【摘要】簡述采用直流供水系統的火力發電廠循環水系統水錘計算的重要性，并結合某火力發電廠實例，簡單介紹電廠循環水系統水錘計算的內容和過程，以簡單的措施，提高了循環水系統抗水錘的安全性，保證電廠的安全運行，同時節約了投資。
　　【關鍵詞】電廠；直流供水系統；循環水系統；水錘計算；通氣閥；調壓水箱
　　1循環水系統水錘計算的重要性
　　部分火力發電廠采用直流供水系統，冷卻水源為河水，從河邊取水口取水后經過循環水泵升壓，經壓力循環水管送到電廠主廠房內的凝汽器及其它輔機作冷卻水，經過熱交換后的冷卻水排水通過循環水排水管、溝匯到循環水排水口，最終排回河道。由于征地、地形、地質、燃料運輸或其它因素的限制，有些火力發電廠無法緊靠水源地布置，取水泵房距離主廠房較遠，循環水壓力管較長。由于以河水為水源，而江河水位豐、枯水季節水位變幅一般都比較大。電廠循環水量都很大，所以循環水泵都采用流量大的立式混流泵，由于這類電廠水位變幅大、循環水管道長，所以這類火電廠循環水泵具有額定揚程大、工作點變化大的特點。而這類電廠廠區外地形條件往往也較為復雜，所以廠區外循環水管線的標高也往往也起伏較大。
　　水錘破壞的主要表現形式為：水錘壓力過高，會引起水泵、凝汽器、閥門、管道破壞。水錘壓力過低，管道會因失穩而被破壞。水泵的反轉速度過高或水泵第一臨界轉速小于水泵最大允許連續轉速的1.4倍，以及突然停止水泵反轉過程或電動機再啟動，從而引起電動機轉子的永久變形、水泵機組的劇烈振動和聯軸器的斷裂。水泵倒流流量過大，引起管網壓力下降，水量減小，影響供水。
　　總之，此類電廠循環水系統存在著流量大、流速高、管線長、管徑大、管道標高起伏大等特點，循環水供水系統在運行中正常停泵或事故停泵，系統會出現水錘引起管路壓力瞬時升高、降低、水柱分離、汽化等非正常運行的不利水力條件，系統出現的水錘破壞性較大，這些可能造成循環水系統特別是凝汽器、循環水泵等主要設備的損壞，危及電廠的安全運行。所以，對循環水系統進行水錘計算分析意義重大。
　　2循環水系統水錘計算的內容
　　2.1循環水系統水錘計算的意義
　　通過循環水系統水錘計算，得出管線沿程最高壓力及最低壓力包絡線、水力參數的變化過程線，提出循環水泵與出口液控蝶閥的聯鎖控制方式及液控蝶閥的開（關）閥角度和相應時間、速度，提出循環水系統的水錘防護措施，并計算出管道系統中某些特定斷面不同時刻的水力要素，得出各種水力過渡過程狀態下，起停水泵及開關閥門所引起的水錘壓力、系統可供流量及水泵電機最大倒轉速等控制參數。
　　2.2最大的正壓水錘
　　最大水錘升壓一般發生在水泵事故斷電工況條件下水泵出口閥門處，且壓力的大小與水泵出口閥門的關閉規律密切相關，不同的關閉規律所引起的水錘壓力差別較大。
　　2.3最大的負壓水錘
　　當運行水泵事故斷電時，運行中的水泵轉速急劇下降乃至反轉，管道中水流倒流，其隆起點將產生負壓。由于凝汽器頂部是系統中的最高點，因此，首先在凝汽器頂部產生負壓值增大，當此壓力降到在該溫度下的汽化壓力時，產生汽穴空腔，造成水柱分離。故要求根據計算的最大水錘壓力，確定是否采取適當的水錘防護措施，以防在凝汽器頂部產生水柱分離后的彌合水錘升壓，并可能導致凝汽器破壞事故，其彌合水錘波傳至水泵出口，則在水泵出口閥門前產生較高的水錘升壓。
　　2.4水泵機組倒轉轉速及歷時過程
　　水泵事故斷電后，由于水泵出口閥門不可能立即關閉完畢，所以將產生倒流，水泵葉輪轉速逐漸降為零，然后在倒流作用下發生倒轉。若水泵出口閥門關閉得較慢或出口閥未按預定的規律關閉，發生倒流時間越長，則可能導致較高的水泵倒轉轉速。若此倒轉轉速過大將會會造成水泵機組損壞。
　　3循環水系統水錘計算的邊界條件
　　為了研究循環水供水系統運行過程中可能出現的各種水錘問題，并采取切實可行的措施進行水錘防護，可采用特征線方法進行數值模擬分析，通過建立管內非恒定流動的微分方程及各類復雜的邊界條件方程并求解，以獲得水泵開停機，尤其是事故停泵水力過渡過程的數值解，并為水錘防護措施的研究提供依據。
　　3.1停泵水錘計算的水泵端邊界條件
　　事故停泵水力過渡過程是引起水錘壓力變化的最主要原因，其水泵端邊界條件是由泵的壓頭平衡方程及機組慣性方程所組成的非線性方程組。
　　停泵水錘計算按以下各種邊界條件分別進行計算：單泵的邊界條件；兩泵并聯的邊界條件；水柱分離邊界條件；管道分支節點邊界條件；管道匯流節點邊界條件；凝汽器的邊界條件。
　　3.2水泵啟動的水泵端邊界條件
　　啟泵水錘計算按以下各種邊界條件分別進行計算：單泵啟動的邊界條件；一臺水泵正常運行時另一臺水泵啟動的邊界條件；一臺水泵突然失電、另外一臺泵立即起動的邊界條件。
　　3.3增加水水錘防護措施后的邊界條件
　　在循環水系統水錘防護中常采用增加進排氣閥、單向調壓水箱、調壓井(或塔)等措施，分別對增加這些措施的邊界條件進行計算：
　　（1）進排氣閥邊界條件，在循環水泵、凝汽器、循環水管上增加進排氣閥后的計算。
　　（2）單向調壓水箱邊界條件，在循環水管道上增加單向調壓水箱后的計算。單向調壓水箱是一種用于防止產生水柱分離的經濟可靠的防護措施,在水泵泵啟動過程中，管道壓力大于調壓水箱的壓力，管道中水向調壓水箱補水，補至設定水位后，水箱中的浮球閥關閉，停止補水。當水泵關停時，管道中的壓力降低低于水箱壓力時，水箱與管道的連接逆止閥打開，向管道補水。
　　（3）調壓井(或塔)邊界條件，在循環水管道上增加調壓井(或塔)后的計算。調壓井(或塔)是一種緩沖式水錘防護措施,可以防止管路中出現水柱分離,減低管路中的壓力升高。由于其結構簡單、安全可靠、易于維護等特點是水錘防護措施中常用的一種。裝設調壓井（或塔）后，其下游的管道不會產生壓力升高，只需考慮井與泵之間水錘問題，因此，井（或塔）安裝在靠近水泵側，特別適合于大流量低揚程的循環水系統。調壓井一般高度較低，而調壓塔一般高度很高，一些工程調壓塔高達到了約20m。
　　4循環水系統水錘計算實例
　　4.1電廠概況
　　某燃煤電廠規劃容量為4×600MW燃煤機組，一期工程建設2臺600MW國產超臨界燃煤發電機組。電廠位于城區東面、河流北岸（左岸），距城市中心約16km。廠址自然地面高程為45.5m～60.2m（黃海基面，下同），廠區范圍內大部分為小山包。電廠循環冷卻水以郁江水為水源，供水系統采用擴大單元制直流供水系統。本工程取水口、排水口處河段的水位特征值為：P=1%設計洪水位為47.36m，P=1‰設計洪水位為48.12m，P=97%設計枯水位為28.6m，多年平均水位為29.70m。
　　江邊循環水泵房內安裝4臺循環水泵，循環水泵為斜流泵（立式混流泵）。循環水干管支管采用DN3000預應力鋼筒混凝土管，主廠房內進出凝汽器的支管和循環水泵房水泵出水支管為DN2200鋼管。水泵房泵出口1#機與2#機兩根干管間設聯絡閥門。主廠房距離江邊循環水泵房較遠，循環水管單線長度約為2.10km，故循環水泵揚程均較高。廠區外循環水管沿線地形條件也較為復雜。
　　虹吸井堰上水位熱季為47.11m，冷季為46.97m。
　　4.2循環水系統的主要技術參數
　　4.2.1循環水泵主要性能參數：采用立式混流泵，水泵主要性能參數為Q=9.64m3/s、H=30.00m；循環水泵配套電動機主要性能參數3600kW、6kV、425rpm
　　4.2.2凝汽器主要性能參數：設計冷卻水量19.0m3/s，凝汽器水阻：<6.6m水柱，冷卻管規格250.5mm（外徑壁厚），總換熱面積為36000m2，單管有效長度為11.13m。
　　4.2.3循環水泵出口閥門主要性能參數
　　循環水泵出口閥門采用DN2200蓄能罐式液控止回蝶閥，廠家給出不同開度阻力系數，如表3-1所示。
　　表3-1液控蝶閥不同開啟角度的特性

                   
　　4.2計算結果及分析
　　4.2.1事故斷電停泵工況
　　在不設防護措施的情況下,循環水泵停泵,管路系統及水泵運行的參數變化計算結果可以得出：關閥停泵水泵出口壓力較不關閥停泵大，壓力最大的工況是一機兩泵運行工況，泵出口壓力達0.54MPa。管線最低壓力受關閥與否影響不大，管線中最低壓力都到了-0.2MPa,說明管線中一定出現水柱分離與汽化，管路中會發生負水錘，所以，循環水系統應增設防護措施，可加設通氣閥。
　　根據停泵時水泵參數的變化計算結果可得出：不關閥停泵水泵將發生倒轉，最大轉速接近水泵的額定轉速，這主要是由于河道水位較虹吸井水位低造成的，從計算結果看，停泵關閥與否對于管線系統的負壓改善不大，為此停泵時應使泵出口閥分階段關閉。關閥停泵管路系統的壓力在閥門全關后出現周期性壓力波振蕩，不關閥時泵出口壓力先降然后再漸升。
　　4.2.2增加防護措施后事故停泵不同運行工況計算結果
　　4.2.2.1增加通氣閥后的計算結果
　　為防止管路中發生負水錘，管路中應裝設通氣閥。通氣閥數量與大致位置如圖4-1示,通氣閥通氣孔口徑為DN300。
　　                      
　　圖4-1管路中裝設通氣閥位置示意圖
　　
　　增設通氣閥后關閥停泵計算結果可得出，河道水位較高時，水泵系統靜揚程減小，管路系統的水量較大，停泵引起的管路壓力波動也大。不同工況下管路中的水錘壓力見表4-1。

                         
　　                           表4-1不同運行工況停泵管路中不同部位的最大壓力
　　　　根據計算結果，水泵關閥停泵后水泵仍會發生倒轉，最大倒轉速不大于額定轉速的0.8倍。
　　裝設通氣閥后，管路系統停泵時,管路可安全過渡，但壓力升高較大。
　　4.2.2.2增設通氣閥與單向調壓水箱后的計算結果
　　增加通氣閥后管路的負壓力有所減緩,但管路壓力仍較大,為此可考慮將第三和五的通氣閥更換為單向調壓水箱，布置如圖4-2所示。單向調壓水箱結構如圖4-3所示。
　　                                   
　　圖4-2管路中裝設通氣閥與單向調壓水箱位置示意圖
　　
　　                   
　　                                                                               圖4-3單向調壓水箱結構圖
　　增設通氣閥與單向調壓水箱后，從計算結果可看出，河道水位較高時，水泵系統靜揚程減小，管路系統的水量較大，停泵引起的管路壓力波動也大。不同工況下管路中的水錘壓力見表4-2。
　　表4-2不同運行工況停泵管路中不同部位的最大壓力

                            
　　　　水泵關閥停泵后水泵仍會發生倒轉，最大倒轉速不大于額定轉速的0.8倍。
　　裝設通氣閥與單向調壓水箱后，管路系統停泵時，管道就可安全過渡了，管路最大壓力按0.35MPa考慮，凝汽器最大壓力按0.25MPa考慮。裝設通氣閥與單向調壓水箱后已滿足水錘防護的要求，不必再增設調壓井或調壓塔了。
　　4.2.3計算小結
　　由于單向調壓水箱為地面構筑物，布置在廠區外，距離廠區較遠，運行管理麻煩，單向調壓水箱、管道、閥門等容易遭受人為破壞，而且單向調壓水箱體積較大，相對通氣閥來說，投資較大。而管路中只設通氣閥時，雖然壓力升高較大，但管路系統停泵時,管路已能安全過渡，且通氣閥體積小，設備投資省，通氣閥布置在閥門井內（設防盜井蓋）即可防止遭受人為破壞，故綜合考慮，本工程推薦采用循環水管道設置通氣閥的方案，不設單向調壓水箱。
　　4.3其它運行過渡過程計算
　　4.3.1多臺泵運行其中1臺關閥停泵
　　本工程有多臺泵運行關閉其中1泵的運行的水力過渡過程，如3臺泵并連運行，關閉1臺；2臺泵運行關閉1臺。在這個過渡過程中,我們不僅應關注管路系統的壓力，更重要還應關注凝汽器的流量變化。避免發生失水現象，以影響汽輪機組的正常運行。
　　多泵運行關閉其中一臺泵時，如果直接關電源關閥停泵，被關泵會因無動力出口壓力突降，運行泵的部分水量將由停運泵流回至河道，使整個管路中壓力將有較大降低，管路中裝設有通氣閥，管路系統將被充氣。這樣會影響凝汽器換熱能力，在管路壓力恢復中，管路中空氣排出時，會造成較大壓力波動。所以，多泵運行關閉其中一臺時，應先將被關泵出口閥關閉或關至一定角度，然后再關電源停泵。
　　計算結果表明，在電源關閉前關閥動作不同，將對管路造成不同影響，推薦關閉水泵電源前應將其出口閥關閉70°，關閥時間不小于20秒，電源關閉后關閥時間不少于30秒。計算結果表明凝汽器在水力過渡中未出現失水現象。
　　4.3.2水泵的起動工況
　　水泵的起動工況有系統初開時的單泵起動，1臺泵已經運行再起動1臺及2臺泵已經運行再起動1臺的情況。計算結果表明，水泵起動過程中各參數過渡平穩。
　　水泵啟動水錘計算結果是在出水管已充滿水的情況下得出的。因此在循環水泵正常投運前應對出水管進行充水。根據有關文獻介紹，如果充水流速大于0.3~0.5m3/s，可能引發氣錘。故采用主泵對出水管直接充水有可能危及供水系統安全。
　　4.4計算結論
　　（1）恒定流計算結果表明，工程水泵選型和管材管徑選擇合適，管道布置合理，系統能安全正常運行。
　　（2）事故斷電工況水錘計算結果表明，系統在水力瞬變過程中，管路系統的正水錘壓力較小，存在負壓，并易引發負水錘，需在管路中增設通氣閥（可進氣和排氣），通氣閥的口徑為300mm。
　　（3）在不同運行水力瞬變過渡中，管路系統的最大水錘壓力均小于0.35MPa。
　　（4）系統在各運行工況下，水泵最大飛逸轉速均低于一倍額定轉速。循環水泵應能安全承受以1.2倍的額定轉速進行倒轉的要求。
　　（5）建議關閥時間為50s，關閥方式按20s快關70°、30s慢關20°的程序進行設定水泵關閥程序。在多泵運行要關閉其中一臺時，關閉水泵電源前應先關閉泵出口閥或先將出口閥關閉70°，關閥時間不小于20秒。
　　（6）各種水泵起動工況的水力過程可安全過渡，該結果是在出水管已充滿水的情況下得出的。所以循環水泵啟動前應將循環水系統管路充滿水。
　　（7）本計算實例的電廠安全運行了3年，循環水系統運行正常。
　　5總結
　　通過循環水系統水水錘計算分析，在循環水系統適當位置布置施工方便和維護簡單且價格低廉的通氣閥，同時設定液控止回蝶閥的開、關閥程序，這樣基本可以滿足循環水系統運行要求，以簡單的措施，提高了循環水系統抗水錘的安全性，避免循環水系統特別是凝汽器、循環水泵等主要設備遭受水錘破壞，保證電廠的安全運行，同時節約了投資。
　　參考文獻：
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　　[2]上海建筑設計研究院主編，給水排水設計手冊第二版第03冊城鎮給水，中國建筑工業出版社，1999年。
　　[3]中華人民共和國國家發展和改革委員會，火力發電廠水工設計規范（DL/T5339-2006），水利電力出版社，2006年。