停泵水錘兩階段關閥調節保護研究

（東南大學 能源與環境學院，南京 210096）

0 引言

大型火電廠冷卻水系統容量大，管道長，管網結構復雜。為確保冷卻水量充足，通常采用大流量低揚程的循環水泵［1］。一旦事故停泵，閥門處管路流速驟降，壓力驟降，易產生汽化空腔，使管路破裂風險上升。當正向流量減至零，因凝汽器水位標高在泵閥之上，管中流體受重力倒流，使水泵倒轉受損。閥門全關后，管流中能量未消散，以波的形式振蕩，使管路疲勞受損，壽命降低［2］。這種在封閉系統中由流體速度的快速變化引起的壓力或動量瞬變稱為水錘［3］。水錘嚴重威脅管路系統安全。

為抑制水錘，人們提出注水穩壓、泄水降壓、增裝慣性飛輪、增設排氣閥、安裝調壓塔以及調節閥門關閉歷時等措施［4-6］。其中，閥門調節技術成熟且成本低廉，現已廣泛應用［7-13］。閥門調節常分為一階段與兩階段關閥防護2種模式。兩階段關閥模式指閥門先快速關閉至某一角度，再慢速關完剩余行程。相比于一階段模式，兩階段模式可以限制倒流流量和水泵倒轉轉速，降低閥門全關后壓力脈動幅度，管路系統安全性高。但兩階段關閥策略須根據對象確定，否則可能喪失水錘防護效果，甚至加劇其破壞效應［14-15］。

本文以某電廠600 MW機組循環冷卻水系統為研究對象，建立停泵水力過渡過程數學模型，其冷卻水系統管路高程如圖1所示。鑒于上述水錘危害，選取閥門出口最低壓力，泵最大倒轉轉速、閥門全關后管路水錘波振幅作為評價管路系統安全性指標進行仿真計算。研究兩階段關閥策略中快關時間、快關角度對管路系統安全性的影響，指出可以通過優化快關時間與快關角度的方法，提高管路系統安全性。

圖1 某電廠600 MW機組循環冷卻水系統管路高程

1 停泵水力過渡過程數學模型

根據彈性水錘理論，水錘運動和連續方程組如下［4］：

式中 H ——管路中某處的水頭，m；

x ——沿管路軸向某處位置坐標，m；

g ——重力加速度，m/s2；

V ——管內流速，m/s；

f ——管路摩阻系數；

D ——管路直徑，m；

t ——時間，s；

α ——管路與水平面間夾角，°；

a ——水擊波傳播速度，m/s。

通過有限差分法建立特征線方程［16-18］：

其中

式中 QPi，HPi——待求點P的參數；

Qi，Hi——已知點 A，B 參數。

求解時，初始H，Q已知，然后沿著計算時段Δt層層推進至算完。

綜合參數CP和CM，式（1）改寫為：

式（2）～（4）組成求解方程。邊界條件：

（1）泵房前池與虹吸井液面高度不變，則有：

（2）閥門處水頭損失：

式中ξ——閥門阻力系數；

Q ——閥門處流量，m3/s；

A ——閥門處通流面積，m2。

（3）串聯管路連接點處，連續性條件與水頭條件：

式中 P1，P2 ——下標，支管序號；

N+1 ——斷面序號；

hw——局部阻力損失。

（4）泵處水頭平衡方程式與轉速改變方程式：

式中 HS——泵在吸水管一側測管水頭，m；

ΔH泵——泵的揚程，m；

ΔH閥——閥門處水頭損失，m；

HP——泵在壓水總管一側測管水頭，m；

M反——反力矩，N·m；

GD2——水泵回轉部分飛輪力矩，N·m；

ω ——泵輪旋轉角速度，rad/s。

2 初始關閥策略下停泵水力過渡過程計算

循環冷卻水系統為直流式供水系統。圖2示出閥門流量系數與開啟度關系曲線。單泵運行時水泵流量12.3 m3/s。關閥歷時35 s：快關至60°，用時5 s；慢關剩余行程，用時30 s。

圖2 閥門流量系數與開啟度關系曲線

利用AFT Impulse管道系統水錘分析軟件求解計算。計算時間步長取 0.001 113 s，模擬時長60 s，水錘波速 826～1 190 m/s。

圖3示出泵轉速，閥門出口流量與壓力隨停泵后時間變化情況。由圖3，第0 s停泵后，泵轉速下降，正向流量下降，閥門出口壓力跌至0.024 MPa，管流汽化風險上升。第8 s后管流倒流，沖擊水泵，使水泵倒轉升至原轉速的17.3%，危害水泵安全。第35 s后，閥門全關，倒流終止，管路中形成振幅達0.011 MPa的水錘波，加劇管路疲勞損傷。因此，需要優化快關時間與快關角度，提升管路系統安全性。

圖3 快關時間5 s，快關角度60°時泵轉速、閥門出口流量與壓力隨停泵后時間的變化

3 兩階段關閥策略影響因素分析

控制兩階段關閥總歷時不變，計算并討論快關時間、快關角度變化的影響。圖4示出了快關角度60°，不同快關時間下閥門流量系數隨停泵后時間變化情況。表1給出了對應停泵后流量變化與安全性指標計算結果。圖5示出了快關時間9 s，不同快關角度下閥門流量系數Cv隨停泵后時間變化曲線。表2給出了對應停泵后流量變化與安全性指標計算結果。

圖4 快關角度60°時，不同快關時間，閥門流量系數與停泵后時間關系（Cv-t）曲線

表1 快關角度60°時，不同快關時間，停泵后流量變化與安全性指標計算結果

圖5 快關時間9 s時，不同快關角度，閥門流量系數與停泵后時間關系（Cv-t）曲線

表2 快關時間9s，不同快關角度，停泵后流量變化與安全性指標計算結果

3.1 快關時間與角度影響分析

快關時間與角度增加都會加強關閥過程流動：使正向流動持續時間延長；倒流最大流量增加。但快關時間對正向流動影響較大；快關角度對倒流影響較大。

正向流動影響閥門后壓降幅度，保護管路安全。倒流影響水泵倒轉速度與閥門全關后水錘波振幅，危害水泵和管路。

3.2 關閥策略優化分析

利用快關時間與角度影響差異優化關閥策略。先調整快關時間以接近倒流時刻，使正向流動盡量強。然后調整快關角度，控制倒流。重復該過程，最終使各安全性指標滿足要求。在本研究案例中，優化后的快關時間9 s，快關角度35°。優化前后計算結果見表3。

表3 優化前后安全性指標計算結果

相比于初始關閥策略，優化策略閥門出口最低壓力提高44%，閥門全關后壓力振幅降低70%，水泵無倒轉，水泵與管路系統安全性提升。優化策略能有效發揮閥門調節防護作用。

4 結論

（1）對于兩階段關閥策略，快關時間與角度增加都會加強關閥過程管路流動。快關時間對正向流動影響較大；快關角度對倒流影響較大。

（2）調整快關時間與角度，實質上是尋找一個平衡點，使正向流動盡量強，倒流盡量弱，以達到提升停泵管路系統安全性的目的。