水溫變化對壓力管道壓力波動影響研究

孫家誠 林子恒

（哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引言

實際工業(yè)中常常遇到同一壓力管道系統(tǒng)中不同區(qū)段管道內(nèi)流體溫度不同的現(xiàn)象，比如核電廠二回路系統(tǒng)中凝結(jié)水在冷凝器出口溫度為24℃左右，當其到達蒸汽發(fā)生器入口時水溫已經(jīng)接近230℃，水溫變化巨大。研究水溫變化對壓力系統(tǒng)中壓力瞬變過程的影響對于提高壓力系統(tǒng)的經(jīng)濟性、安全性都有積極意義。

彈性壓力波動理論表明水體的彈性會導致壓力波動波速發(fā)生變化（如公式1所示），而連續(xù)瞬變流理論則表明壓力波動波速對壓力波動升壓有很重要的影響[1-2]。國內(nèi)研究壓力管道系統(tǒng)內(nèi)壓力波動現(xiàn)象的相關(guān)文獻中基本未討論管道內(nèi)流體溫度的變化對壓力波動效應的影響[3-6]。

利用Flowmaster（FM）軟件強大的仿真計算能力，本文建立了一個非恒定水溫壓力管道系統(tǒng)，并詳細研究了溫度變化過程中壓力波動現(xiàn)象的響應情況，由此給出了相應工況中的壓力波動改進措施，對于相關(guān)工業(yè)實踐中的管路設(shè)計運行具有一定的指導意義。

其中，K為水的體積模量，量級GPa（約為2GPa，與水的溫度和壓力有關(guān)系）；ρ為水的密度；d為管道半徑，單位m；E為管壁的彈性模量，量級GPa（多為200GPa）；s為管壁厚度，單位m。

1 系統(tǒng)建模

如圖1所示，非恒定水溫壓力系統(tǒng)包含水池、水泵、管道、加熱器、相關(guān)閥門等設(shè)備，系統(tǒng)的工作過程如下[7]：

并列運行的兩臺泵從水池1抽水，經(jīng)過加熱器加熱后分別供給不同的水池。水池1、離心泵（2臺）、止回閥（2個）均位于參考平面，水池2所在平面位于參考平面50m高處，水池3所在平面位于參考平面40m高處，向水池3供水的支路供水量受閥門進行調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)仿真時間為15s，仿真開始時兩臺泵均處于正常運行狀態(tài)、閥門完全打開，閥門10在0~2s內(nèi)由全開變成全閉，水泵2則在之后的2s后電機停轉(zhuǎn)。水池1的給水溫度為默認（20℃），加熱器則保證其出口水溫分別為20℃和100℃。系統(tǒng)各節(jié)點均采用不可壓縮鏈接，節(jié)點9參數(shù)則設(shè)定為“Autovapourisation”。

2 計算及結(jié)果分析

系統(tǒng)仿真時間為15s，仿真開始時兩臺泵均處于正常運行狀態(tài)、閥門完全打開，閥門10在0~2s內(nèi)由全開變成全閉，水泵2則在之后的2s后電機停轉(zhuǎn)。由于調(diào)節(jié)閥管壁將導致閥前/后的管路中出現(xiàn)壓力波動現(xiàn)象，下面根據(jù)Flowmaster軟件計算結(jié)果分析了水溫變化前后管路內(nèi)流體的壓力波動響應。

圖2給出的是節(jié)點標號為6處水的壓力隨時間的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)由于水溫增加導致流體波速增加，導致調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后閥前管路中的水錘現(xiàn)象出現(xiàn)了一定程度的加劇：管道內(nèi)水溫度升高后6號節(jié)點處水的水錘壓力最值存在一定程度的提高，且該節(jié)點處的水錘壓力最值出現(xiàn)的時間明顯提前（如圖2紅色曲線示）。

圖2 6號節(jié)點處流體壓力隨時間的變化曲線

圖3 給出的是節(jié)點標號為9處水的壓力隨時間變化的情況，可以發(fā)現(xiàn)水溫增加對于閥后壓力波動的嚴重程度影響不大，但是壓力波動明顯加劇，而且該節(jié)點處的水錘壓力最值出現(xiàn)的時間明顯提前（如圖3中紅色曲線所示），這同樣是由于水溫增加導致水的波速出現(xiàn)了一定程度的增加。

圖4和圖5分別給出了傳熱器出口水溫為20℃和100℃時，調(diào)節(jié)閥之前的管道中流體的壓力沿管長方向隨時間的變化曲線。對比可以發(fā)現(xiàn)：沿管長方向，靠近調(diào)節(jié)閥的壓力波動現(xiàn)象較嚴重；水溫升高后壓力波動影響的管長范圍有較大增加，水溫20℃時出現(xiàn)明顯水錘現(xiàn)象的管長大概為50m~80m，水溫100℃時出現(xiàn)明顯水錘現(xiàn)象的管長則為30m~80m；隨時間增加，兩種情況下管道內(nèi)部壓力趨于穩(wěn)定的時間基本相同。

圖4 換熱器出口水溫20℃時6號管道內(nèi)部壓力隨管長及時間的分布

圖5 換熱器出口水溫100℃時6號管道內(nèi)部壓力隨管長及時間的分布

3 結(jié)論

利用FM軟件強大的計算仿真能力，管道長度不是很長的壓力系統(tǒng)中流體水溫發(fā)生較大變化時，分析了關(guān)閥引起的壓力波動在壓力管道中的分布情況。對比換熱器出口處的水溫不同時，關(guān)閥引起的壓力波動在壓力管道中的分布可知，壓力管道內(nèi)水溫的從20℃增加到100℃時，將會對壓力管道內(nèi)由于關(guān)閥引起的壓力波動產(chǎn)生以下影響：

1）在一定程度上影響壓力瞬變的峰值，導致壓力波動峰值增加；

2）影響壓力波動涉及的范圍，導致受壓力波動影響范圍增加；

3）影響壓力波動峰值在管路內(nèi)的分布密度及峰值大小。

在實際工業(yè)實踐中，許多壓力系統(tǒng)同時滿足系統(tǒng)管路長度不大，但是管路中流體的溫度變化比較大（如核電廠二回路系統(tǒng)中的凝給水系統(tǒng)），根據(jù)計算結(jié)果，本文提出以下建議：

1）對于水溫恒定的壓力管路系統(tǒng)，可以采用設(shè)計壓力相同的管道，即可滿足需求；

2）對于水溫發(fā)生變化的壓力管路系統(tǒng)，可以先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案對系統(tǒng)內(nèi)的壓力瞬變情況進行分析，對于壓力波動影響不到的管道可以采用設(shè)計壓力較小的管道，對于受壓力波動影響較大的管道可以采用設(shè)計壓力較大的管道，以達到滿足系統(tǒng)安全性能同時節(jié)省系統(tǒng)建造成本的目的。

［1］馬小云.波速對長距離輸水管道水力過渡過程的影響與研究[D].西安：長安大學,2012：2-23.

［2］張彥光.壓力管道水錘波速影響因素的分析及其對距離輸水管道中水錘計算的影響研究[D].西安：長安大學,2011：6-27.

［3］林紅玉.水錘波速對長距離泵站輸水管路中斷流水錘的影響與研究[D].西安：長安大學,2010：8-18.