循環(huán)水系統水錘計算分析及防護措施

第31卷第2期紅水河Vol.31 ,No.22012年4月HongShui RiverApr.2012循環(huán)水系統水錘計算分析及防護措施湯海頻(廣西電力工業(yè)勘察設計研究院,廣西南寧530023)摘要:根據某電廠(chǎng) 循環(huán)水系統設備選型和管道布置情況,通過(guò)數學(xué)模型模椒計算,求出不同運行工況的管道沿程最高壓力、某些特定斷面不同時(shí)刻的水力要素等,提出系房和輸水管道可采用的水錘防護措施,在工程設計中付諸實(shí)施。關(guān)鍵詞:循環(huán)水系統;水錘模擬計算;通氣閥;雙向調壓塔中圖分類(lèi)號:TM621.9文獻標識碼:B文章編號:1001- -408X( 2012 )02 0029-051引言循環(huán)水泵房?jì)葟溅?2.0 m,運行層高程89.0m,水泵層高程47.60 m,泵房深41.40 m。泵房安裝4臺某電廠(chǎng)直流循環(huán)水系統,河水由循環(huán)水泵提升、YJC56- -21型直聯(lián)立式蝸殼離心水泵(流量Q=5.20循環(huán)水管道輸送冷卻水至凝汽器及輔機冷卻器,通m2/s, 揚程H= 35.50 m,轉速n= 370 r/min,比轉速n過(guò)自流管(溝)道接人虹吸井。廠(chǎng)區外循環(huán)水管距離= 212， 額定轉矩Mk= 5404 kg.m), 配套YK-長(cháng)、敷設區域地形起伏較大，輸水管道主要采用SL2500-16/2150- -1型電動(dòng)機(功率N= 2500kW,轉DN2400、每根長(cháng)度4.0 m的預應力鋼筋混凝土管，速n= 372 r/min,轉動(dòng)慣量CD = 2316 kg* m2)。管道接頭達數百個(gè),管道接頭存在脫出隱患。在設循環(huán)水泵和凝汽器進(jìn)、出水管道采用D1820x計時(shí)應考慮采取有效的防范措施減少、避免水錘對10焊接鋼管。廠(chǎng)區內除主廠(chǎng)房附近循環(huán)水管采用循環(huán)水系統的影響,確保安全運行。D2440x 14焊接鋼管,單根長(cháng)約160 m,二根管道平-般情況下以停泵水錘對設備和輸水管道安全行敷設管底設中粗砂墊層;廠(chǎng)區內其余部分和廠(chǎng)區的威脅最為嚴重,停泵水錘是水錘現象中的一-種,指外循環(huán)水管采用DN2400預應力鋼筋混凝土管(管水泵因突然斷電或其他原因而造成的開(kāi)閥狀態(tài)下突芯纏絲工藝),單根長(cháng)約1 500m,二根管道平行敷然停機時(shí),在水泵及輸水管道系統中,因流速突然變設管底設混凝土管座,轉角處設混凝土鎮墩。循環(huán)化而引起的一系列急 劇的壓力交替升降的水力沖擊水管道平面布置見(jiàn)圖1?，F象。停泵水錘值的大小與泵房中水泵參數和輸水循環(huán)水管道縱向布置見(jiàn)圖2。管道布置(尤其是垂直方向)的具體情況有關(guān)。據文獻介紹,可能產(chǎn)生水錘的技術(shù)條件基礎值與本工程實(shí)際值對比見(jiàn)表1。2水錘計算的數學(xué)模型2.1循環(huán)水系統概況表1可能產(chǎn)生水錘的技術(shù)條件基礎值與工程實(shí)際值對比表電廠(chǎng)循環(huán)冷卻采用擴大單元制直流供水系統,2管道縱向總揚程.爭揚程 管道長(cháng)度管道流速臺機組配備4臺循環(huán)水泵、2根循環(huán)水壓力進(jìn)水管，布置情況有無(wú)“駝熱季運行工況為一臺機組配二臺循環(huán)水泵,冷季運基礎值峰“或"膝在30m在20m大于大于2-行工況為二臺機組配三臺循環(huán)水泵。取水河段頻率以上.以」500m2.5 m/s .部"狀升高p= 1%設計洪水位88.02 m,保證率P= 97%枯水位51.36 m,全年平均水位59.20 m。頻率P= 1%設計洪中國煤化工16601.64-2.11 m/sY片CNM H Gl水位與保證率P= 97%枯水位的差值為36.66 m。收稿日期:2011-12- 28;修回日期:2012 -01-31作者簡(jiǎn)介:湯海頻(1963-),男,廣西桂林人,工程師,主要從事給水排水工程設計,E-mail:ngbp@gxed.com.29紅水河2012年第2期循環(huán)水泵一號機組凝汽器. 號機組虹吸井同聚一Od聯(lián)絡(luò )閥門(mén)輸水管道道-Onn[綬閉止回蝶閥二號機組凝汽器二號機組虹吸井圖1循環(huán)水管道平面布置圖100.0凝汽器.90.0^80.0虹吸井70.060.050.0-200300800013001800管長(cháng)度/m圈2循環(huán)水管道縱向布置圖2.2計算內容與技術(shù)要求_gdH dV+ f創(chuàng )川=(對循環(huán)水系統在開(kāi)泵、停泵過(guò)程中其水力過(guò)渡_.adt"dt2D{c(2)過(guò)程進(jìn)行數學(xué)模擬計算,通過(guò)給定初始條件和邊界條件,采用國內外長(cháng)期研究并相對成熟的特征線(xiàn)方由式(1)和(2)進(jìn)行有限差分近似，可以得到對法進(jìn)行數值模擬計算,通過(guò)建立管內非恒定流動(dòng)的應 于圖3所示的水錘離散特征線(xiàn)方程。微分方程及各類(lèi)復雜的邊界條件方程并求解,求出各種運行1況水泵開(kāi)停機,尤其是事故停泵水力過(guò)渡過(guò)程的數值解,為循環(huán)水系統采取的水錘防護措施提供依據。2Ot2.3水錘計算的特征線(xiàn)法POt水錘基本方程是由運動(dòng)方程和連續性方程組成的雙曲型偏微分方程組。為了便于計算機編程計算,oxT 41N+1 x將該偏微分方程組離散化,為此,在特征線(xiàn)方向將它轉換為水錘全微分方程:中國煤化工網(wǎng)格田g州.dV + flvl_ olJHCNM H G_7dt”dt售2DC'(1)H-HA-(-(2N+DAUQ |=0(3)gAdudx_=+a30_湯海頻:循環(huán)水系統水錘計算分析及防護措施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 |。圖4調壓塔邊界條件示意圖2.4建 立邊界條件模擬計算共建立了停泵水錘的水泵端邊界條件3水錘計算結果及分析(包括單泵和兩泵并聯(lián))、水柱分離邊界條件、管道分根據初始條件和建立邊界條件,用特征線(xiàn)法求支和匯流節點(diǎn)邊界條件凝汽器的邊界條件、通氣閥解 ,計算分析結果如下。邊界條件單向調壓水箱邊界條件、調壓塔邊界條3.1 事故斷電停泵工況件,由于篇幅有限,這里只介紹調壓塔邊界條件。不同河道水位與運行工況下停泵時(shí)管道及凝汽調壓塔是一種緩沖式水錘防護措施，可以防止器中的最大壓力計算結果見(jiàn)表2,當河道水位較高管路中出現水柱分離,減低管路中的壓力升高。裝設時(shí)，管道及凝汽器中產(chǎn)生的壓力升高比河道水位低調壓塔后,其下游的管道不會(huì )產(chǎn)生壓力升高,只需考產(chǎn)生的壓力升高小。這是由于河道水位低時(shí).停泵后慮井與泵之間水錘問(wèn)題,因此,塔布置在靠近水泵產(chǎn)生的管道負壓大， 出現管道中的水柱分離現象,在側,特別適合于大流量、低揚程的循環(huán)水系統。停泵的水力過(guò)渡中,水柱彌合時(shí)水柱的動(dòng)能大,壓力調壓塔如圖4所示,對于流人塔內的流量為正:升高也大。.Qxs=CAp V2g(H,-H2)(7)表2不同運行工況停泵管路中不同部位的最大壓力表對于塔流出的流量為負:運行工況河道水位凝汽器最大壓力| 管道最大壓力(Q=-CaAp V2g(Hx-H,)(8)mMPa式中Ce,Ap分別為調壓塔與輸水管連接管流量系數51.361.5892.21759.202.6411.654與面積,g為重力加速度。由連續原理得:-機兩泵88.02 .0.5820.195Q,m=Q2+Qs .(9)調壓塔內水柱按剛性水柱運行處理有: .計算結果表明,如果不考慮水錘防護揩施,河道Ha+Hz-2z-(S.+S)-- DPzQlQzl=-F5,(Q%rQz)6S水位較低時(shí)停泵將造成循環(huán)水系統破壞。(10)3.2增設通氣閥后事故斷電停泵工況式中5, F, D,分別為調壓塔的摩阻系數、面積和直由于廠(chǎng)區外循環(huán)水管距離長(cháng)、沿線(xiàn)地形起伏也徑,下標中不含p表示為時(shí)間間隔A t前的值。較為復雜,在管道的高點(diǎn)處設復合式通氣閥。該閥既可以將管道中的空氣排出，又可在停泵引起管道壓管道的特征方程為:力降中國煤化工午道通氣閥布置位H,=Cq-ByQnu(11)置見(jiàn)HCNMHGH,=B2Qx-Cna(12)增改翅氣閥石事改停來(lái)時(shí)官道壓力降低較多,式(7)至式(12)等5個(gè)獨立方程中含5個(gè)未知大部分管道的壓力升高低于0.196 MPa,凝汽器壓力數,可進(jìn)行求解從而得調壓塔的邊界條件解。升高為0.049 MPa,但在泵出口至管道的第-一個(gè)凸點(diǎn)3紅水河2012年第2期段內壓力升高0.687 MPa,對水泵和管道的安全仍會(huì )調壓塔是水錘防護的簡(jiǎn)單有效措施，在很多低產(chǎn)生威脅。.揚程系統中使用。管道通氣閥與調壓塔布置位置見(jiàn)3.3 增設通氣閥和調壓塔后事故斷電停泵工況圖6。00「95 t)0 t35 t30 t「一-管線(xiàn)●.通氣閥出0h50500100015002000長(cháng)度坐標/m圖5管道通氣閥布置位置圖1009590.8Mr人一管線(xiàn)▲調壓塔●通氣閥田7570~0圖6 管道通氣閥與調壓塔布置位置圖增設通氣閥和調壓塔后事故停泵時(shí)，管道壓力壓勵,有效地避免或降低水錘風(fēng)險。進(jìn)-步降低,所有管道的壓力升高低于0.147 MPa,在電源關(guān)閉前關(guān)閥動(dòng)作不同，將對管道造成不凝汽器壓力升高為0.012 MPa,整個(gè)系統是安全的。同影響，推薦關(guān)閉水泵電源前應將其出口閥關(guān)閉70° ,關(guān)閥時(shí)間不小于10 s,電源關(guān)閉后關(guān)閥時(shí)間不3.4分析從事故斷電停泵工況水錘計算結果表明，河道少于40s。計算結果表明凝汽器在水力過(guò)渡中未出現失水現象。水位較低時(shí)循環(huán)水系統在水力瞬變過(guò)程中,管道中采用上述防護措施后，在不同運行工況水力瞬出現水柱分離后彌合現象,使管道壓力升高過(guò)大,存變過(guò)渡中，循環(huán)水系統事故停泵的最大水錘壓力均在破裂或接頭脫出的危險。小于0.60 MPa,可以保證安全運行。在管道的高點(diǎn)處增設復合式通氣閥，對事故停4結語(yǔ)泵時(shí)管道壓力降低最為顯著(zhù)，雖然水泵出口段管道中國煤化工壓力升高值仍較大,但依然是首選的防護措施。MYHCNMHG泡括水泵出口液控增設調壓塔，對水泵出口段管道壓力升高值較止回術(shù)內僅T并功術(shù)重心丌網(wǎng)和關(guān)閥程序、增設復大作用顯著(zhù)，調壓塔將隨著(zhù)管道中的壓力變化向管合式通氣閥(口徑不小于200 mm)和非溢流式雙向道補水或接納管道中的水，從而泄放管道中的過(guò)高調壓塔。方數據.湯海頻:循環(huán)水系統水錘計算分析及防護措施雙向調壓塔為垂直管狀構筑物，可直接采用鋼落的水流將沖刷下部基礎周?chē)耐寥?甚至造成調管鋼結構或鋼筋混凝士結構,具有結構簡(jiǎn)單施工方壓塔傾覆倒塌的嚴重后果。便、防護可靠等優(yōu)點(diǎn)。但在管道水力過(guò)渡過(guò)程中,因塔該工程設計的非溢流式雙向調壓塔為圓筒形現內水位隨管道壓力自由變化,有可能出現溢水和進(jìn)氣澆鋼筋混凝土結構,圓筒內空直徑為φ250 m,塔底現象,要消除這種現象,可將調壓塔改為節流式,即調標高為80.60 m,塔頂標高為109.0 m,設有遠傳式液位壓塔與千管的連接管直徑小于前兩者的直徑。計。調壓塔與干管的連接管為D1020 x 10焊接鋼管。連接管直徑一般為干管直徑的1/4~ 1/2倍;調壓塔直徑-般為干管直徑的1~ 1.5倍,干管較長(cháng)時(shí)參考文獻:取大值。非溢流式雙向調壓塔的水面高度應高于輸[1] 金錐,姜乃昌,汪興華,關(guān)興旺.停泵水錘及其防護(第水管道終點(diǎn)的水面高度并考慮沿管道的水頭損失和二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.300 - 301.安全超高，實(shí)際運行過(guò)程中調壓塔出現溢水,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頁(yè))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中國煤化工: 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