損失可按式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式中 hf——管路沿程阻力損失，m；

λ ——摩阻系數(shù)；

L —— 包括進(jìn)出水管路在內(nèi)的管道總長度，m；

d ——管道內(nèi)徑，m；

vp——管道內(nèi)的平均流速，m/s；

n ——管道糙率，鋼管可用0.012；

Sf——管道沿程阻力參數(shù)，s2/m5；

Q ——經(jīng)過管路的流量，m3/s。

（2）供水系統(tǒng)局部阻力損失。

管道局部阻力損失可按式（6）計(jì)算：

式中 hj——局部阻力損失，m；

ζ —— 局部阻力系數(shù)，數(shù)值可根據(jù)實(shí)際情況按局部阻力系數(shù)表進(jìn)行選??；

Sj——局部阻力參數(shù)，s2/m5；

Qt——經(jīng)過管路的流量，m3/s。

（3）油冷卻器阻力損失。

油冷卻器阻力損失可按式（7）計(jì)算：

式中 m ——冷卻管道串聯(lián)數(shù)目；

l ——冷卻器管長，m；

dy——冷卻器內(nèi)徑，m；

vy——冷卻器水流速，m/s；

Qo——經(jīng)過冷卻的流量，m3/s。

（4）串聯(lián)管路總阻力參數(shù)。

串聯(lián)管路的總阻力參數(shù)為串聯(lián)各段的總阻力參數(shù)之合，可用式（8）表示：

式中 Sc——串聯(lián)管路總阻力參數(shù)，s2/m5；

Sc1，Sc2，…，Scn—— 串聯(lián)管路各分段阻力參數(shù)，s2/m5。

（5）并聯(lián)管路總阻力參數(shù)。

并聯(lián)管路的總阻力參數(shù)與各段支路的阻力參數(shù)之間的關(guān)系可用式（9）表示：

式中 Sb——并聯(lián)管路總阻力參數(shù)；

Sb1，Sb2，…，Sbn—— 并 聯(lián) 管 路 各 支 路 阻 力參數(shù)。

（6）管件阻力參數(shù)。

原供水系統(tǒng)管路按照管段直徑和流量進(jìn)行分段編號(hào)，將供水系統(tǒng)分成13管段。應(yīng)用沿程阻力損失和局部阻力損失計(jì)算公式分別計(jì)算各管段的沿程阻力參數(shù)、局部阻力參數(shù)和總阻力參數(shù)。上油缸油冷卻器管徑為0.019 m，管長為2.08 m，串聯(lián)數(shù)為4，局部阻力系數(shù)取4，代入式（5）計(jì)算得阻力參數(shù)為4 808 158.11 s2/m5；下油缸油冷卻器管徑為0.019 m，管長為9.72 m，串聯(lián)數(shù)為1，局部阻力系數(shù)取4，代入式（5）可計(jì)算得阻力參數(shù)為24 345 971.17 s2/m5。

2.2.2 原供水系統(tǒng)運(yùn)行工況點(diǎn)確定

沙集站水泵橡膠軸承的潤滑用水只是在機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)短時(shí)間使用，正常運(yùn)行時(shí)供水系統(tǒng)主要供給電機(jī)上下油缸油冷卻器冷卻用水，調(diào)整供水泵出水口閘閥開度，保證聯(lián)軸器層供水母管壓力為0.1～0.15 MPa。廊道內(nèi)正常水位8.7 m，水泵層水平供水母管上安裝壓力表，高程為10.7 m，當(dāng)供水泵出水口閘閥全開和5臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)此處壓力表為0.30 MPa。以供水泵進(jìn)水口濾網(wǎng)為起點(diǎn)，水泵層水平供水母管壓力表為終點(diǎn)，供水系統(tǒng)的需要揚(yáng)程H可用式（10）計(jì)算：

式中 Hr——需要揚(yáng)程，m；

hw——總水頭損失，m；

hb-ha——凈揚(yáng)程，m；

ha—— 供水泵吸水管進(jìn)水口水位高程，m，此處為廊道內(nèi)水位高程8.7 m；

hb—— 排水管出口高程，m，此處為壓力表高程10.7 m；

pi——排水管上壓力表處壓力，Pa；

vm——母管內(nèi)水流速，m/s；

Qg——供水泵流量，m3/s；

dm——冷卻器排水母管內(nèi)徑，m。

以供水泵進(jìn)水口濾網(wǎng)為起點(diǎn)，水泵層水平供水母管壓力表為終點(diǎn)，將1-3各管段的阻力參數(shù)按串聯(lián)管路阻力參數(shù)計(jì)算式（8）進(jìn)行計(jì)算，代入式（10）得出需要揚(yáng)程曲線方程為：

繪制式（11）的需要揚(yáng)程曲線Q～Hr（如圖2所示），與深井潛水電泵性能曲線Q～H交與A點(diǎn)。A點(diǎn)流量為51.00 m3/h，揚(yáng)程為38.3 m，水泵效率為77.01%。

圖2 改造前冷卻水系統(tǒng)水泵與管路性能曲線Tab.2 Pump and pipeline characteristic curves of cooling water system before transformation

2.2.3 流量校核

沙集站1臺(tái)同步電機(jī)上油缸的冷卻用水量為5.86 m3/h，下油缸的冷卻用水量為0.98 m3/h。1臺(tái)機(jī)組所需冷卻用水量為6.84 m3/h，5臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)所需冷卻用水量為34.2 m3/h。深井潛水電泵運(yùn)行時(shí)的流量為51.00 m3/h，大于34.2 m3/h，滿足機(jī)組需要。

2.2.4 管路真空度校核

管路中真空度如果過大，會(huì)引起管子振動(dòng)，甚至水流中斷使供水系統(tǒng)運(yùn)行失去穩(wěn)定，嚴(yán)重影響冷卻效果，因此必須校核管中的真空壓力。管路中真空度最大部位是位置最高的那個(gè)冷卻器的頂部。沙集站上油缸油冷卻器頂部高程為21.7 m，而廊道內(nèi)水位高程8.7 m，如果排水管采取淹沒出流流回廊道，因高程相差太大勢必引起上油缸油冷卻器頂部管路真空度過大造成不良后果。因此可采取排入大氣的方法降低上油缸油冷卻器頂部真空度，將上油缸油冷卻器的回水排入較大管徑的PVC管流回廊道。真空度校核可用式（13）進(jìn)行計(jì)算：

式中 pb——真空壓力，kPa，以負(fù)壓形式表示；

hib—— 上油缸冷卻器頂部高程，m，計(jì)算取21.7 m；

hb—— 排水管出口中心高程（當(dāng)排入大氣時(shí)），m，計(jì)算時(shí)取18.3 m；

hwb—— 冷卻器后排水管的水力損失總和，m，計(jì)算時(shí)取8.05 m；

vb—— 排水管中流速，m/s，1.48 m/s；

vi—— 上油缸冷卻器中流速，m/s，計(jì)算時(shí)取1.71 m/s。

經(jīng)計(jì)算上油缸冷卻器的真空度Pb/γ為4.61 kPa，超出負(fù)壓允許的3～4 kPa范圍，影響冷卻效果。

2.2.5 能耗分析

電機(jī)上下油缸冷卻水在冷卻器和廊道之間循環(huán)使用，冷卻器帶來的部分熱量可通過對流換熱方式散發(fā)到水泵層空氣中，或通過熱傳導(dǎo)方式傳導(dǎo)至廊道四周的混凝土或水中，但大部分熱量需與廊道中溫度較低的深井自來水通過熱交換傳遞出去。故原供水系統(tǒng)運(yùn)行所需功率損耗包括生產(chǎn)區(qū)深井潛水電泵功率損耗和生活區(qū)深井潛水電泵功率損耗。

（1）生產(chǎn)區(qū)深井潛水電泵功率損耗。生產(chǎn)區(qū)深井潛水泵的運(yùn)行所需功率損耗，可用式（14）進(jìn)行計(jì)算：

式中 Pc——潛水泵電動(dòng)機(jī)功率，kW；

Qq——潛水泵流量，m3/h，Qq=51.00 m3/h；

H ——潛水泵揚(yáng)程，m，H=38.30 m；

η泵——潛水泵效率，η泵=77.01%；

η傳動(dòng)——潛水泵為直聯(lián)傳動(dòng)，取值100%；

η電機(jī)—— 潛水泵電機(jī)效率，異步電機(jī)負(fù)載超過0.5時(shí)效率取0.85。

經(jīng)計(jì)算，運(yùn)行時(shí)生產(chǎn)區(qū)深井潛水泵功率損耗為8.07 kW。

（2）生活區(qū)深井潛水電泵功率損耗。注入廊道的深井自來水隨環(huán)境溫度變化而略有變化，但變化幅度不大，故注入廊道深井自來水量視為不變。生活區(qū)深井自來水只向廊道注水（約10 m3/h）情況下，深井潛電泵潛（流量為32 m3/h，功率為11 kW）的電壓為405 V，電流為8.1A。此時(shí)深井潛水電泵功率損耗可用式（14）計(jì)算：

式中 Ph——深井潛水泵電動(dòng)機(jī)功率，kW；

U ——潛水電動(dòng)機(jī)電壓，V；

I ——潛水泵電機(jī)電流，A；

cosφ ——異步電動(dòng)機(jī)功率因素，取0.8。

經(jīng)計(jì)算，生活區(qū)深井潛水泵功率損耗為4.46 kW，原供水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)功率損耗為12.53 kW。

2.3 原供排水系統(tǒng)存在的問題

（1）水質(zhì)較差，管路容易堵塞。廊道內(nèi)水中泥沙和水生生物較多［15］，水生物在管路內(nèi)繁殖，含泥沙的水容易在管路內(nèi)淤積堵塞，造成過流斷面減小、阻力增大，致使流量減小、揚(yáng)程功率增大，流量減小致使上下油缸溫度升高，情況嚴(yán)重時(shí)甚至造成堵塞，影響機(jī)組運(yùn)行。在冷卻器內(nèi)壁結(jié)水垢致傳熱性能下降，影響冷卻效果，同時(shí)水垢加厚后加劇管路淤積堵塞。

（2）高溫天氣時(shí)無法保證冷卻效果。氣溫高于35 ℃時(shí)，因注水口偏小，采用注入溫度較低的深井自來水方式無法有效降廊道水溫，導(dǎo)致上下油缸溫度偏高，甚至需進(jìn)行短暫停機(jī)處理。

（3）不利于同步電機(jī)定子散熱。廊道內(nèi)熱水通過對流方式向空氣中散發(fā)熱量，增加電機(jī)四周環(huán)境溫度，不利于電機(jī)定子降溫。

（4）排水泵設(shè)計(jì)流量偏小。2臺(tái)潛水泵的設(shè)計(jì)流量為100 m3/h，小于計(jì)算所得的排水泵總流量133.47 m3/h。因此沙集站排水泵的流量偏小，當(dāng)檢修時(shí)對橡皮止水的要求非常高時(shí)，通常必須由潛水人員進(jìn)行堵漏方可滿足要求。

（5）機(jī)組運(yùn)行和檢修同時(shí)進(jìn)行時(shí)矛盾較多。機(jī)組運(yùn)行期間如有機(jī)組需要檢修，冷卻潤滑水需要的壓力與排水泵工作時(shí)的壓力不同，并且排水初期排水量較大排水泵必須全部用于排除廊道和進(jìn)水流道內(nèi)的積水，因此正在運(yùn)行的機(jī)組必須停止運(yùn)行保證檢修期排水。

（6）上油缸油冷卻器真空度較大。上油缸油冷卻器頂部的真空度為4.61 kPa，超出負(fù)壓允許范圍（3～4 kPa），容易引發(fā)冷卻銅管振動(dòng)，空氣聚集在冷卻器頂部［16］，甚至水流中斷，影響冷卻效果。含氣水流還會(huì)造成冷卻器銅管破裂，冷卻水進(jìn)入油缸，而油缸內(nèi)的油通過冷卻水管流失，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將造成嚴(yán)重后果。

（7）水泵運(yùn)行揚(yáng)程高，能量浪費(fèi)嚴(yán)重。沙集站上油缸油冷卻器頂部高程為21.7 m，而廊道內(nèi)水位高程8.7 m，上油缸油冷卻器與廊道的高差大，采取高水高排勢必提高供水泵的揚(yáng)程，增大技術(shù)供水的能耗，能量浪費(fèi)嚴(yán)重。

3 改造方案及其效果分析

3.1 改造方案

因沙集站供排水系統(tǒng)存在較多缺陷，需進(jìn)行優(yōu)化改造。因橡膠軸承的潤滑用水只是在機(jī)組起動(dòng)和停機(jī)時(shí)短時(shí)間使用［17］，故采取同步電機(jī)油冷卻器供水、水泵橡膠軸承潤滑供水和排水系統(tǒng)相對獨(dú)立的方案進(jìn)行改造［18］，如圖3所示。

圖3 改造后的供排水系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of water supply and drainage system after transformation

同步電機(jī)上下油缸油冷卻器供水采取閉式管路循環(huán)冷水機(jī)組冷卻供水方式，采用型號(hào)為ZWLQ-20的兩臺(tái)風(fēng)冷冷水空調(diào)機(jī)組（一主一備，功率17.64 kW，制冷量60 kW，水流量12 m3/h），用來降低回水母管內(nèi)冷卻水的溫度，采用型號(hào)為DFG80-160/2/7.5兩臺(tái)管道增壓泵（一主一備，設(shè)計(jì)揚(yáng)程32 m，流量50 m3/h，功率7.5 kW），用于克服循環(huán)系統(tǒng)的沿程水力損失和局部水力損失，實(shí)現(xiàn)冷卻水閉路循環(huán)；水泵上下導(dǎo)軸承潤滑供水仍采用潛水泵抽取廊道內(nèi)積水方式，深井自來水和原上游取水口壓力水作為備用；排水系統(tǒng)采用型號(hào)為80WQ11131無堵塞排污潛水泵（設(shè)計(jì)揚(yáng)程21 m，流量50 m3/h，功率5.5 kW），污水直接排向上游出水口，原技術(shù)供水取水口作為備用排水口，水導(dǎo)軸承潤滑水供水泵作為備用排水泵。

3.2 改造方案能耗計(jì)算

因橡膠軸承的潤滑用水只是在機(jī)組起動(dòng)和停機(jī)時(shí)短時(shí)間使用，故不進(jìn)行能耗計(jì)算，只對供給電機(jī)上下油缸油冷卻器的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行能耗計(jì)算［19-22］。

3.2.1 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管路阻力參數(shù)計(jì)算

閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)按照管段直徑和流量進(jìn)行分段編號(hào)，分成17管段。分別計(jì)算各管段的沿程阻力參數(shù)、局部阻力參數(shù)和總阻力參數(shù)。

3.2.2 閉式循環(huán)冷卻水管路系統(tǒng)需要揚(yáng)程曲線計(jì)算

將閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)阻力參數(shù)按串并聯(lián)情況代入式（8）（9），計(jì)算閉式循環(huán)系統(tǒng)的總阻力參數(shù)。冷水空調(diào)機(jī)組在額定運(yùn)行壓力情況下，水頭損失為0.04 MPa，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)水口和排出口高程相同，并代入式（10）中，得出閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的管路需要揚(yáng)程曲線公式：

將流量Q的單位由m3/s轉(zhuǎn)換為m3/h，則此段管路的揚(yáng)程曲線方程由式（15）轉(zhuǎn)換為：

繪制式（16）的管路性能曲線Q～Hr（如圖4所示），與深井潛水泵性能曲線Q～H交與B點(diǎn)。B點(diǎn)流量為38.0 m3/h，揚(yáng)程為26.6 m，水泵效率為80.98 %。

圖4 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水泵與管路性曲線Fig.4 Pump and pipeline characteristic curves of closed circulating cooling water system

3.2.3 流量校核

沙集泵站五臺(tái)機(jī)組共同運(yùn)行時(shí)所需冷卻用水量為34.2 m3/h。深井泵運(yùn)行時(shí)的流量為38.00 m3/h，大于34.2 m3/h，滿足機(jī)組需要。

3.2.4 管路真空度校核

在閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管道泵的進(jìn)水側(cè)設(shè)置補(bǔ)水箱，補(bǔ)水箱高于管道泵葉輪中心5.2 m，管道泵處的靜壓值為0.052 MPa。冷卻水系統(tǒng)循環(huán)工作時(shí)，管道內(nèi)任一點(diǎn)的壓力都大于管道泵處的系統(tǒng)靜壓值，確保系統(tǒng)最高點(diǎn)的熱水不汽化。

3.2.5 能耗分析

閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行所需能耗包括管道泵能耗和冷水機(jī)組能耗。

（1）管道泵能耗。管道泵能耗P仍用式（13）進(jìn)行計(jì)算，其中管道泵流量Q為38.00 m3/h，管道泵揚(yáng)程H為26.6 m，管道泵效率η泵為80.98%。其他參數(shù)仍按深井潛水泵計(jì)數(shù)時(shí)數(shù)值，經(jīng)計(jì)算運(yùn)行時(shí)管道泵配套電機(jī)輸入功率為4.00 kW。

（2）冷水機(jī)組能耗。冷水機(jī)組能耗隨環(huán)境溫度和開機(jī)臺(tái)數(shù)變化而變化，主要表現(xiàn)在冷水機(jī)組間歇開停機(jī)時(shí)長不同。不同環(huán)境溫度和開機(jī)臺(tái)數(shù)，冷水機(jī)組開停機(jī)時(shí)長見表1。

表1 不同工況下冷水機(jī)組開停機(jī)時(shí)長Tab.1 Startup and shutdown duration of water chilling unit under different conditions

冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)電壓為401 V，電流為33.6 A。冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)功率仍用式（15）計(jì)算可得18.32 kW。不同工況下，冷水機(jī)組能量損耗和閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)能量損耗計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同工況下冷水機(jī)組和閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)能量損耗Tab.2 The energy loss of water chilling unit and closed circulating cooling water system under different conditions

3.3 改造后供排水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）提高技術(shù)供水可靠性。冷水機(jī)組有效降低循環(huán)冷卻水的溫度，管道增壓泵保證清潔軟水在閉式管路中循環(huán)，大大提高了同步電機(jī)油冷卻器供水的可靠性。水泵導(dǎo)軸承潤滑用水可由潛水泵直接抽取廊道積水提供，生活區(qū)深井自來水、和上游取水口的壓力水作為備用，極大保障潤滑可靠性。

（2）水質(zhì)得到保障，冷卻效果良好。同步電機(jī)冷卻供水為清潔軟水，在閉式管路、油缸冷卻器和風(fēng)冷冷水空調(diào)機(jī)組之間循環(huán)使用，冷卻器內(nèi)無泥沙淤積堵塞、少結(jié)垢，避免堵塞供水管路和冷卻器，保障冷卻效果。沙集泵站自2015年改造為閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)后，至今未發(fā)生過管路堵塞故障。

（3）實(shí)現(xiàn)多方案排水，提高排水系統(tǒng)可靠性。改造后沙集站排水系統(tǒng)以兩臺(tái)QW型無堵塞排污潛水泵作為主要排水泵，在排污泵發(fā)生故障或流量不夠情況下還可使用潤滑水供水泵作為排水泵，通過原供水系統(tǒng)進(jìn)水口向上游排水。兩套排水系統(tǒng)之間安裝閘閥，可實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)出水口互為備用，提高排水系統(tǒng)可靠性。潛污泵臥式安裝在廊道集水槽內(nèi)，可完全排凈廊道內(nèi)的積水，提高廊道容積使用率，進(jìn)一步提高排水可靠性。

（4）節(jié)能效果顯著。3臺(tái)主機(jī)組運(yùn)行，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行的能量損耗較改造前供水系統(tǒng)節(jié)約33.76 %，環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)節(jié)約68.08 %，而環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)則增加19.63 %；5臺(tái)主機(jī)組運(yùn)行，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行的能量損耗較改造前供水系統(tǒng)節(jié)約20.11 %，環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)節(jié)約68.08 %，而環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)則增加66.72 %。與改造前供水系統(tǒng)相比較，閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能量損耗受環(huán)境溫度影響很大，溫度越低節(jié)能效果越顯著，高溫時(shí)則比改造前增加能量損耗；開機(jī)臺(tái)數(shù)越多，增加的能量損耗越大。沙集泵站為南水北調(diào)泵站，冬春季運(yùn)行時(shí)間較長，運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度普遍較低，技術(shù)供水系統(tǒng)改造后，節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)論

（1）原供排水系統(tǒng)由于水質(zhì)較差，管路易堵塞，上油缸油冷卻器頂部的真空度為4.61 kPa，超出負(fù)壓允許范圍（3～4 kPa），供水可靠性差；采用高水高排增大供水泵揚(yáng)程，供水運(yùn)行能耗大。

（2）改造后閉式冷卻機(jī)組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，水質(zhì)為清潔軟水，冷卻器內(nèi)無泥沙淤積堵塞、結(jié)垢少；由風(fēng)冷冷水空調(diào)機(jī)組有效降低冷卻水的溫度，管道增壓泵保證冷卻水循環(huán)流動(dòng)，提高閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可靠性。

（3）改造后閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)將穩(wěn)壓補(bǔ)水點(diǎn)安裝在管道泵進(jìn)水口處，則系統(tǒng)內(nèi)無負(fù)壓，保證了油冷卻器的冷卻效果。

（4）改造后閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行能量損耗受環(huán)境溫度和運(yùn)行臺(tái)數(shù)影響很大，溫度越低節(jié)能效果越顯著，運(yùn)行臺(tái)數(shù)越少節(jié)能效果越顯著。沙集泵站三臺(tái)主機(jī)組運(yùn)行，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)能耗較改造前降低33.76%，環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)節(jié)能68.08%。