發電機技術供水管水錘現象分析

顧承慶，林婕宇

（國網新源水電有限公司新安江水力發電廠，浙江省杭州市 311608）

發電機技術供水管水錘現象分析

顧承慶，林婕宇

（國網新源水電有限公司新安江水力發電廠，浙江省杭州市 311608）

發電機組技術供水管道中的水錘效應是引起技術供水管路上各設備故障的重要因素，嚴重影響著設備安全運行。本文旨在通過對新安江電廠技術供水管路中水錘現象的計算分析，剖析了影響水錘壓力值的各種因素，找出其中影響故障發生率的因素。通過具體計算以及討論說明，提出消除技術供水管路中水錘危害的最有效辦法就是加裝進排氣閥，驗證了新安江電廠安裝進排氣的必要性。進排氣閥技術目前已十分成熟，多應用于長管路輸水系統，能有效消除各種類型的水錘危害。

水錘；進排氣閥；流量；負壓；管路

進排氣閥是有壓輸水管道重要的水錘防護措施之一，擔負著管線的排氣和負壓控制任務。通過在管路中合理的布置進排氣閥，既可以在空管道充水時排放管道里的空氣，又能在管道水排空時自動進氣以消除真空，防止水柱分離，避免水錘事故發生。

新安江水力發電廠機組在未安裝技術供水管道進排氣閥前，多次發生推力、上導冷卻器進水水壓表被打壞的故障，甚至出現過一次推力冷卻器端蓋密封墊圈破損，造成推力冷卻器大量跑水的故障。根據監測數據來進行對故障的初步分析，可以指出上述故障發生的原因為：在機組技術供水進水閥21DDF開啟和關閉時，技術供水管內產生了較為嚴重的水錘現象，造成的沖擊和負壓過高，導致密封墊圈和水壓表的損壞。

1 技術供水管路水錘現象分析

水錘現象是指在有壓輸水管道中，閥門等突然開啟或關閉時，由于流速的劇烈變化和水流的慣性引起壓強產生大幅度波動。

水錘按產生的外部條件可分為：正水錘和負水錘，在此也可稱為關閥水錘和開閥水錘。當閥門突然關閉，水流在慣性的作用下，水力迅速達到最大，閥體和管壁所受壓力陡增，并于閥后產生負壓，這就是大多數時候討論的 “水錘效應”，也就是正水錘。相反，關閉的閥門在突然打開后，也會產生水錘，叫負水錘，此處可稱為開閥水錘。

1.1 水錘產生過程分析

1.1.1 開閥水錘

當技術供水閥21DDF（以下簡稱21DDF）突然開啟，幾秒鐘內閥后就能達到額定壓力和流量，管道內的壓力和流速急劇增大，管內殘留氣體受壓縮后，體積變小，內壓升高，閥后的壓力降低，流量增大，氣體的內壓升到一定程度后反膨脹，動量和沖量交替轉換，管道中發生一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現象，并以壓力波的形式在管道中傳遞，引起開閥水錘，最終導致管道中的薄弱環節遭到破壞。

1.1.2 關閥水錘

長管道連續供水系統的進水閥突然關閉所產生的水錘為一個先有負壓波后有正壓波的過程，在負壓波傳播過程中當長距離壓力管道中某些部位特別是凸起部位的壓力降至水的汽化壓力以下時管道中的水開始汽化并形成一個較大的汽化空間使水柱不連續這就是所謂的“水柱分離”現象。當正壓波反射回該處后，汽化空間中的水汽凝結，氣泡潰滅，分離的水柱互相撞擊，壓力驟然升高，導致管道破壞。這種大負壓導致的水錘破壞是長距離輸水管線中經常出現的現象。

1.2 現場監測數據

新安江電廠安裝進排氣閥前對某臺機組的推力水壓進行現場監測。監測顯示新安江電廠技術供水管路在21DDF開啟和關閉時都會出現水錘效應。其中關閥水錘較為明顯，可能損壞設備。

1.3 技術供水管路水錘計算分析

新安江電廠機組21DDF關閉時在技術供水管道中會產生一定水錘壓力。以下將通過一個粗略的計算來與現場監測數據相互驗證。

1.3.1 建立計算所需的管道模型

新安江電廠技術供水管路如圖1所示。

圖1 技術供水管路Fig.1 Technical water supply pipeline

1.3.1.1 管路選擇

（1）自動濾水器內部構造較為復雜，與前后管路差別較大，水錘波不能連續地通過濾水器傳播，所以這里選擇其作為管路的起點。濾水器后水壓表顯示壓力為0.65MPa，則可認為管路起點水頭為：

（2）當水流進入各冷卻器，由于管路直徑驟變，流速驟變，水錘波難以通過冷卻器繼續傳遞，所以可以將其作為管路的終點。

圖2 所選管路圖Fig.2 Piping diagram

1.3.1.2 管路簡化

新安江電廠技術供水系統管路為分岔管形式，可用單管近似法進行計算。即選取總長為最大的一根支管，將其余的支管截掉，將其看做串聯管道，然后進行計算：

經現場測量，推力冷卻水進水管是技術供水管上最長的支路，而且故障也多發生在該支路上，所以選取這段管路作近似計算

簡化管道如圖3所示。

圖3 所選管路簡化圖Fig.3 Simplified piping diagram

1.3.2 以1號機為例進行計算

經現場調查1號機技術供水總管為DN200管，支管為DN100管。按圖3可列表格如表1所示。

根據管徑和流速可得各管道內水流流速：

表1 管路參數Tab.1 Pipeline parameters

同理可得：

平均流速為：

壓力輸水系統發生水錘時，水錘壓力波以速度α沿管道傳播，壓力波傳播速度α可按下式計算：

式中：E0——水的彈性系數，一般取2.1×104kg/m2；

D——管道直徑，cm；

δ——管壁計算厚度，cm，薄壁鋼管（D/δ＞20）的計算厚度δ等于管壁真實厚度δ0。

A、B、C段管壓力波傳播速度：

D、E、F段管壓力波傳播速度：

管壓力波平均傳播速度：

為了判別水錘的形式，需要計算管道特性系數，反應管道特性的兩個常數為：

式中：V0——管道中水流初始流速，m/s；

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α——壓力波傳播速度，m/s；

H0——靜水頭，此處取66.3m；

Ts?——閥門直線關閉時間（s），21DDF 關閉時間廠家商業機密，不可查。通過日常操作估計為小于0.5s。這里取0.2s、0.3s、0.4s分別進行粗略估算，結果顯示0.2s較為符合前期監測數值。

當閥門關閉時間Ts大于水管反射時間Tr時，則發生間接水錘，由于21DDF線性，可用直線關閉時間間接水錘壓力計算公式進行。

在假定閥門相對開度τ0與時間及閥門過流相對流量q呈線性關系的條件下，間接水錘的壓力變化可用下列公式進行計算：

當hWτ0＞1.5時，最大水擊壓力變化發生在末相。τ0為閥門相對開度，閥門全開至全關時τ0=1。

式中：σ——管道特性常數；

ξm——末相水錘壓力降低或升高；

閥門關閉時：

閥門開啟時：

技術供水管中的最大壓力升高：

即0.206MPa。

技術供水管中的最大壓力降低：

即0.327MPa。

1.3.3 結果分析

通過以上計算可以看出1號機21DDF開啟時技術供水管路中最大壓力升高為0.206MPa、21DDF關閉時最大壓力降低為0.327MPa，而推力冷卻器額定耐壓值為0.3MPa。顯然本文開頭所述故障為關閥時技術供水管路中產生的大負壓所致。

2 影響管路水錘壓力值的主要因素

從計算過程中不難看出，在未加裝進排氣閥前，影響21DDF關閉時技術供水管路中水錘壓力值的主要因素有：

（1）技術供水管道的長度、管徑、材料；

（2）壩前水頭高度；

（3）機組技術供水進水閥21DDF的關閉時間。

以下針對這三個因素結合現場工作進行具體分析。

2.1 關于“技術供水管道的長度、管徑、材料”

改變技術供水管道的長度、管徑、材料，需要技術供水管道的整體改造，涉及面太大，且沒有必要，這里暫且不做討論。

2.2 關于“壩前水頭高度”的分析

統計新安江電廠2005～2008年未加裝組合式進排氣閥前推力、上導水壓表損壞情況如圖4所示。

圖4 推力、上導壓力表每月損壞次數趨勢圖Fig.4 Trend chart of pressure gauge damage

新安江電廠水庫為多年調節水庫，水位變化趨勢每年都大致相同。選取2006年每月12日0點的水位值制成壩前水位趨勢圖如圖5所示。

圖5 壩前水位趨勢圖Fig.5 Trend of water level before dam

通過圖4和圖5的對比發現上導推力水壓表損壞次數和水頭高度有一定關系，6月、7月水位較高時，水壓表也容易損壞。

但是，壩前水位與來水量有關，僅僅可通過加大發電量等手段有限調節，且作用不明顯。統計結果顯示，水位較低時也有水壓表被打壞的現象發生，顯然從水位上來考慮解決辦法不切實際。

2.3 關于“21DDF關閉時間”的分析

在2006年，曾與9月和11月兩次對21DDF關閉時間進行微調。統計結果顯示，調節后，水壓表頻發損壞的情況有所緩解，但依舊存在。

由于調整21DDF的關閉時間沒有一個量化的標準，且無法得知具體時間，所以并不能確定調節后的水錘壓力值，不能保證徹底消除水錘的危害。顯然只通過調節21DDF關閉時間雖然有效果，但不能完全消除相關故障。

3 進排氣閥安裝必要性分析

在安裝進排氣閥前，新安江電廠已針對水壓表打壞等故障做了大量工作，但都不能徹底解決故障隱患。作為華東電網第一調頻廠，新安江電廠機組啟停頻繁，導致技術供水管路啟停頻繁，管路內水錘沖擊頻繁，所以故障也較容易出現，從而對安全生產造成了不可忽視的威脅。

在安裝進排氣閥之前4年里，新安江電廠推力、上導水壓表共損壞49次，甚至出現過一次推力冷卻器端蓋密封墊圈破損，造成推力冷卻器大量跑水的故障。這些故障嚴重影響設備的健康運行。

4 進排氣閥原理及安裝后效果

進排氣閥是是有壓輸水管道重要的水錘防護措施之一，擔負著管線的排氣和負壓控制任務。任何時候，只要系統內壓低于大氣壓如發生水柱分離現象時進排氣閥就會立即打開向系統內進氣，防止系統內產生真空，徹底消除水錘危害，杜絕故障隱患。

新安江電廠安裝的進排氣閥具備高壓微量自動排氣和低壓進排氣功能——可在管道有壓狀態下自動排放內部積聚的少量空氣；也可在空管道充水時排放管道內的空氣，在管道排空時自動進氣。尤其是在水柱分離工況下自動打開，向管道內進氣以消除真空。

統計結果顯示，安裝進排氣閥后，至今未發生過水壓表損壞故障。同時，推力冷卻器端蓋密封墊圈破損故障也已解決。說明新安江電廠技術供水管路中21DDF關閉時產生的真空已被減小至安全范圍，不構成安全隱患。

5 結束語

供水管道中的水錘效應是影響設備安全運行的重要因素。本文通過計算具體剖析了影響水錘壓力值的各種因素，通過討論說明新安江電廠技術供水管路中水錘危害消除的最有效辦法就是加裝進排氣閥，驗證了新安江電廠安裝進排氣的必要性。進排氣閥技術目前已十分成熟，多應用于長管路輸水系統，能有效消除各種類型的水錘危害。

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Analysis on Water Hammer Phenomenon of Generator Technology Water Supply Pipe

GU Chengqing，LIN Jieyu
（State Grid Xin Yuan hydropower limited Xin’An river hydroelectric power plant，Hangzhou 311608，China）

The water hammer effect is an important factor that causes the failure of the equipment in the technical water supply pipeline，which seriously affects the safe operation of the equipment.This paper aims to analyze the various factors that affect the pressure value of the water hammer through the calculation and analysis of the water hammer in the technical water supply pipeline of Xin’An river power plant，and find out the factors affecting the failure rate.According to the calculation and discussion，the most effective way to eliminate the water hammer hazard in water supply pipeline is to install the intake and exhaust valve，which verifies the necessity of installing the inlet and outlet of the Xin’An river power plant.Intake and exhaust valve technology has been very mature，and more applied to the long pipeline water system，can effectively eliminate the various types of water hammer hazard.

Water hammer； inlet and outlet valve ； flow ；negative pressure； pipeline

TV741 文獻標識碼：A 學科代碼：570 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.009

2016-07-26

顧承慶（1988—），男，大學本科，助理工程師，技術員，主要從事發電機檢修工作。E_mail：jl03835799@163.com

林婕宇（1991—），女，大學本科，助理工程師，值班工程師，主要從事水輪發電機組運行值班工作。