基于Flowmaster的竖井贯流泵站技术供水系统分析

吴志峰，张友明，王 波，陈松山

（1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127；2.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100）

0 引 言

随着我国农业治涝标准和沿江环湖城市的防洪标准提高，竖井贯流泵站在农业治涝和城市防洪工程发挥了巨大作用，但与此同时，在竖井贯流泵站运行中仍存在一些亟待解决的关键技术问题，这其中泵站技术供水系统的合理配置及其可靠性尤为关键。运行实践表明，因技术供水中断、供水量不足或系统出现过大真空等而导致电机烧瓦、水泵水导轴承干摩擦破坏、填料函失效漏水、电机与齿轮变速箱温升过高被迫停机等事故屡有发生。因此，开展竖井贯流泵站技术供水系统研究具有重要现实意义。

近年来国内专家学者对泵站技术供水开展了一些研究。颜红勤[1]探讨了泵站技术供水盘管冷却器布置与换热面积计算；高钦[2]介绍新疆博斯腾湖东泵站采用循环冷却供水方式；杨邗[3]介绍了九里河、伯渎港和严埭港枢纽盘管置于流道中的冷去循环系统；董金龙[4]结合江苏3座泵站介绍净水循环3种供水方式；问泽杭[5]等提出改进供水系统的3种方法：取水口调整法、闭路循环法和介质更换法，结合泗阳二站介绍MFLS-10型模块化风冷冷水空调机组；韩宏举[6]介绍了风冷式水冷机组在泗阳二站中应用等。总体而言，已发表的论文大多只是经验介绍，缺乏必要的计算分析。为此，本文以江尖泵站为研究对象，利用流体管路系统的计算分析软件Flowmaster，通过系统各部分模块搭建，计算分析技术供水系统的管路阻力、流量分配以及各部温度。

1 研究对象

江尖水利枢纽为无锡市城市防洪工程八大枢纽之一，具有防洪、排涝和调水等多重功能。泵站安装3台2500ZWS-2型竖井式贯流泵，单机流量20 m3/s，总流量60 m3/s；配套电机为YKS560-8型水冷式高压防爆电机，单机容量800 kW，总装机容量2400 kW。

图1 技术供水系统原理图

江尖泵站技术供水系统包括闭式循环热流系统和开式冷流2个子系统，如图1所示。系统设有35 m3循环供水贮水池，冷热流通过2台BFR250型热交换器换热。热流系统循环水的动力是2台LS100-44A型离心泵，它的循环路径是：水箱→循环泵→进水管道→板式热交换器→机组设备（电动机、齿轮箱和推力轴承）→回水管道→储水池，启动时供给填料函的润滑水不流储水池。冷流系统则是由LS150-24B型离心泵从河道取水，经滤水器过滤，流经板式热交换器换热后再排入河道，为防止水中杂物淤堵热交换器，冷流系统中还配置2台TY型滤水器。

2 系统模型建构

2.1 数学模型

一维流体流动控制方程及换热方程为：

质量守恒方程：

流动阻力方程：

压力损失方程：

换热方程：

式中：

u1、u2、u—流速；

A1、A2—流体流过的面积；

p1、p2—进出口压力；

ξ—流动损失系数；

ρ—密度；

p—静压力；

z—标高；

T1、T2—进出口温度；

Q—吸热/放热功率；

m—质量流量；

cp—定压比热。

2.2 仿真计算模型

Flowmaster软件包含许多求解模块，技术供水系统仿真选用Heat Transfer Steady State。

根据软件提供的元件库建立技术供水系统仿真模型。在建模过程中，使用的管路、弯头、水泵、换热器、水箱等元件参数由厂家提供或由Flowmaster提供的经验数据、公式进行建模。

（1）系统管路

采用元件库Pipe族，选择Cylindrical Rigid管，管道材质为不锈钢，绝对粗糙度0.15 mm，管道长度及安装高度按照施工图设置。

将弯头、阀门、滤水器等元器件简化为阻力元件Loss: Discrete，并设置相应的损失系数。

（2）循环水泵、冷却水泵

采用元件库Pump族，选择Radial Flow径向流泵，循环水泵额定流量0.0261 m3/s，额定扬程44 m，额定转速2960 rpm，额定率18.5 kW，性能曲线由厂家提供。冷却水泵额定流量0.0667 m3/s，额定扬程20.7 m，额定转速1480 rpm，额定功率18.5 kW，性能曲线由厂家提供。

（3）换热器

采用元件库中的Plate Heat Exchangers板式热交换器，板片数为41片，孔口直径0.08 m，孔口水平距离0.196 m，孔口垂直距离0.862 m，板子有效宽度0.18 m，有效面积0.25 m2，板的厚度0.5 mm，人形纹夹角30°。

（5）各路负荷

电机采用空气冷却器冷却，循环水流过电机空气冷却器对电机内部空气冷却降温，从而降低电机内部空气温升。采用Heat-Exchanger族，选择Heater-Cooler元件模拟电机，采用Radiator模拟空气冷却器。空气冷却器1-2管路损失系数16.66，管路面积3.43 m2，3-4管路损失系数14.5，管路面积0.00553 m2，电机发热量根据实际情况计算得到。

将齿轮箱与轴承看做热源，用Heat-Exchanger族的Heater-Cooler进行模拟。发热量根据不同工况计算得到。

根据供水系统管路布置情况连接各类元件，得到技术供水系统仿真设计图，如图2所示。

3 仿真模型验证

为验证仿真实验准确性，将额定扬程下的循环水箱仿真值与现场运行数据相比较，仿真结果为26.94℃，现场运行结果为27.7℃，相差0.76℃，绝对误差2.8%，小于5%。说明仿真实验结果准确可靠。

图2 技术供水系统仿真设计图

4 变工况仿真结果与分析

选取5种不同的工况条件对技术供水系统进行分析，由下式计算得到电机产热量，齿轮箱与轴承的产热量按电机产热量的15%计算。

式中：

p出—电机输出功率；

ρ—密度；

q—流量；

η泵、η传、η电机—水泵效率、传动效率、电机效率；

H—扬程；

Δp—产热量。

完成仿真模型搭建后输入每个元器件参数并调节工况，模拟不同水位情况下供水系统的工作状态。图3为1台水泵开机时，水泵扬程与电机进出口水温的关系。

由图3可以看出：随着扬程的增大，电机进出口温度均呈上升趋势。但水泵扬程的变化对电机进出口水温的影响并不大，电机进口温升最大约为0.5℃，而随着电机发热量的增大，电机出口水温温升最大约为4℃。

水泵工况的改变不仅对电机进出口水温有影响，对轴承以及齿轮箱的进出口水温都有影响，如图4所示。

图3 水泵扬程与电机进出口水温

图4 扬程与轴承、齿轮箱进出口温度

由图4可以看出：齿轮箱与轴承的进出口水温随着扬程的增大不断上升。齿轮箱与轴承进口温度大致相等，最大温升为0.62℃。齿轮箱出口最大温升为14.98℃，轴承出口温升最大约为13.08℃。

图5为水泵扬程的改变对循环水箱水温的影响。

图5 循环水箱温度

由图5可以看出：随着水泵扬程的增大，循环水箱水温也在不断增大，最大温升为7.34℃。

图6为额定扬程下循环水箱温度与冷却水泵阀门开度的关系。

图6 阀门开度与循环水箱温度关系

从图6可以看出随着阀门开度的增大循环水箱温度不断减小。当阀门开度小于45°时，阀门开度的变化对循环水箱温度影响较为明显，而开度大于45°后，阀门开度的变化对循环水箱温度的影响非常小。

5 结语

电机、轴承以及齿轮箱进出口温度直接影响到泵站的安全稳定运行，本文基于Flowmaster软件对技术供水系统进行研究分析，得出以下结论：

（1）随着水泵运行工况的变化，电机、齿轮箱以及轴承进出口温度都会相应升高，但进口温度升高最大在0.6℃左右，并不明显。电机、齿轮箱和轴承出口温升较大，电机出口最大温升为5.18℃，齿轮箱出口最大温升为14.98℃，轴承出口最大温升为12.08℃，循环水箱最大温升为7.34℃。

（2）首次利用Flowmaster软件对泵站技术供水系统进行建模分析，验证了该软件对技术供水系统建模分析的可行性。对竖井贯流泵站技术供水系统设计具有一定的指导意义。