（東南大學 能源與環(huán)境學院，南京 210096）

0 引言

大型火電廠冷卻水系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)安全。

為抑制水錘，人們提出注水穩(wěn)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(jié)閥門關閉歷時等措施［4-6］。其中，閥門調節(jié)技術成熟且成本低廉，現已廣泛應用［7-13］。閥門調節(jié)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(tǒng)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(huán)冷卻水系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)安全性的影響，指出可以通過優(yōu)化快關時間與快關角度的方法，提高管路系統(tǒng)安全性。

圖1 某電廠600 MW機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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(xù)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(xù)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(huán)冷卻水系統(tǒng)為直流式供水系統(tǒng)。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(tǒng)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(yōu)化快關時間與快關角度，提升管路系統(tǒng)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(xù)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(yōu)化分析

利用快關時間與角度影響差異優(yōu)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(yōu)化后的快關時間9 s，快關角度35°。優(yōu)化前后計算結果見表3。

表3 優(yōu)化前后安全性指標計算結果

相比于初始關閥策略，優(yōu)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(tǒng)安全性提升。優(yōu)化策略能有效發(fā)揮閥門調節(jié)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(tǒng)安全性的目的。