循环水系统水锤计算分析及防护措施

第31卷第2期红水河Vol.31 ,No.22012年4月HongShui RiverApr.2012循环水系统水锤计算分析及防护措施汤海频(广西电力工业勘察设计研究院,广西南宁530023)摘要:根据某电厂 循环水系统设备选型和管道布置情况,通过数学模型模椒计算,求出不同运行工况的管道沿程最高压力、某些特定断面不同时刻的水力要素等,提出系房和输水管道可采用的水锤防护措施,在工程设计中付诸实施。关键词:循环水系统;水锤模拟计算;通气阀;双向调压塔中图分类号:TM621.9文献标识码:B文章编号:1001- -408X( 2012 )02 0029-051引言循环水泵房内径φ22.0 m,运行层高程89.0m,水泵层高程47.60 m,泵房深41.40 m。泵房安装4台某电厂直流循环水系统,河水由循环水泵提升、YJC56- -21型直联立式蜗壳离心水泵(流量Q=5.20循环水管道输送冷却水至凝汽器及辅机冷却器,通m2/s, 扬程H= 35.50 m,转速n= 370 r/min,比转速n过自流管(沟)道接人虹吸井。厂区外循环水管距离= 212， 额定转矩Mk= 5404 kg.m), 配套YK-长、敷设区域地形起伏较大，输水管道主要采用SL2500-16/2150- -1型电动机(功率N= 2500kW,转DN2400、每根长度4.0 m的预应力钢筋混凝土管，速n= 372 r/min,转动惯量CD = 2316 kg* m2)。管道接头达数百个,管道接头存在脱出隐患。在设循环水泵和凝汽器进、出水管道采用D1820x计时应考虑采取有效的防范措施减少、避免水锤对10焊接钢管。厂区内除主厂房附近循环水管采用循环水系统的影响,确保安全运行。D2440x 14焊接钢管,单根长约160 m,二根管道平-般情况下以停泵水锤对设备和输水管道安全行敷设管底设中粗砂垫层;厂区内其余部分和厂区的威胁最为严重,停泵水锤是水锤现象中的一-种,指外循环水管采用DN2400预应力钢筋混凝土管(管水泵因突然断电或其他原因而造成的开阀状态下突芯缠丝工艺),单根长约1 500m,二根管道平行敷然停机时,在水泵及输水管道系统中,因流速突然变设管底设混凝土管座,转角处设混凝土镇墩。循环化而引起的一系列急 剧的压力交替升降的水力冲击水管道平面布置见图1。现象。停泵水锤值的大小与泵房中水泵参数和输水循环水管道纵向布置见图2。管道布置(尤其是垂直方向)的具体情况有关。据文献介绍,可能产生水锤的技术条件基础值与本工程实际值对比见表1。2水锤计算的数学模型2.1循环水系统概况表1可能产生水锤的技术条件基础值与工程实际值对比表电厂循环冷却采用扩大单元制直流供水系统,2管道纵向总扬程.争扬程 管道长度管道流速台机组配备4台循环水泵、2根循环水压力进水管，布置情况有无“驼热季运行工况为一台机组配二台循环水泵,冷季运基础值峰“或"膝在30m在20m大于大于2-行工况为二台机组配三台循环水泵。取水河段频率以上.以」500m2.5 m/s .部"状升高p= 1%设计洪水位88.02 m,保证率P= 97%枯水位51.36 m,全年平均水位59.20 m。频率P= 1%设计洪中国煤化工16601.64-2.11 m/sY片CNM H Gl水位与保证率P= 97%枯水位的差值为36.66 m。收稿日期:2011-12- 28;修回日期:2012 -01-31作者简介:汤海频(1963-),男,广西桂林人,工程师,主要从事给水排水工程设计,E-mail:ngbp@gxed.com.29红水河2012年第2期循环水泵一号机组凝汽器. 号机组虹吸井同聚一Od联络阀门输水管道道-Onn[绶闭止回蝶阀二号机组凝汽器二号机组虹吸井图1循环水管道平面布置图100.0凝汽器.90.0^80.0虹吸井70.060.050.0-200300800013001800管长度/m圈2循环水管道纵向布置图2.2计算内容与技术要求_gdH dV+ f创川=(对循环水系统在开泵、停泵过程中其水力过渡_.adt"dt2D{c(2)过程进行数学模拟计算,通过给定初始条件和边界条件,采用国内外长期研究并相对成熟的特征线方由式(1)和(2)进行有限差分近似，可以得到对法进行数值模拟计算,通过建立管内非恒定流动的应 于图3所示的水锤离散特征线方程。微分方程及各类复杂的边界条件方程并求解,求出各种运行1况水泵开停机,尤其是事故停泵水力过渡过程的数值解,为循环水系统采取的水锤防护措施提供依据。2Ot2.3水锤计算的特征线法POt水锤基本方程是由运动方程和连续性方程组成的双曲型偏微分方程组。为了便于计算机编程计算,oxT 41N+1 x将该偏微分方程组离散化,为此,在特征线方向将它转换为水锤全微分方程:中国煤化工网格田g州.dV + flvl_ olJHCNM H G_7dt”dt售2DC'(1)H-HA-(-(2N+DAUQ |=0(3)gAdudx_=+a30_汤海频:循环水系统水锤计算分析及防护措施H,-Hr- (Q-02)-2DX.Qe1Qn |=0(4) .g/2gDA2了解_上述方程可得:C*:H=C-BQ。(5)C:H,=Cr+BQ。(6)2式中B=a;gAR= fAx2gDA2 'H。C,=HA+BQx- RQalQx |;Cn=Hr BQt+RQolQa |。图4调压塔边界条件示意图2.4建 立边界条件模拟计算共建立了停泵水锤的水泵端边界条件3水锤计算结果及分析(包括单泵和两泵并联)、水柱分离边界条件、管道分根据初始条件和建立边界条件,用特征线法求支和汇流节点边界条件凝汽器的边界条件、通气阀解 ,计算分析结果如下。边界条件单向调压水箱边界条件、调压塔边界条3.1 事故断电停泵工况件,由于篇幅有限,这里只介绍调压塔边界条件。不同河道水位与运行工况下停泵时管道及凝汽调压塔是一种缓冲式水锤防护措施，可以防止器中的最大压力计算结果见表2,当河道水位较高管路中出现水柱分离,减低管路中的压力升高。装设时，管道及凝汽器中产生的压力升高比河道水位低调压塔后,其下游的管道不会产生压力升高,只需考产生的压力升高小。这是由于河道水位低时.停泵后虑井与泵之间水锤问题,因此,塔布置在靠近水泵产生的管道负压大， 出现管道中的水柱分离现象,在侧,特别适合于大流量、低扬程的循环水系统。停泵的水力过渡中,水柱弥合时水柱的动能大,压力调压塔如图4所示,对于流人塔内的流量为正:升高也大。.Qxs=CAp V2g(H,-H2)(7)表2不同运行工况停泵管路中不同部位的最大压力表对于塔流出的流量为负:运行工况河道水位凝汽器最大压力| 管道最大压力(Q=-CaAp V2g(Hx-H,)(8)mMPa式中Ce,Ap分别为调压塔与输水管连接管流量系数51.361.5892.21759.202.6411.654与面积,g为重力加速度。由连续原理得:-机两泵88.02 .0.5820.195Q,m=Q2+Qs .(9)调压塔内水柱按刚性水柱运行处理有: .计算结果表明,如果不考虑水锤防护揩施,河道Ha+Hz-2z-(S.+S)-- DPzQlQzl=-F5,(Q%rQz)6S水位较低时停泵将造成循环水系统破坏。(10)3.2增设通气阀后事故断电停泵工况式中5, F, D,分别为调压塔的摩阻系数、面积和直由于厂区外循环水管距离长、沿线地形起伏也径,下标中不含p表示为时间间隔A t前的值。较为复杂,在管道的高点处设复合式通气阀。该阀既可以将管道中的空气排出，又可在停泵引起管道压管道的特征方程为:力降中国煤化工午道通气阀布置位H,=Cq-ByQnu(11)置见HCNMHGH,=B2Qx-Cna(12)增改翅气阀石事改停来时官道压力降低较多,式(7)至式(12)等5个独立方程中含5个未知大部分管道的压力升高低于0.196 MPa,凝汽器压力数,可进行求解从而得调压塔的边界条件解。升高为0.049 MPa,但在泵出口至管道的第-一个凸点3红水河2012年第2期段内压力升高0.687 MPa,对水泵和管道的安全仍会调压塔是水锤防护的简单有效措施，在很多低产生威胁。.扬程系统中使用。管道通气阀与调压塔布置位置见3.3 增设通气阀和调压塔后事故断电停泵工况图6。00「95 t)0 t35 t30 t「一-管线●.通气阀出0h50500100015002000长度坐标/m图5管道通气阀布置位置图1009590.8Mr人一管线▲调压塔●通气阀田7570~0图6 管道通气阀与调压塔布置位置图增设通气阀和调压塔后事故停泵时，管道压力压励,有效地避免或降低水锤风险。进-步降低,所有管道的压力升高低于0.147 MPa,在电源关闭前关阀动作不同，将对管道造成不凝汽器压力升高为0.012 MPa,整个系统是安全的。同影响，推荐关闭水泵电源前应将其出口阀关闭70° ,关阀时间不小于10 s,电源关闭后关阀时间不3.4分析从事故断电停泵工况水锤计算结果表明，河道少于40s。计算结果表明凝汽器在水力过渡中未出现失水现象。水位较低时循环水系统在水力瞬变过程中,管道中采用上述防护措施后，在不同运行工况水力瞬出现水柱分离后弥合现象,使管道压力升高过大,存变过渡中，循环水系统事故停泵的最大水锤压力均在破裂或接头脱出的危险。小于0.60 MPa,可以保证安全运行。在管道的高点处增设复合式通气阀，对事故停4结语泵时管道压力降低最为显著，虽然水泵出口段管道中国煤化工压力升高值仍较大,但依然是首选的防护措施。MYHCNMHG泡括水泵出口液控增设调压塔，对水泵出口段管道压力升高值较止回术内仅T并功术重心丌网和关阀程序、增设复大作用显著，调压塔将随着管道中的压力变化向管合式通气阀(口径不小于200 mm)和非溢流式双向道补水或接纳管道中的水，从而泄放管道中的过高调压塔。方数据.汤海频:循环水系统水锤计算分析及防护措施双向调压塔为垂直管状构筑物，可直接采用钢落的水流将冲刷下部基础周围的土壤,甚至造成调管钢结构或钢筋混凝士结构,具有结构简单施工方压塔倾覆倒塌的严重后果。便、防护可靠等优点。但在管道水力过渡过程中,因塔该工程设计的非溢流式双向调压塔为圆筒形现内水位随管道压力自由变化,有可能出现溢水和进气浇钢筋混凝土结构,圆筒内空直径为φ250 m,塔底现象,要消除这种现象,可将调压塔改为节流式,即调标高为80.60 m,塔顶标高为109.0 m,设有远传式液位压塔与千管的连接管直径小于前两者的直径。计。调压塔与干管的连接管为D1020 x 10焊接钢管。连接管直径一般为干管直径的1/4~ 1/2倍;调压塔直径-般为干管直径的1~ 1.5倍,干管较长时参考文献:取大值。非溢流式双向调压塔的水面高度应高于输[1] 金锥,姜乃昌,汪兴华,关兴旺.停泵水锤及其防护(第水管道终点的水面高度并考虑沿管道的水头损失和二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.300 - 301.安全超高，实际运行过程中调压塔出现溢水,高速下Analysis and Protective Measures for Water Hammerof Circulating Water SystemTANG Hai-pin(Guangxi Electric Power Industry Investigation Design and Research Institute, Nanning, 530023)Abstract: Based on the equipment selection and pipeline arrangement of the circulating water system for a powerplant, the paper calculates the highest pressure along the pipeline under different operating conditions and the hy-draulic elements of some specific section at diferent time points by simulating mathematical model. And the protectivemeasures for waler hanmers at pump room and pipeline are put forward, which can be put into practice in project de-sign. .Key words: circulating water system; water hammer; vent valve; two- way surge tower(上接第24页)Discussion on Causes and Treatments for Cracks on Powerhouse .for Dahua Hydropower Station Extension ProjectZHAO Yan-liangAbstract:Mass concrete structure ofen cracks due to temperature and humidity changes as well as surrounding foun-dation constraints. This paper gives a brief introduction to concrrete crack pnsitions and treatments taken for power-house of Dahua hydropower station extension project, and makes a中国煤化工: so as l0 show lhereader an overview o[ crack trealtment. The example can be well refKey words:concrete; powerhouse; crack; crack treatment; Dahua h:TYHCNMHGt33