百萬級ISC型間接空冷機組循環水系統水錘分析和防護研究

李 進，蘭 剛，李曉一，張文君

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

干式冷卻系統是用翅片管組成的表面式換熱器，以空氣為最終冷卻介質，來冷卻汽輪機的排汽或凝結排汽的冷卻水的整套設施。因管內流體不與空氣直接接觸，與濕式冷卻系統相比可節約蒸發、風吹和排污損失的水量，因而干式冷卻系統在干旱地區得到較快發展[1]。在電廠循環水系統中，因水錘引起的最大壓力、最小壓力、最大倒轉流量及機組最大倒轉轉速等不利因素是循環水系統設計的重要關鍵點。不合理的水錘防護設計往往導致浪費或使設備、管路等遭到破壞[2]。濕式冷卻循環水系統的水錘分析和防護研究已經非常成熟[3-5]，而大型空冷機組干式冷卻循環水系統這樣的密閉系統的水錘數值模擬和防護還鮮有文獻論述。本文結合工程實例，對某百萬機組表凝式間接空冷循環水系統水錘進行數值模擬，比較水泵出口閥不同關閉規律下的水錘防護效果，論述表凝式間冷循環水系統的水錘防護方法。

1 工程概況

某電廠新建百萬機組采用單元制表凝式間冷循環水系統，冷卻設備為帶垂直布置的全鋁制空冷散熱器的自然通風冷卻塔。全塔分為12個扇區，每臺扇區布置15個冷卻三角，冷卻三角有效高度28 m。表凝式間接空冷循環水系統工藝流程，如圖1所示。

圖1 表凝式間接空冷系統示意圖

每臺機組配備4臺1600S24臥式離心水泵。水泵額定揚程22.00 m，額定流量7.24 m3/s，額定轉速430 r/min，機組轉動慣量2 100 kg·m2。水泵出口閥選用可控液控蝶閥。空冷塔設置兩座膨脹水箱，膨脹水箱布置在空冷塔內 30 m(相對于空冷塔的0 m)高的膨脹水箱平臺上。每座儲水箱的容積150 m3，當量直徑6.18 m，高度5.00 m。

2 停泵水錘計算

針對系統的管線布置與泵站設計，采用PIPENET流體分析軟件對系統中可能出現的事故停泵水錘問題進行計算分析，系統模型如圖2所示，采取合理的措施對工程進行水錘防護，對該泵站系統水錘計算及防護研究的主要內容如下：

圖2 表凝式間接空冷循環水系統PIPENET模型

1)泵站穩態運行工況的校核計算。

2)泵站事故停泵過渡過程計算及水錘防護措施研究。分別計算各級泵站發生事故停泵時的泵組最不利參數(包括最大倒轉轉速、倒轉時間、最大倒泄流量等)、管線最大、最小水錘壓力；優化確定水泵出口控制閥的關閉規律；提出水錘防護措施。

2.1 恒定流工況校核

4臺循環水泵同時運行，系統總流量為26.17 m3/s，膨脹水箱進口壓力3.61 mH2O，水箱內氣體壓力0.55 mH2O，膨脹水箱水深3.05m，氣體體積58.40 m3，水體積91.60 m3。恒定流水泵參數計算結果如表1所示，扇區計算結果如表2所示。

表1 水泵機組揚程和流量統計表

表2 冷卻塔各扇區水力損失和流量統計表

2.2 四臺水泵同時停機

四臺循環水泵同時事故停機，事故發生后，水泵出口泵控閥沒有動作，計算結果顯示系統最大壓力40.64 mH2O，出現在凝汽器入口處。事故發生后，空冷塔冷卻三角頂點壓力下降時，膨脹水箱內氣體迅速膨脹，水箱下層水在氣體壓力作用下迅速補充到冷卻三角中防止系統中壓力下降過大或出現汽化現象。系統在膨脹水箱的保護下，系統最小壓力-2.59 mH2O，出現在扇區1冷卻三角頂點處，沒有出現汽化現象。

表凝式間冷循環水系統為閉式循環系統，系統靜揚程為0 m。如圖3所示，當四臺循環水泵同時事故停機后，水泵出口壓力迅速下降，水泵進口壓力迅速上升，水泵進出口壓力差較小，因此水泵流量逐漸下降為0，并沒有出現倒流現象，水泵也沒有出現倒轉現象，如圖4所示。

圖3 水泵進出口流量和壓力隨時間變化曲線

圖4 水泵轉速隨時間變化曲線

2.3 四臺水泵運行一臺水泵事故停機

4臺循環水泵同時運行，其中1臺水泵突然事故停機，事故水泵出口閥的關閉方式對事故水泵、正常水泵和凝汽器的流量、壓力等參數的影響較大。為了確定合適的水泵出口閥關閉規律，選用不同關閉規律，并對系統進行數值模擬，如表3所示。

表3 事故水泵出口閥關閉方案

當事故水泵采用方案一即事故后水泵出口閥不動作時，因另外3臺水泵仍在繼續運行，事故水泵進出口壓力差較大，水泵出現了嚴重的倒流和倒轉現象如圖5～圖9所示，最大倒流流量達到6.70 m3/s，最大倒轉轉速422.40 r/min，凝汽器最小流量為22.18 m3/s。

圖5 事故水泵出口壓力隨時間變化曲線

圖6 事故水泵流量隨時間變化曲線

圖7 事故水泵轉速隨時間變化曲線

圖8 正常水泵流量隨時間變化曲線

圖9 凝汽器流量隨時間變化曲線

當水泵出口閥采用兩階段方式關閉后，事故水泵出口壓力迅速下降，事故水泵的倒流和倒轉現象均得到了有效控制。如圖6～圖7所示，快關時間越短，事故水泵的最大倒流流量越小，事故水泵的最大倒轉速度也越小。

如圖8所示，4臺循環水泵同時運行，其中1臺水泵突然事故停機時，因事故發生時水泵出現了倒流和倒轉現象，正常水泵的流量會迅速上升，然后開始下降，最終重新穩定。如果事故水泵出口閥門不動作，正常水泵的穩定流量將達到8.78 m3/s，但通過凝汽器的流量22.38 m3/s，如圖9所示。如果事故水泵出口閥采用兩階段方式關閉后，正常水泵的穩定流量將達到7.98 m3/s，通過凝汽器的流量23.90 m3/s。

2.4 四臺水泵同時停機兩階段關閉泵出口閥

4臺水泵運行，同時事故停機，水泵出口閥采用表3所示不同的關閉規律關閉。計算結果顯示事故水泵均沒有出現倒流和倒轉現象。系統中最小壓力出現在扇區1冷卻三角頂點處，沒有出現汽化現象。系統最大壓力出現在水泵出口，水泵出口閥不動作時壓力最小，水泵出口閥采用8 s關閉70°、40 s關閉20°時壓力最大，達到46.22 mH2O，但采用兩階段關閉水泵出口閥時，三種不同關閥規律下系統最大壓力極值相差并不大，如圖10所示。

圖10 水泵出口壓力隨時間變化曲線

3 結論

通過對某實際工程的表凝式間接空冷循環水系統進行建模仿真，可以得出以下結論：

1)與濕式冷卻循環水系統不同，密閉式的表凝式間冷循環水系統因系統靜揚程為0 m，4臺循環水泵同時事故停機并沒有導致水泵出現嚴重的倒轉和倒流現象。

2)在表凝式間接空冷循環水系統中設置適當大小的膨脹水箱，可以防止系統在循環水泵事故停泵時出現汽化現象。

3)在本系統中4臺水泵運行，其中1臺水泵事故停機時，事故水泵出現了嚴重的倒流和倒轉現象，為最不利工況，建議水泵出口閥關閉規律按此工況進行設計，并對其他工況進行校核。

4)水泵出口閥關閉規律對水泵的最大倒流流量、最大倒轉轉速和系統最大壓力、最小壓力等參數影響較大，對水泵流量、凝汽器流量的變化和穩定過程也有較大影響，在本系統中推薦采用6 s關閉70°、30 s關閉20°的兩階段關閉方式，對于其它的系統，水泵出口閥關閉規律應通過計算確定。