何文潔，裴育峰，郭曉克，于鳳新，趙宏鵬

（東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021）

在大容量高參數(shù)發(fā)電機(jī)組中，汽機(jī)跳閘時(shí)將快速關(guān)閉主蒸汽及再熱蒸汽閥門，此時(shí)在主蒸汽管道及再熱熱段蒸汽管道中出現(xiàn)壓力升高，在再熱冷段蒸汽管道中出現(xiàn)壓力降低，產(chǎn)生軸向不平衡力，沖擊管系，即產(chǎn)生汽錘現(xiàn)象。汽錘力荷載屬于沖擊荷載，雖然其作用時(shí)間較短，但瞬時(shí)沖擊力可能達(dá)到很大的數(shù)值，對(duì)管系可造成比較嚴(yán)重的破壞，必須加以防范。隨著機(jī)組參數(shù)越來(lái)越高，容量越來(lái)越大，主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道、低溫再熱蒸汽管道（以下簡(jiǎn)稱三大管道）的汽錘現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，因此在設(shè)計(jì)中對(duì)火力發(fā)電廠的三大管道進(jìn)行汽錘分析是非常必要的。

管道汽錘的計(jì)算方法及計(jì)算軟件有很多，常規(guī)的汽錘分析方法有如下幾種：來(lái)源于美國(guó)SARGENT－LUNDY公司的簡(jiǎn)化算法［1］；利用 AFT IMPULSE軟件計(jì)算；利用PIPENET軟件計(jì)算［2］。目前的情況是不同單位采用不同的計(jì)算方法，由于計(jì)算原理及方法不同使計(jì)算結(jié)果相差較大，導(dǎo)致現(xiàn)階段汽錘分析的混亂狀況。本文采用數(shù)模試驗(yàn)的方法對(duì)汽錘的影響因素進(jìn)行分析，力求找到更適合工程設(shè)計(jì)、更符合實(shí)際情況的汽錘計(jì)算方法。

1 汽錘影響因素分析

本文采用數(shù)模試驗(yàn)對(duì)汽錘的影響因素進(jìn)行分析，主要是比較閥門關(guān)閉的瞬態(tài)工況與正常運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)工況時(shí)的管道內(nèi)壓力的變化。由于汽錘發(fā)生時(shí)管道中的流動(dòng)屬于具有復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域的高雷諾數(shù)湍流運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，因此數(shù)模試驗(yàn)對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化和合理的假設(shè)。數(shù)模試驗(yàn)的邊界條件主要是假定在閥門關(guān)閉過(guò)程中管道的進(jìn)出口為恒定壓力，且假設(shè)管道與外部環(huán)境絕熱；采用的基本方程為：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和k－ε方程；流場(chǎng)分析利用FLUENT軟件進(jìn)行。以某600MW級(jí)工程的主蒸汽管道為基礎(chǔ)，建立汽錘研究的數(shù)學(xué)模型，并重點(diǎn)觀察在不同條件下，主汽門突然關(guān)閉后管道內(nèi)的壓力變化，通過(guò)壓差進(jìn)一步求取不平衡力。

1.1 管道汽錘的持續(xù)時(shí)間

在確定的閥門關(guān)閉時(shí)間（t＝0.15s）下，主汽門前壓力變化隨時(shí)間延續(xù)情況見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出：主汽門前的管道壓力幾乎在閥門完全關(guān)閉的瞬間達(dá)到最大值，在峰值到管內(nèi)壓力趨于平衡的時(shí)段內(nèi)，管道內(nèi)的壓力始終是沿介質(zhì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)方向升高。閥前壓力驟升至最大值后隨時(shí)間迅速衰減，并在閥門關(guān)閉后的0.6s左右趨于穩(wěn)定。

圖1 主汽門前壓力隨時(shí)間變化情況

1.2 管道汽錘力與主汽門關(guān)閉時(shí)間的關(guān)系

數(shù)模試驗(yàn)的結(jié)果顯示，閥門關(guān)閉瞬間主汽門前壓力顯著升高。閥門關(guān)閉時(shí)間為0.3s時(shí)，主汽門前瞬間壓力較設(shè)計(jì)壓力升高12.24%；閥門關(guān)閉時(shí)間為0.2s時(shí)，瞬間壓力升高16.11%；閥門關(guān)閉時(shí)間為0.1s時(shí)，瞬間壓力升高22.68%。

取主蒸汽管道上一典型的直段在不同關(guān)閉時(shí)間下所受到的最大不平衡力進(jìn)行對(duì)比，管內(nèi)橫截面積為0.142m2汽錘力與主汽門關(guān)閉時(shí)間關(guān)系見(jiàn)表1。

由于閥前絕對(duì)壓力隨關(guān)閥時(shí)間縮短而顯著升高，管段的壓差也是隨關(guān)閥時(shí)間縮短而增大的，因此汽錘力隨關(guān)閥時(shí)間縮短而增大，近似成反比。

1.3 管道汽錘力與機(jī)組參數(shù)的關(guān)系

為了驗(yàn)證管道汽錘力與介質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，數(shù)模試驗(yàn)以某工程主蒸汽管道走向?yàn)榛A(chǔ)，參數(shù)和管道規(guī)格分別按300MW亞臨界機(jī)組和350MW超臨界機(jī)組的數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，以獲得符合工程實(shí)際的汽錘力數(shù)據(jù)。以主汽門關(guān)閉時(shí)間0.15s、同一直管段為例，通過(guò)數(shù)模試驗(yàn)獲得兩種機(jī)組的壓差數(shù)據(jù)，求取不平衡力即汽錘力，機(jī)組參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

300MW亞臨界機(jī)組和350 MW超臨界機(jī)組的質(zhì)量流量、流速基本相同，但管道規(guī)格和介質(zhì)密度不同，300MW亞臨界機(jī)組密度小，其體積流量大，因此管徑大。根據(jù)數(shù)模試驗(yàn)結(jié)果，在閥門關(guān)閉的瞬態(tài)工況兩機(jī)組的管道壓差基本相同，而300MW亞臨界機(jī)組管徑大，因此其汽錘力要略大。從表2可以看出，汽錘力的大小基本上是與體積流量成正比的，在相同的質(zhì)量流量下，介質(zhì)密度越小，體積流量越大，其汽錘力也越大；因此，對(duì)于相同容量的機(jī)組而言，亞臨界機(jī)組的汽錘力反而要比超臨界或超超臨界機(jī)組要大。

表2 不同參數(shù)機(jī)組的汽錘力對(duì)照

1.4 管道汽錘力與流速（管道規(guī)格）的關(guān)系

管道規(guī)格對(duì)流場(chǎng)的影響，主要體現(xiàn)在流速上，當(dāng)入口流量一定時(shí)，流速與管徑的平方成反比，所以研究管徑規(guī)格對(duì)流場(chǎng)的影響，可以認(rèn)為是流速對(duì)流場(chǎng)的影響，本節(jié)所提到的管徑數(shù)據(jù)均為管道內(nèi)徑。

在進(jìn)行流速對(duì)汽錘力影響的研究時(shí)，前提是質(zhì)量流量、蒸汽參數(shù)不變，僅改變管徑以改變流速。以閥門關(guān)閉時(shí)間為0.15s為例，主汽門前壓力變化見(jiàn)圖2。

圖2 主氣門前壓力變化與管道規(guī)格關(guān)系

由圖2可見(jiàn)，內(nèi)徑為377mm時(shí)，主汽門前壓力較設(shè)計(jì)壓力升高9.57%，內(nèi)徑為305mm時(shí)，壓力升高18.51%，內(nèi)徑為249 mm 時(shí)，壓力升高33.19%。

對(duì)應(yīng)同一直管段，在質(zhì)量流量不變情況下，當(dāng)管道內(nèi)徑變化時(shí)，直段前后壓差及所產(chǎn)生的汽錘力見(jiàn)表3。

表3 汽錘力與管道規(guī)格關(guān)系

從表3可見(jiàn)，質(zhì)量流量不變情況下，隨著內(nèi)徑的遞減，雖然截面積相應(yīng)遞減，但流速升高，對(duì)汽錘力的綜合影響因素，流速占了上峰，從而引起高流速管道的較高汽錘力，即汽錘力隨著流速的增大而增大。

1.5 管道汽錘力與流量（機(jī)組容量）的關(guān)系

為了模擬出不同機(jī)組容量對(duì)管道汽錘力的影響，對(duì)4種不同規(guī)模機(jī)組進(jìn)行模擬試驗(yàn)：350MW超臨界機(jī)組、660MW超臨界機(jī)組、600MW超超臨界機(jī)組、1000MW超超臨界機(jī)組。在進(jìn)行機(jī)組規(guī)格對(duì)流場(chǎng)影響的研究時(shí)，仍然采用先計(jì)算穩(wěn)態(tài)、再在穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的方法，閥門關(guān)閉時(shí)間為0.15s。主汽門前壓力變化見(jiàn)圖3。

圖3 主汽門前壓力變化與機(jī)組容量關(guān)系

靠近主汽門的各部位壓力變化趨勢(shì)與圖3基本一致，隨著管道靠近鍋爐，壓力變化逐漸緩和。

為簡(jiǎn)化模型數(shù)量，仍以某工程主蒸汽管道走向?yàn)榛A(chǔ)，分別按照不同機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)和管道規(guī)格進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，以獲得汽錘力數(shù)據(jù)。仍以主汽門關(guān)閉時(shí)間0.15s、同一直管段為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得不同機(jī)組規(guī)模的壓差數(shù)據(jù)，求取不平衡力即汽錘力，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 汽錘力與機(jī)組容量關(guān)系

表4給出了不同規(guī)模機(jī)組相同長(zhǎng)度直管段上所受不平衡力的數(shù)據(jù)，可以看出，1000MW機(jī)組主蒸汽管道的汽錘力為350 MW 機(jī)組的1.9倍，600 MW機(jī)組為350MW機(jī)組的2.7倍，660MW機(jī)組為350MW機(jī)組的3.8倍；因此，機(jī)組容量越大，汽錘力越大，對(duì)管系的影響越大。1000 MW機(jī)組由于是雙管，故其汽錘力小于600 MW機(jī)組，僅相當(dāng)于500MW等級(jí)機(jī)組。管道內(nèi)的質(zhì)量流量越大，汽錘力越大，且汽錘力與流量的平方近似成正比。

1.6 管道汽錘力與管道長(zhǎng)度的關(guān)系

在前面簡(jiǎn)化的某工程主蒸汽管道模型基礎(chǔ)上，分別取暫態(tài)工況下相鄰兩個(gè)彎頭或三通處的壓力，得到該直管段前后的壓差。為了觀察直段長(zhǎng)度與汽錘力的關(guān)系，研究單位管道長(zhǎng)度上的壓差，而不計(jì)入管內(nèi)面積。數(shù)模試驗(yàn)結(jié)果顯示，單位長(zhǎng)度壓差基本集中在平均值22kPa／m左右，說(shuō)明壓差和長(zhǎng)度基本成正比關(guān)系，即汽錘力與管道長(zhǎng)度成正比。

2 汽錘對(duì)不同蒸汽管道的影響

以600MW級(jí)的某工程為例，主蒸汽門和再熱汽門關(guān)閉時(shí)間在0.15s，對(duì)三大管道進(jìn)行汽錘分析。數(shù)模試驗(yàn)的結(jié)果顯示，在閥門關(guān)閉瞬間，主蒸汽管道的閥前壓力較穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力升高的最大升幅達(dá)到19%。高溫再熱蒸汽管道的趨勢(shì)與主蒸汽管道相同，但在發(fā)生汽錘時(shí)最大壓力升幅達(dá)到35%，壓力升高的幅度要大于主蒸汽管道。

對(duì)于低溫再熱蒸汽管道，隨著閥門的關(guān)閉，閥后的壓力降低，閥門完全關(guān)閉時(shí)閥后壓力最小，越靠近閥門處壓力越小，在完全關(guān)閉后延時(shí)0.35s恢復(fù)正常，到0.6s時(shí)各彎頭壓力趨于一致即達(dá)到穩(wěn)定的壓力值。閥門關(guān)閉瞬間低溫再熱蒸汽管道的壓力相比穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)降低，最大降幅在7.6%，相比高溫再熱蒸汽管道，汽錘發(fā)生時(shí)的壓力變化比較小。

由于主蒸汽管道壓力高，加上瞬間壓力變化較大，因此主蒸汽管道在閥門關(guān)閉瞬間產(chǎn)生的汽錘力很大。由于高溫再熱蒸汽管道的瞬間壓力變化是低溫再熱蒸汽管道的4.6倍，因此高溫再熱蒸汽管道的汽錘力要遠(yuǎn)大于低溫再熱蒸汽管道的汽錘力。

通過(guò)數(shù)模試驗(yàn)分析得出，再熱冷段蒸汽管道的汽錘力較小，對(duì)于管系的影響也較小，因此在工程設(shè)計(jì)中，再熱冷段蒸汽管道可以不考慮汽錘的影響。而對(duì)于600MW及以上容量機(jī)組的主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道，則必須考慮汽錘力的影響。

3 動(dòng)態(tài)荷載的工況組合

火力發(fā)電廠汽水管道動(dòng)態(tài)荷載一般有如下4種［3］：安全閥和釋放閥的排汽反力；汽／水錘力；地震荷載；風(fēng)荷載。設(shè)計(jì)中不考慮地震荷載與風(fēng)荷載同時(shí)出現(xiàn)的工況。鍋爐安全閥和釋放閥的釋放決定于鍋爐壓力，由于汽錘發(fā)生的時(shí)間很短，在閥門關(guān)閉后0.6s就已穩(wěn)定，因此發(fā)生汽錘時(shí)，鍋爐安全閥和釋放閥一般是不起跳的，因此，電廠設(shè)計(jì)中可不考慮鍋爐安全閥和釋放閥的排汽反力與汽／水錘力同時(shí)作用的工況。由于安全閥和釋放閥排汽反力的方向是垂直于管道軸線的，而汽／水錘力的方向是平行管道軸線的，兩者方向不同，對(duì)管系的影響不會(huì)疊加，因此，在管道動(dòng)態(tài)分析時(shí)，可以把安全閥和釋放閥排汽反力與汽／水錘力作為偶然荷載同時(shí)輸入。動(dòng)態(tài)荷載的工況組合就有以下2種：安全閥和釋放閥的排汽反力＋汽／水錘力＋地震荷載；安全閥和釋放閥的排汽反力＋汽／水錘力＋風(fēng)荷載。

4 控制動(dòng)態(tài)荷載危害的措施

出于汽輪機(jī)調(diào)控的要求，閥門的關(guān)閉時(shí)間必然很短，汽錘力的產(chǎn)生無(wú)法消除；而地震和風(fēng)是自然現(xiàn)象，故也是無(wú)法避免的。汽錘力有垂直方向和水平方向的力，而地震荷載和風(fēng)荷載主要表現(xiàn)為水平力。為了減輕汽錘力、地震荷載、風(fēng)荷載這些偶然荷載的破壞，需增加管道剛性。一般說(shuō)來(lái)，在豎直方向，管道上普遍有剛性的支吊架，管道剛性較高；在水平方向，水平限位的數(shù)量較少，管道剛性較低。為了抵御汽錘力、地震荷載、風(fēng)荷載這些偶然荷載，可以考慮在管道上增設(shè)水平限位支吊架或阻尼器。限位支吊架既承擔(dān)熱脹力，也承擔(dān)汽錘力等偶然荷載，而阻尼器只承擔(dān)偶然荷載，故限位支吊架對(duì)管系的穩(wěn)定作用更大，因此在管道上應(yīng)盡量設(shè)置限位支吊架，在承擔(dān)熱脹力的同時(shí)，也承擔(dān)汽錘力、地震力、風(fēng)荷載、安全閥排汽反力等偶然荷載；對(duì)無(wú)法設(shè)置限位支吊架且有偶然荷載的管道上，可以考慮設(shè)置阻尼器。

汽錘力的方向是沿管道軸向的，因此限制汽錘力最好是能沿管道軸向給以約束。地震荷載和風(fēng)荷載是水平方向的，因此對(duì)管道水平各方向均應(yīng)加以約束。通過(guò)增加限位支架或者阻尼器，能夠有效降低各種動(dòng)態(tài)荷載對(duì)管系的破壞作用，達(dá)到應(yīng)力合格。

5 結(jié)論

a.管道汽錘分析的影響因素主要有：質(zhì)量流量、介質(zhì)密度、管段長(zhǎng)度、閥門關(guān)閉時(shí)間、管道流速。汽錘力隨質(zhì)量流量、管段長(zhǎng)度、管道流速的增加而增大，隨閥門關(guān)閉時(shí)間、介質(zhì)密度的增加而減小。

b.由于汽錘響應(yīng)時(shí)間很短，邊界條件假定為進(jìn)出口壓力恒定更為合理，也更接近工程實(shí)際，在工程設(shè)計(jì)中推薦邊界條件假定為進(jìn)出口壓力恒定進(jìn)行管道汽錘分析。

c.600MW及以上容量機(jī)組的主蒸汽管道和再熱熱段蒸汽管道，在0.3s的閥門關(guān)閉時(shí)間內(nèi)，均應(yīng)進(jìn)行汽錘分析。

［1］陳國(guó)宇，蒸汽管道的汽錘暫態(tài)響應(yīng)及其荷載的簡(jiǎn)化分析原理［J］.熱機(jī)技術(shù)，2001，（2）：35－41.

［2］劉朝暉，管道內(nèi)流體瞬態(tài)分析及其在工程中的應(yīng)用［J］.熱機(jī)技術(shù)，2003，（4）：22－26.

［3］DL／T 5366—2006，火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程 ［S］.