火力發(fā)電廠凝汽器負壓水錘防護措施的計算研究

羅成春，鄭經(jīng)緯

(1. 中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063；2. 中國能源建設(shè)股份有限公司，北京 100022)

0 引言

隨著單機容量的增加，循環(huán)水系統(tǒng)規(guī)模也隨之增大。單機600 MW級以上機組循環(huán)水系統(tǒng)具有流量大、管線長的特點，是一種特殊的供水系統(tǒng)[1]。

由于氣象條件不斷變化，循環(huán)水系統(tǒng)時刻處于變工況運行狀態(tài)。當發(fā)生循環(huán)水泵(以下簡稱“循泵”)事故斷電的過渡工況時，供水系統(tǒng)各處的水力動態(tài)特性將發(fā)生較大變化，循泵正向轉(zhuǎn)速急劇下降直至出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，循環(huán)水水流反轉(zhuǎn)，管線中高點將可能產(chǎn)生負壓。由于凝汽器頂排冷凝管往往是駝峰點，此處負壓首先增加，當壓力值降至此處溫度下的汽化壓力時，循環(huán)水將斷流，并產(chǎn)生危及系統(tǒng)安全的“液柱分離—彌合水錘”現(xiàn)象[2-6]。水柱彌合產(chǎn)生巨大的水錘沖擊壓力，將嚴重損毀循環(huán)水管道及凝汽設(shè)備，給電廠造成生產(chǎn)事故及巨大的經(jīng)濟損失。因此，分析凝汽器出口處可能產(chǎn)生的負壓水錘，采取適當?shù)乃N防護措施，對防止凝汽器出現(xiàn)破壞性事故具有重要意義。

1 數(shù)學模型及求解方法

大型電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具有流量大、揚程低的水力特點，管線中存在某些高點。在極端過渡工況下，凝汽器頂部可能產(chǎn)生“液柱分離—彌合水錘”現(xiàn)象。因此，針對大型電廠循環(huán)水系統(tǒng)的水力過渡過程必須進行精確的仿真計算分析。

1.1 水力過渡過程計算模型

電廠循環(huán)水系統(tǒng)一般由循泵、泵出口控制閥門、循環(huán)水管、凝汽器、冷卻塔等組成。對于循泵啟停等各種水力過渡過程的仿真計算，國內(nèi)外普遍采用特征線法[7]，即將循環(huán)水水流運動方程和連續(xù)方程轉(zhuǎn)化為常微分方程，然后針對該方程的差分形式，求出系統(tǒng)任一時刻各個控制節(jié)點上的瞬時流量和壓力。描述任一管道內(nèi)水流運動狀態(tài)的方程見式(1)、(2)。

運動方程：

連續(xù)方程：

式中：V為管道內(nèi)的流體平均速度，m/s；H為管道中心的流體測壓管水頭壓力，mH2O；t為運行時間，s；x為由指定基點開始的坐標(沿管軸方向)，m；f為阻力(達西)系數(shù)；D為管道直徑，m；θ為管道與水平線的夾角；a為水錘波傳播速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。

由式(1)、(2)沿特征線積分，便可同解轉(zhuǎn)化為管道水流過渡過程計算特征相容方程，繼而求得t時刻沿管線各控制節(jié)點的流量和水壓，然后聯(lián)合各控制點的邊界方程對整個系統(tǒng)水力過渡過程進行數(shù)值求解。

對于長度L的管道，如果分成N段，每一段的長度為Δx=L/N，并取計算時間步長為Δt=Δx/a，可以繪出x-t平面上的矩形網(wǎng)格，如圖1所示。由此，可建立如下特征相容方程：

圖1 x-t特征線網(wǎng)格示意圖

式中：Cp、Bp、CM、BM是 t-Δt時刻的已知量，為：

1.2 凝汽器邊界數(shù)學模型

凝汽器是火電廠循環(huán)水系統(tǒng)中的重要組成部分，其實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的。為便于計算分析，從水力學角度上對其工藝結(jié)構(gòu)進行簡化，進而建立物理模型及約束條件。

如圖2所示，將凝汽器的進出水室近似為兩個水箱(②和④)，將冷凝管近似為若干相同的并聯(lián)小管(③)，兩個水箱通過這若干小管相連接，同時進出水箱與上下游水管(①和⑤)相連[2]。

圖2 凝汽器簡化模型

1)集中流容法

將凝汽器進、出口側(cè)水箱作為集中流容元件，將數(shù)量眾多的細長冷凝管當量作為一根管道參與計算，當量原則為：①當量管的截面積等于所有冷凝管截面積之和；②當量管與單根冷凝管水力損失相同；③當量管與單根冷凝管長度相同。

在特征線方程中的以下兩個常數(shù)的形式將有所變化：

其中，下標S和T分別代表小管和等效管的參數(shù)。

2)摩阻法[2]

將凝汽器水力邊界條件簡化為集中摩阻(忽略冷凝管長度)，計算式如下：

式中：Rc為集中摩阻系數(shù)；Hd為流量為QR時穩(wěn)定流的水頭損失，mH2O；QR為初始流量，m3/s。式(5)為目前國內(nèi)廣泛采用的數(shù)學模型，也是本文所采用的公式。

2 工程實例計算分析

2.1 基本概況

2.1.1 循環(huán)水系統(tǒng)基本情況

江蘇某電廠一期建設(shè)2×660 MW超超臨界汽輪發(fā)動機組，同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝設(shè)施。該電廠循環(huán)水系統(tǒng)采用帶逆流式自然通風冷卻塔擴大單元制供水系統(tǒng)，補充水源采用經(jīng)澄清處理后的京杭大運河水。每臺機組設(shè)一座冷卻塔、兩臺循泵、循環(huán)水壓力供、排水管各一根。循環(huán)水系統(tǒng)計算簡圖如圖3所示。

圖3 循環(huán)水系統(tǒng)計算簡圖

2.1.2 循環(huán)水系統(tǒng)基本參數(shù)

循泵轉(zhuǎn)速為370 r/min，轉(zhuǎn)動慣量為2.6 t.m2；一機一泵運行時單泵額定流量為11.1 m3/s，揚程為20 m，一機兩泵并聯(lián)運行時單泵額定流量為9.18 m3/s，揚程為27 m；電動機轉(zhuǎn)動慣量為8 t.m2；凝汽器設(shè)計循環(huán)水量為18.36 m3/s，有效面積約33 000 m2，冷凝管規(guī)格(外徑×壁厚)約32 mm×0.5 mm。

2.2 計算工況及結(jié)果分析

2.2.1 工況選取

為確保循環(huán)水系統(tǒng)安全運行，對其進行詳細的過渡過程計算分析，并選擇合適的水錘調(diào)節(jié)和防護措施是十分必要的。

循泵發(fā)生事故斷電后，轉(zhuǎn)速急劇下降，過流量急劇減小，管道系統(tǒng)中的水體由于慣性繼續(xù)向前流動，系統(tǒng)中管道凸起處可能產(chǎn)生數(shù)值較大的負壓；由于凝汽器頂部往往是系統(tǒng)中的駝峰點，很可能產(chǎn)生數(shù)值較大的負壓，當該負壓值降至汽化壓力時，就會產(chǎn)生斷流空腔，造成液柱分離，進而產(chǎn)生危害極大的彌合水錘壓力，該處往往出現(xiàn)系統(tǒng)最小內(nèi)水壓力。綜合上述分析，選取“一機兩泵并聯(lián)運行，同時事故全失電”工況，作為本文的計算工況。

通過計算循泵出口閥門拒動和可調(diào)兩種工況，分析影響凝汽器負壓水錘的因子。對于循泵出口閥可調(diào)：分別選擇一段直線關(guān)閉和兩端折線關(guān)閉規(guī)律來分析其對凝汽器負壓的影響。

2.2.2 計算結(jié)果及分析

1)工況1

同時改變中央水泵房前池水位和豎井水位，當一機兩泵并聯(lián)運行、同時事故全失電，循泵出口閥全拒動時，計算凝汽器出口的最小內(nèi)水壓力等參數(shù)，結(jié)果詳見表1所列。

表1 工況1系統(tǒng)參數(shù)計算結(jié)果

由表1計算結(jié)果可知：一旦發(fā)生“一機兩泵并聯(lián)運行，同時事故全失電”的工況，泵出口控制閥門全拒動時，設(shè)計條件下，凝汽器頂排冷凝管處必然出現(xiàn)液體氣化現(xiàn)象。這是由于循泵轉(zhuǎn)動慣量較小，循泵失電后，循環(huán)水管內(nèi)的水流動力迅速減小，凝汽器出口壓力值迅速降低，且凝汽器距離冷卻塔較遠，冷卻塔對凝汽器出口水錘壓力的反射效果較差。如果此時冷卻塔豎井水位較高，則在凝汽器出口管道內(nèi)的水流發(fā)生倒流時，會在凝汽器頂部出口處出現(xiàn)數(shù)值很大的“液柱分離—彌合水錘”，導致凝汽器和循環(huán)水管損壞。抬高前池水位及冷卻塔豎井水位至一定高度值時(大于0.2 m)，凝汽器出口液體氣化現(xiàn)象才得以消除。

由表1還可知，凝汽器過流量均為-13 m3/s，凝汽器出現(xiàn)明顯的失水及冷凝水倒流現(xiàn)象；系統(tǒng)最大內(nèi)水壓力范圍為27.6～31.6 mH2O，前池水位越高最大內(nèi)水壓力值越大，但均小于管道試驗壓力；前池水位越高，循泵最大反轉(zhuǎn)速越小，均小于額定轉(zhuǎn)速，滿足規(guī)范要求(不大于水泵正常轉(zhuǎn)速的120%)。

2)工況2

當一機兩泵并聯(lián)運行、同時事故全失電，調(diào)節(jié)循泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律，計算凝汽器出口節(jié)點的最小壓力等參數(shù)，結(jié)果詳見表2所列。

表2 工況2系統(tǒng)參數(shù)計算結(jié)果

由表2計算結(jié)果可知，閥門關(guān)閉規(guī)律對循泵出口最大、最小壓力值影響較大，一段關(guān)閉規(guī)律時循泵最大壓力接近試驗壓力，最小壓力已達汽化壓力。調(diào)整為兩段關(guān)閉規(guī)律后，循泵出口最大、最小壓力值有明顯改善；其中第一段關(guān)閉時間對水泵出口節(jié)點的最小內(nèi)水壓力起主要控制作用，選定第一段關(guān)閥時間T1為12～18 s時，水泵出口節(jié)點的最小內(nèi)水壓力均能夠滿足設(shè)計要求；考慮到在滿足系統(tǒng)最大、最小內(nèi)水壓力控制條件的情況下，T1宜取較小值以控制水泵最大反轉(zhuǎn)速。因此，T1應(yīng)取為15 s以內(nèi)。

根據(jù)“閥門總關(guān)閉時間相同時，水泵出口最小內(nèi)水壓力控制值盡可能大；水泵出口最小內(nèi)水壓力控制值相近時，閥門總關(guān)閉時間盡可能小”的原則，選定本期工程水泵出口閥門的最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律為兩段折線關(guān)閉規(guī)律：T1=12 s，T2=13 s，Ts=25 s。

綜合上文，一旦發(fā)生“一機兩泵并聯(lián)運行，同時事故全失電”的工況，調(diào)節(jié)循泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律，采用兩段關(guān)閉規(guī)律時，循泵出口節(jié)點最大、最小壓力、循泵反轉(zhuǎn)速等控制參數(shù)均較容易滿足安全要求，但凝汽器出口最小負壓仍很難滿足安全要求，可見循泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律的變化對凝汽器出口節(jié)點最小內(nèi)水壓力影響很小。

3 負壓水錘防護措施

根據(jù)上文計算及分析可知，凝汽器出口節(jié)點最小內(nèi)水壓力值發(fā)生在水泵失電后的很短的時間內(nèi)，通過調(diào)節(jié)泵出口關(guān)閥規(guī)律，對凝汽器出口節(jié)點的最小壓力值影響較小，且無法緩解。為了控制凝汽器出口處的最小內(nèi)水壓力，防止其出現(xiàn)“液柱分離—彌合水錘”現(xiàn)象，研究凝汽器負壓水錘的特殊防護措施對電廠安全運行是非常有必要的。

3.1 水錘防護措施

根據(jù)凝汽器水力過渡過程數(shù)學計算模型及負壓水錘產(chǎn)生機理，可針對性采取以下水錘防護措施：

措施一：增大循泵的轉(zhuǎn)動慣量，減小循泵事故斷電后凝汽器進水管線的循環(huán)水動力衰減速度，即減小循泵斷電后其水壓及流量的衰減速度。

措施二：增大凝汽器出口側(cè)循環(huán)水排水母管直徑，減小循環(huán)水排水流速。

措施三：提高冷卻塔豎井水位(為保持循泵靜揚程不變，需同時抬高前池水位)，增強其在循泵斷電后對凝汽器出口管道內(nèi)水流的制動效果。

措施四：在凝汽器出口管道上增設(shè)補水管/箱等調(diào)壓設(shè)施，抑制水錘壓力波動幅值。通過蓄、補水動作，可緩沖系統(tǒng)內(nèi)的水力瞬變過程，并改善系統(tǒng)正常運行時的水力狀況。

措施五：對循泵采取獨立電源分別供電，提高供電可靠性。

3.2 水錘防護措施的選取及驗證計算

3.2.1 水錘防護措施的選取分析

措施一適用于離心泵，絕大多數(shù)火電廠循環(huán)水系統(tǒng)采用立式混流泵，較難實施；措施二受主廠房A排外布局方案影響較大，不易實施，且循環(huán)水系統(tǒng)管道和開槽造價增加較大，經(jīng)濟性較差；措施五可令事故工況發(fā)生概率很小，但并不能確保絕對不會發(fā)生，只能作為補充措施。受綜合技術(shù)經(jīng)濟等多重因素影響，循泵等設(shè)備參數(shù)及供水系統(tǒng)布置方案等均難以進行較大幅度調(diào)整，因此措施一、二和五不予考慮。

措施三大幅度抬高豎井水位和泵房進水前池水位將使循環(huán)水系統(tǒng)工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計作較大的額外修改，投資顯著增加，該措施經(jīng)濟性較差。

措施四在工程中易于實現(xiàn)，可有效防止凝汽器出口發(fā)生“水柱分離”現(xiàn)象，但需注意在補水豎管中水流泄空后，將有空氣漏進凝汽器水箱，在凝汽器出口水箱頂部需設(shè)自動排氣閥以便在水壓回升時把出口水箱頂部的空氣排出，以免出現(xiàn)更為復(fù)雜和難以控制的氣—水錘壓力波動現(xiàn)象。

3.2.2 水錘防護措施的驗證計算

根據(jù)上節(jié)分析，選取措施四進行凝汽器負壓水錘的防護計算：即在凝汽器出水管上增設(shè)補水豎管；同時，在裝設(shè)于凝汽器頂部的兩根DN100手動排氣管上加裝相同口徑的自動排氣閥措施。在上述措施下，分別針對循泵出口閥全拒動(工況3)、改變出口閥關(guān)閉規(guī)律(工況4)兩種工況分別進行計算，結(jié)果見表3、表4所列。

表3 工況3系統(tǒng)參數(shù)計算結(jié)果

表4 工況4系統(tǒng)參數(shù)計算結(jié)果

由表3～表4可知，采取防護措施四后，且選擇不同水泵出口閥關(guān)閉規(guī)律，凝汽器出口節(jié)點最小壓力也均在設(shè)計范圍內(nèi)，不會發(fā)生“液柱分離”現(xiàn)象(均大于0 mH2O)，對凝汽器負壓水錘具有顯著改善左右；循泵反轉(zhuǎn)速幅值得到明顯減小，循泵出口最小內(nèi)水壓力、凝汽器過流量顯著提高，可見采取豎管的補水調(diào)壓措施后，影響循環(huán)水系統(tǒng)水力安全的幾個參數(shù)得到有效控制。

由表3～表4可知，凝汽器出口最大內(nèi)水壓力為48.7 mH2O(即溢流水位)。在水力過渡過程中，補水豎管內(nèi)的水位會產(chǎn)生較大波動(最高值達48.7 m)，考慮一定的安全超高，可選取補水豎管頂標高50 m。

4 結(jié)論

1)一旦發(fā)生“一機兩泵并聯(lián)運行，同時事故全失電”的工況，泵出口控制閥門全拒動時，設(shè)計條件下，凝汽器頂排冷凝管處必然出現(xiàn)液體氣化現(xiàn)象。凝汽器出現(xiàn)明顯的失水及冷凝水倒流狀態(tài)；前池水位越高最大內(nèi)水壓力值越大，但均小于管道試驗壓力；前池水位越高，循泵最大反轉(zhuǎn)速越小，均滿足規(guī)范要求。

2)一旦發(fā)生“一機兩泵并聯(lián)運行，同時事故全失電”的工況，調(diào)節(jié)循泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律，采用兩段關(guān)閉規(guī)律時，循泵出口節(jié)點最大、最小壓力、循泵反轉(zhuǎn)速等控制參數(shù)均較容易滿足安全要求，但凝汽器出口最小負壓仍很難滿足安全要求，可見循泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律的變化對凝汽器出口節(jié)點最小內(nèi)水壓力影響很小。

3)凝汽器出口采取調(diào)壓防護措施后，選擇不同水泵出口閥關(guān)閉規(guī)律，凝汽器出口節(jié)點最小壓力均在設(shè)計范圍內(nèi)，不會發(fā)生“液柱分離”現(xiàn)象，對凝汽器負壓水錘具有顯著改善作用；循泵反轉(zhuǎn)速幅值得到明顯減小，循泵出口最小內(nèi)水壓力、凝汽器過流量顯著提高，影響循環(huán)水系統(tǒng)水力安全的幾個參數(shù)得到有效控制。

4)凝汽器出口出現(xiàn)負壓時，可能產(chǎn)生很高的“液柱分離—彌合水錘”現(xiàn)象，將沖擊凝汽器管道導致?lián)p壞事故發(fā)生。為了控制凝汽器出口處的最小內(nèi)水壓力，對于循泵事故斷電過渡過程工況，不但需要采取循泵出口閥門按最優(yōu)規(guī)律關(guān)閉的運行防護措施，通常還需針對具體工程預(yù)先考慮有效的防護措施。這樣既可以保證凝汽器設(shè)備的水力安全，又有利于汽輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。