百萬級ISC型間接空冷機組循環(huán)水系統(tǒng)水錘分析和防護研究

李 進，蘭 剛，李曉一，張文君

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

干式冷卻系統(tǒng)是用翅片管組成的表面式換熱器，以空氣為最終冷卻介質(zhì)，來冷卻汽輪機的排汽或凝結(jié)排汽的冷卻水的整套設施。因管內(nèi)流體不與空氣直接接觸，與濕式冷卻系統(tǒng)相比可節(jié)約蒸發(fā)、風吹和排污損失的水量，因而干式冷卻系統(tǒng)在干旱地區(qū)得到較快發(fā)展[1]。在電廠循環(huán)水系統(tǒng)中，因水錘引起的最大壓力、最小壓力、最大倒轉(zhuǎn)流量及機組最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速等不利因素是循環(huán)水系統(tǒng)設計的重要關鍵點。不合理的水錘防護設計往往導致浪費或使設備、管路等遭到破壞[2]。濕式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的水錘分析和防護研究已經(jīng)非常成熟[3-5]，而大型空冷機組干式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)這樣的密閉系統(tǒng)的水錘數(shù)值模擬和防護還鮮有文獻論述。本文結(jié)合工程實例，對某百萬機組表凝式間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)水錘進行數(shù)值模擬，比較水泵出口閥不同關閉規(guī)律下的水錘防護效果，論述表凝式間冷循環(huán)水系統(tǒng)的水錘防護方法。

1 工程概況

某電廠新建百萬機組采用單元制表凝式間冷循環(huán)水系統(tǒng)，冷卻設備為帶垂直布置的全鋁制空冷散熱器的自然通風冷卻塔。全塔分為12個扇區(qū)，每臺扇區(qū)布置15個冷卻三角，冷卻三角有效高度28 m。表凝式間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程，如圖1所示。

圖1 表凝式間接空冷系統(tǒng)示意圖

每臺機組配備4臺1600S24臥式離心水泵。水泵額定揚程22.00 m，額定流量7.24 m3/s，額定轉(zhuǎn)速430 r/min，機組轉(zhuǎn)動慣量2 100 kg·m2。水泵出口閥選用可控液控蝶閥。空冷塔設置兩座膨脹水箱，膨脹水箱布置在空冷塔內(nèi) 30 m(相對于空冷塔的0 m)高的膨脹水箱平臺上。每座儲水箱的容積150 m3，當量直徑6.18 m，高度5.00 m。

2 停泵水錘計算

針對系統(tǒng)的管線布置與泵站設計，采用PIPENET流體分析軟件對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的事故停泵水錘問題進行計算分析，系統(tǒng)模型如圖2所示，采取合理的措施對工程進行水錘防護，對該泵站系統(tǒng)水錘計算及防護研究的主要內(nèi)容如下：

圖2 表凝式間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)PIPENET模型

1)泵站穩(wěn)態(tài)運行工況的校核計算。

2)泵站事故停泵過渡過程計算及水錘防護措施研究。分別計算各級泵站發(fā)生事故停泵時的泵組最不利參數(shù)(包括最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、倒轉(zhuǎn)時間、最大倒泄流量等)、管線最大、最小水錘壓力；優(yōu)化確定水泵出口控制閥的關閉規(guī)律；提出水錘防護措施。

2.1 恒定流工況校核

4臺循環(huán)水泵同時運行，系統(tǒng)總流量為26.17 m3/s，膨脹水箱進口壓力3.61 mH2O，水箱內(nèi)氣體壓力0.55 mH2O，膨脹水箱水深3.05m，氣體體積58.40 m3，水體積91.60 m3。恒定流水泵參數(shù)計算結(jié)果如表1所示，扇區(qū)計算結(jié)果如表2所示。

表1 水泵機組揚程和流量統(tǒng)計表

表2 冷卻塔各扇區(qū)水力損失和流量統(tǒng)計表

2.2 四臺水泵同時停機

四臺循環(huán)水泵同時事故停機，事故發(fā)生后，水泵出口泵控閥沒有動作，計算結(jié)果顯示系統(tǒng)最大壓力40.64 mH2O，出現(xiàn)在凝汽器入口處。事故發(fā)生后，空冷塔冷卻三角頂點壓力下降時，膨脹水箱內(nèi)氣體迅速膨脹，水箱下層水在氣體壓力作用下迅速補充到冷卻三角中防止系統(tǒng)中壓力下降過大或出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。系統(tǒng)在膨脹水箱的保護下，系統(tǒng)最小壓力-2.59 mH2O，出現(xiàn)在扇區(qū)1冷卻三角頂點處，沒有出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。

表凝式間冷循環(huán)水系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)靜揚程為0 m。如圖3所示，當四臺循環(huán)水泵同時事故停機后，水泵出口壓力迅速下降，水泵進口壓力迅速上升，水泵進出口壓力差較小，因此水泵流量逐漸下降為0，并沒有出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，水泵也沒有出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如圖4所示。

圖3 水泵進出口流量和壓力隨時間變化曲線

圖4 水泵轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

2.3 四臺水泵運行一臺水泵事故停機

4臺循環(huán)水泵同時運行，其中1臺水泵突然事故停機，事故水泵出口閥的關閉方式對事故水泵、正常水泵和凝汽器的流量、壓力等參數(shù)的影響較大。為了確定合適的水泵出口閥關閉規(guī)律，選用不同關閉規(guī)律，并對系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，如表3所示。

表3 事故水泵出口閥關閉方案

當事故水泵采用方案一即事故后水泵出口閥不動作時，因另外3臺水泵仍在繼續(xù)運行，事故水泵進出口壓力差較大，水泵出現(xiàn)了嚴重的倒流和倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象如圖5～圖9所示，最大倒流流量達到6.70 m3/s，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速422.40 r/min，凝汽器最小流量為22.18 m3/s。

圖5 事故水泵出口壓力隨時間變化曲線

圖6 事故水泵流量隨時間變化曲線

圖7 事故水泵轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

圖8 正常水泵流量隨時間變化曲線

圖9 凝汽器流量隨時間變化曲線

當水泵出口閥采用兩階段方式關閉后，事故水泵出口壓力迅速下降，事故水泵的倒流和倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象均得到了有效控制。如圖6～圖7所示，快關時間越短，事故水泵的最大倒流流量越小，事故水泵的最大倒轉(zhuǎn)速度也越小。

如圖8所示，4臺循環(huán)水泵同時運行，其中1臺水泵突然事故停機時，因事故發(fā)生時水泵出現(xiàn)了倒流和倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，正常水泵的流量會迅速上升，然后開始下降，最終重新穩(wěn)定。如果事故水泵出口閥門不動作，正常水泵的穩(wěn)定流量將達到8.78 m3/s，但通過凝汽器的流量22.38 m3/s，如圖9所示。如果事故水泵出口閥采用兩階段方式關閉后，正常水泵的穩(wěn)定流量將達到7.98 m3/s，通過凝汽器的流量23.90 m3/s。

2.4 四臺水泵同時停機兩階段關閉泵出口閥

4臺水泵運行，同時事故停機，水泵出口閥采用表3所示不同的關閉規(guī)律關閉。計算結(jié)果顯示事故水泵均沒有出現(xiàn)倒流和倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。系統(tǒng)中最小壓力出現(xiàn)在扇區(qū)1冷卻三角頂點處，沒有出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在水泵出口，水泵出口閥不動作時壓力最小，水泵出口閥采用8 s關閉70°、40 s關閉20°時壓力最大，達到46.22 mH2O，但采用兩階段關閉水泵出口閥時，三種不同關閥規(guī)律下系統(tǒng)最大壓力極值相差并不大，如圖10所示。

圖10 水泵出口壓力隨時間變化曲線

3 結(jié)論

通過對某實際工程的表凝式間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)進行建模仿真，可以得出以下結(jié)論：

1)與濕式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)不同，密閉式的表凝式間冷循環(huán)水系統(tǒng)因系統(tǒng)靜揚程為0 m，4臺循環(huán)水泵同時事故停機并沒有導致水泵出現(xiàn)嚴重的倒轉(zhuǎn)和倒流現(xiàn)象。

2)在表凝式間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)中設置適當大小的膨脹水箱，可以防止系統(tǒng)在循環(huán)水泵事故停泵時出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。

3)在本系統(tǒng)中4臺水泵運行，其中1臺水泵事故停機時，事故水泵出現(xiàn)了嚴重的倒流和倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為最不利工況，建議水泵出口閥關閉規(guī)律按此工況進行設計，并對其他工況進行校核。

4)水泵出口閥關閉規(guī)律對水泵的最大倒流流量、最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)最大壓力、最小壓力等參數(shù)影響較大，對水泵流量、凝汽器流量的變化和穩(wěn)定過程也有較大影響，在本系統(tǒng)中推薦采用6 s關閉70°、30 s關閉20°的兩階段關閉方式，對于其它的系統(tǒng)，水泵出口閥關閉規(guī)律應通過計算確定。