高位收水冷卻塔循環水系統過渡過程運行分析

劉 政，李 進，桂 波，李曉一，趙 凱

（1.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；2.電力規劃設計總院，北京 100032）

0 引言

高位收水冷卻塔最早由比利時哈蒙公司于20世紀70年代末提出，在法國境內的幾個1 300 MW內陸核電站中投入使用。近年來高位收水冷卻塔技術在我國廣泛應用，已經逐步實現國產化。高位收水冷卻塔與常規塔的最大區別在于:取消了常規塔底部的集水池，經過冷卻后的循環水在淋水填料底部被收水裝置收集，輸送到循環水泵房，從而大幅減小循環水泵揚程，降低噪聲污染[12]。

本文所采用的高位收水冷卻塔循環水系統依托中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司某擴建工程，采用該公司首創的高位水池加循環水泵房布置，循環水泵也首次采用大口徑低轉速的臥式離心泵。

在循環水系統布置中，凝汽器所處位置較高，循環水管道較長，且管道存在分叉與匯合，在水力過渡過程中可能出現水錘現象，進而引發系統供水中斷的事故。此外，在系統過渡過程中，瞬間的壓力波動會造成高位水池的水位波動，從而影響循環水系統的安全運行。為確保系統的安全運行，結合高位收水冷卻塔循環水系統的停泵和啟泵過渡過程分析，選擇最安全可靠的液控蝶閥動作方案[3-6]。本文對高位收水冷卻塔循環水系統進行穩態計算和系統停泵過渡過程進行仿真計算，提出不同啟泵工況閥門可采用的不同啟動方案。

1 數學模型

1.1 水錘計算方法

描述循環水系統水錘的基本方程是根據流體的動量定理和質量守恒原理得出的2個方程:運動方程和連續性方程。通過水錘基本方程可以對流體在水力過渡過程中的運動特性進行完整描述[3]

式中:H為水頭；v為流速；x為從管道左端起算的距離；g為重力加速度；f為沿程損失系數；D為管徑；a為水錘波速；t為時間。

直接求解由運動方程和連續性方程組成的非線性雙曲線偏微分方程非常困難。早在20世紀60年代初美國的斯特里特VL（V.L.Streeter）等人就提出運用特征線法研究水錘問題，將基本方程通過其特征線轉變成常微分方程（即特征線方程），再沿特征方程坐標平面上的特征線積分，產生便于計算機編程計算的有限差分方程[4，7]。

1.2 水錘計算模型

1.2.1 高位水池的邊界條件

高位水池可簡化成如圖1所示的物理模型。

圖1 高位水池邊界條件

高位水池是敞開式的，并通過循環水壓力溝道與冷卻塔集水槽連通，當溝道壓力升高，溝道內的水體流入高位水池。在建立高位水池的邊界條件時，常忽略其彈性的影響，而將池內水流視作剛性水流。這種情況建立的邊界條件，可用下式表示

1.2.2 閥門的邊界條件

對閥門作以下假設:閥門處的水頭損失只取決于閥門的開度及閥門特性，水流正向和反向時對應的水頭損失相同。當閥門處于某一固定的開度時，可將其看作局部阻尼器，利用孔口出流公式進行計算。

當水體處于如圖2所示的正向流動時，閥門的邊界條件方程為:

圖2 閥門的邊界條件示意

式中:τ為閥門的開度；H0為閥門全開時的水頭壓力，此時閥門處的流量為Q0。

2 過渡過程仿真計算

2.1 系統介紹

本工程循環冷卻水系統采用帶自然通風高位收水冷卻塔（1機1塔）的單元制循環供水系統，每臺機組配置3臺臥式離心循環水泵及1座自然通風高位收水冷卻塔。工程循環水高程圖見圖3。

圖3 工程循環水高程示意

循環水泵額定流量5.99 m3/s，額定揚程20.7 m，循環水泵電機功率1.6 MW，水泵額定轉速370 r/min，高位水池為鋼筋混凝土圓柱形結構，地上布置，直徑26.3 m，池頂水位12.75 m。

2.2 穩態計算

對系統進行夏季正常運行狀態下的校核計算:3臺循環水泵并聯運行，水泵揚程20.7 m，單泵流量5.99 m3/s，轉速6.17 r/s，系統總流量17.97 m3/s。水泵出口處為系統最大壓力點，壓力水頭為35.12 m，高位水池運行水位10.39 m。

2.3 停泵工況計算

2.3.1 閥門無動作

正常工況下，3臺循環水泵并聯運行。當3臺泵同時事故停機后，若泵出口蝶閥沒有動作，計算結果顯示:系統最大壓力水頭35.11 m，最小壓力水頭6.61 m，整個過渡過程中系統沒有負壓；事故發生18.3 s 后開始出現倒流，最大倒流流量-2.29 m3/s，事故發生22.8 s后水泵開始出現倒轉，最大倒轉轉速-2.30 r/s。高位水池最高水位10.97 m，低于池頂水位12.75 m，在過渡過程中沒有溢流。停泵過程中系統壓力值見圖4，水泵流量、轉速及出口壓力隨時間變化曲線見圖5。

圖4 系統各節點的壓力值曲線

圖5 水泵流量、轉速及出口壓力隨時間變化曲線

2.3.2 停泵關閥

在水泵事故停機后，泵出口閥門未動作，水泵將在水體倒流作用下發生倒轉，長時間的倒流倒轉將損壞電動機或水泵，并且將影響水泵的再次啟動。事故停泵發生后，選擇合適的泵后閥門關閉方案可以有效控制水泵的倒流倒轉，也可以有效減小高位水池的水位波動[8]。

在事故停泵的基礎上，對不同的閥門關閉方案進行仿真計算，重點分析停泵過渡過程中水泵的參數變化、高位水池水位的波動。

2.3.2.1 一階段關閥

3臺泵同時事故停機后，泵出口液控蝶閥一階段線性關閉:0～30 s全關。停泵關閥過程中的系統壓力水頭、水泵流量及轉速隨時間變化曲線見圖6、圖7。

圖6 系統各節點的壓力值曲線

圖7 水泵流量及轉速隨時間變化曲線

計算結果顯示:系統最大壓力水頭39.10 m，最小壓力水頭6.70 m，系統中沒有出現負壓；水泵最大倒流流量-1.30 m3/s，最大倒轉轉速-0.54 r/s，倒轉量和倒轉時間得到了有效控制；高位水池最高水位10.86 m，較停泵不關閥工況有所降低。

2.3.2.2 兩階段關閥

根據循環水系統在一階段關閥過渡過程中存在的問題，當3臺泵同時事故停機后，對泵后閥門采用兩階段線性關閉方案:0～15 s關閉75°，15～40 s關剩余的15°。計算結果顯示系統最大壓力水頭35.25 m，最小壓力水頭6.70 m，系統中沒有出現負壓。

區別于一階段關閥方案，采用兩階段關閥方案后，水泵最大倒流流量僅為-0.24 m3/s，且水泵未發生倒轉；液控蝶閥出口未出現較大的壓力波動；高位水池最高水位10.83 m，水位波動得到了更好的控制。不同停泵工況時對應的機組參數見圖8、圖9及表1。

表1 三泵全停工況匯總

圖8 過渡過程中水泵最大倒轉量

圖9 過渡過程中高位水池最高水位

2.4 啟泵工況計算

啟泵過程中系統內各部分的變化情況可以描述為:3臺泵依次啟動，啟動開始前，中央豎井水位較低，啟動過程中豎井水位緩慢上升，高位水池水位開始下降。當豎井水位高于配水管后，循環水通過配水管流向集水槽，在配水過程中循環水不會立即流入高位集水池；且當循環水開始流入高位集水池后的一段時間內，流進高位集水池的流量仍小于流出高位集水池的流量；此后流入高位集水池的流量開始增大直至與流出流量相等。本節分別對循環水系統進行閉閥啟動和開閥啟動的仿真計算，以循環水系統在啟泵過渡過程中的壓力、高位水池水位變化為依據，確定合適的啟泵方案。

2.4.1 閉閥啟動

水泵的啟動流程為:1號水泵經過10 s勻速上升到額定轉速，隨后其出口蝶閥經過45 s完全打開。下一臺泵在上一臺泵蝶閥完全打開30 s后開始啟動，啟動程序同上臺水泵。

計算結果顯示系統最大壓力水頭52.70 m，出現在泵后，最小壓力水頭9.57 m，出現在泵前，系統中沒有出現負壓。高位水池最低水位10.32 m。系統穩定后流量18.01 m3/s。

2.4.2 開閥啟動

水泵的啟動流程為:1號泵出口蝶閥經過10 s打開到15°，然后1號泵啟動，水泵經過10 s勻速上升到額定轉速；1號泵啟動的同時泵出口蝶閥繼續開啟，再經過35 s完全打開。下一臺泵在上一臺泵后蝶閥完全打開30 s后開始啟動，啟動程序同上臺水泵。

計算結果顯示系統最大壓力39.76 m，出現在泵后，最小壓力9.57 m，出現在泵前，系統中沒有出現負壓。高位水池最低水位10.31 m，系統穩定后流量18 m3/s。不同啟泵工況對應的機組參數見表2。

表2 啟泵工況參數

3 結論

本文首先對高位收水冷卻塔循環水系統進行穩態計算，得到了系統各部分的額定運行參數；然后對系統的停泵（包括單泵停機工況以及三泵全停工況）過渡過程進行仿真計算，并針對不同的關閥方案做分析對比；最后對系統在不同啟泵工況時閥門采用不同的啟動方案進行計算分析，通過研究可以得到以下結論。

（1）單臺循環水泵發生事故停機時，該水泵會出現倒流及倒轉現象，但未超過額定轉速的1.2倍，且通過兩階段關閥方案可有效控制水泵倒流倒轉；與此同時，另外2臺水泵繼續工作，單泵流量增加以保證整個系統的運行。

（2）3臺循環水泵同時發生事故停機時，同樣會出現較嚴重的倒流和倒轉現象，且系統內將出現最不利的流量瞬變工況；與30 s全關的關閥方案相比，采用兩階段關閥方案后，高位水池的水位波動更小，水泵的倒流得到了更好的控制，且在整個關閥過渡過程中水泵未發生倒轉；故推薦兩階段關閥方案。

（3）分別采用閉閥啟動和開閥啟動的啟泵方案時，系統的總流量變化及高位水池水位波動基本一致，但前者的系統最大壓力遠大于后者，故推薦開閥啟泵方案。