鋼企煤氣電廠海水直流冷卻水系統瞬態流案例分析

劉 軍，趙 越，劉自力

（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙 410007）

前言

鋼企煤氣電廠采用海水直流冷卻水系統可以節約淡水資源，提高經濟效益。通常情形下，取水泵站距離凝汽器較近，可以降低管道設施費用和運行費用，但南海邊某鋼企煤氣電廠項目由于規劃原因，汽輪機房距離取水泵站距離有約1.6 km。海水直流冷卻水系統的特點是流量大、管線長、高差小[1]。由于凝汽器布置位置較高，為了降低循環水泵的揚程，有效利用虹吸作用，通常在凝汽器后設置了虹吸井。海水直流冷卻水系統運行中，凝汽器水室處于負壓狀態，在停泵后管道系統易發生斷流彌合水錘。

1 停泵水錘計算軟件簡介

直流冷卻水系統瞬態流分析采用美國AFT 公司Impules6壓力系統水錘分析程序。壓力管道系統水錘計算程序的基礎是水錘基本微分方程式，借助于特征線法，將其轉化為便于計算機運算的有限差分方程式[2][3]。它能解決復雜的管路系統和邊界條件的水錘計算。

2 海水直流冷卻水系統瞬態流案例分析

2.1 南海某電廠海水直流冷卻水系統基本情況

海水直流冷卻水系統的工藝流程為：取水頭部→引水溝→取水泵站前池→取水泵站→壓力供水管道→凝汽器→排水管→虹吸井→排水溝→排水口。海水直流冷卻水系統采用母管制（D2740×18，鋼管），3 臺135 MW 汽輪機對應3 臺100%供水泵，另備用1臺100%供水泵。供水泵主要技術參數為：Q=5.87 m3/s，H=24 m，n=495 r/min，N=2000 kW，V=10 kV。為應對不同季節的溫度變化和用電負荷變化，供水泵均采用變頻調速。供水管采用鋼管，排水溝采用鋼筋混凝土箱涵（3×3m）。凝汽器水阻：流量6.01 m3/s 時，水阻7 m；流量4.81 m3/s 時，水阻4.8 m。海水直流冷卻水系統沿程標高和穩態壓力見圖1(對應3 臺汽輪機)，可以看出凝汽器頂部在正常運行時已處于真空狀態。

圖1 3臺循環水泵運行穩態沿程水頭示意圖

2.2 計算方法和計算組次安排

直流冷卻水系統瞬態流分析計算中，先依據設計的管道系統計算停泵不關閥的各工況，了解直流冷卻水系統在過渡過程中各水力要素的變化情況，得出系統的特征參數。如管道系統在過渡過程中出現水柱分離的空穴并彌合，產生的水錘壓力超出管道系統最大試驗壓力，需采取水錘防護措施后重新計算，直到在過渡過程中冷卻水系統管路和設備壓力處于最大試驗壓力以下。

在單泵運行流量為5.87 m3/s，停泵不關閥情況下的計算組次表參見表1。在水泵出口增設調壓井，單泵運行流量為5.87 m3/s，關閥參數為快關動作時間3 s，快關角度70°，慢關動作時間9 s，慢關角度20°，停泵關閥情況下的計算組次表參見表2。

注：工況號最后1 位為1 表示平均低潮位，最后1位2表示百年一遇高潮位。

表1 不關閥情況下計算組次表

2.3 供水管上設置進、排氣閥且不關閥情況下，直流冷卻水系統瞬態流結果分析

按照設計，在每臺供水泵出口管道上設置一臺DN200的復合式進、排氣閥，在室外埋地供水管最高點設置一臺DN200 的復合式進、排氣閥，水錘計算示意圖見圖2。進、排氣閥在水泵啟動管道填充過程中，當排氣閥底部氣壓超過大氣壓時，允許空氣逐漸流出。在水泵停機時，管道內水壓小于大氣壓，進、排氣閥打開讓空氣進入，以避免液體汽化現象的發生，達到減小真空度，防范水錘的目的。

圖2 設進、排氣閥的直流冷卻水系統水錘計算示意圖

按表1 不關閥計算組次表對各種工況進行計算，經計算發現31K1、21K1 工況水泵出口出現0.51 MPa、0.53 MPa的最大壓力，超出供水管最大承壓范圍（0.4 MPa）；31K1、21K1、21K2、22K2 工況水泵出口管道上出現-0.1 MPa 的汽化壓力，表明空穴未被水泵出口的進、排氣閥補氣所填滿，出現汽化。31K1、21K1工況在水泵出口出現了負壓水錘。凝汽器出口最大壓力為0.26 MPa（21K1 工況），31K1、33K1、21K1、22K1、33K2、21K2、22K2 工況凝汽器出口雖然出現-0.1 MPa 的汽化壓力，但空穴迅速被進、排氣閥補氣所填滿。凝汽器出口出現了負壓水錘，但沒有出現超出凝汽器設計壓力（0.4 MPa）的波動。停運泵最大回流量為31K1 工況，回流量為-4.34 m3/s，未超過供水泵額定流量。停運泵最大反轉速為31K3 工況，最大反轉速為水泵額定轉速的0.86倍，滿足反轉速最大不超過額定轉速的1.2倍的要求。

通過以上計算得知，采用上述供水管上加進、排氣閥的常規水錘防護措施在運行中依然會產生水錘破壞，必須采用其他水錘防護措施。

2.4 設置調壓井且不關閥情況下直流冷卻水系統瞬態流結果分析

針對水泵出口和凝汽器水室出口出現汽化空穴，在水泵出口管道上設置調壓井，在室外埋地供水管最高點設置一臺DN200 的復合式進、排氣閥，水錘計算示意圖參見圖3。調壓井平時儲存一定量的水，在供水泵停泵后，供水管中出現水柱中斷時，及時向管道系統內補水，避免管道內局部區域的水在真空條件下汽化，從而消除水錘沖擊。

圖3 設調壓井的直流冷卻水系統水錘計算示意圖

按表1 不關閥計算組次表對各種工況進行計算，經計算發現各工況水泵出口點最大、最小壓力均為正壓，最大壓力為0.18 MPa(31K3 工況)，接近穩態壓力，且在正常工作壓力范圍內。凝汽器出口最大壓力為-0.03 MPa（31K5工況），接近穩壓壓力，在正常工作壓力范圍內，最小壓力為-0.07 MPa（22K5 工況），未達到汽化壓力，且時間很短。停運泵最大回流量為31K5 工況，回流量為-6.30 m3/s。運行泵最大流量工況為31K5 工況，最大流量為6.97 m3/s，偏離額定流量較大，但持續時間較短。停運泵最大反轉速為31K5工況，最大反轉速為水泵額定轉速的1.27 倍，不滿足反轉速最大不超過額定轉速的1.2 倍的要求，但超過額定轉速的1.2 倍的時間很短，其他工況水泵反轉速均未超過額定轉速的1.2倍。

在水泵出口增設了調壓井后，停泵后的水泵和凝汽器出口這兩處容易出現汽化空穴的位置均未出現汽化，供水管沿線最大壓力接近穩態壓力，表示直流冷卻水系統未產生水錘。由于調壓井接近供水泵出口且水位較高，水泵出口蝶閥不關閉的情況下停泵后的水泵回流量和反轉速明顯較大，需要水泵出口蝶閥采取合適的關閥措施來降低水泵回流量和反轉速。

2.5 供水泵出口蝶閥參數選擇

為了降低循環水泵回流量，降低水泵反轉速，防止水泵出現超流跳機現象，需對關閥參數進行調整，找出最優關閥參數。

根據液控蝶閥廠家資料，經過多種關閥參數的分析比對，為減少水泵回流量和反轉速，兼顧管道系統和設備的承壓能力，液控蝶閥宜快關。因此，選擇兩階段關閥參數為快關3 s、70°，慢關9 s、20°。

2.6 按推薦參數關閥后的瞬態分析

詳見圖4～圖8。

圖4 33G1工況直流冷卻水系統沿線壓力包絡線

圖5 33G1工況閥后壓力變化過程

圖6 33G1工況凝汽器出口壓力變化過程

圖7 33G1工況凝汽器流量變化過程

圖8 33G1工況供水泵轉速變化過程

按表2 關閥計算組次表對各種工況進行計算，經計算發現泵站出水管最大壓力控制工況為31B1工況(0.18 MPa)，水泵出口點最大瞬態壓力均接近穩態壓力，各工況水泵出口點最小壓力0.006 MPa（11G1 工況），各工況最大、最小壓力均在正常工作壓力范圍內。凝汽器出口點最大壓力控制工況為11B2工況，為-0.01 MPa，凝汽器出口點瞬態壓力接近穩態壓力。凝汽器出口最小壓力為-0.07 MPa（11G1工況），未達到汽化壓力。停運泵最大回流量為-3.61 m3/s（31B1 工況），在閥門慢關過程中出現。停運泵最大反轉速為31B1 工況，最大反轉速為-303.45 r/min，為水泵額定轉速的0.613倍，滿足反轉速最大不超過額定轉速的1.2 倍的要求，停泵后4.18 s開始反轉，停泵后7.36 s達到最大值。圖8為典型工況（33G1工況）的各主要參數瞬態變化過程。根據計算，停泵后按推薦參數關閥，直流冷卻水系統未發生水錘，水泵的回流量和反轉速均在水泵安全運行的范圍內。

2.7 調壓井容積分析

調壓井的水面面積是這樣確定的：在下游虹吸井堰頂高程確定的情況下，由直流冷卻水系統管道布置和管道沿程水頭損失、局部水頭損失以及輸水流量可求得調壓井在恒定流時的水位[1]。先假設一個大致的水面面積，進行瞬態流計算，主要是看在31G1、31B1、21G1、21B1、11B1 這些控制工況調壓井內的水是否會放完。如果放完了還不夠，則說明假設的面積小了，加大面積重新計算；如果水放不完，有富余，則減小面積，重新計算。在這個試算的過程中，要照顧到管線上和凝汽器不能出現超過允許值的負壓。反復多次，直到滿意為止。計算結果表參見表3。經計算分析，滿足控制工況水力過渡過程中不會出現調壓井排空的面積是14m2和20m2。從經濟適用的原則出發，選擇調壓井面積為14m2。

注：百年一遇高潮位下，調壓井排空時間均大于平均低潮位下的數據,故選擇平均低潮位下的數據進行比選。

3 結論

為保證較長距離直流冷卻水系統的安全運行，必須采取水錘防護措施，推薦在供水泵出口管上設置調壓井，在供水母管上設置進、排氣閥。

為了減小停泵后的回流量、防止調壓井排空和防止凝汽器失水，有必要在供水泵出口設置液控蝶閥。停泵后務必連鎖關閉液控蝶閥。建議停泵時液控蝶閥采用分段關閉方式，即快關3 s、關閉角度70°，慢關9 s、關閉角度20°，總關閥時間12 s。為了防止正常停泵出現調壓井排空，大量進氣破壞凝汽器負壓虹吸狀態，引起汽輪機組跳機，經過分析比對選擇調壓井面積為14 m2。

表3 兩階段關閥工況調壓井面積選擇計算結果表（平均低潮位）

海水直流冷卻水系統運行時，供水泵應間隔一段時間逐一啟泵和逐一停泵，同時停2 泵或3 泵工況運行時一般應避免出現。電源故障導致多臺供水泵停機時，會出現調壓井排空進氣情況，重啟第一臺水泵時，應將對應出口的液控蝶閥開啟一定角度，充管排氣，待充管完成后再全開液控蝶閥。

采取上述推薦的水錘防護措施后，通過瞬態流水力驗算，各工況海水直流冷卻水系統在停泵后管道均未出現超壓，凝汽器未出現失水和超壓，水泵未出現超流、反轉速超標的情況，有效保障了海水直流冷卻水系統的安全穩定運行。