火電廠冷卻水系統虹吸井水錘數值模擬

王 勇，趙永俊，丁文浩，趙金簫，徐世凱，羅俐雅，王文康

（1.南京水利科學研究院，南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098；3.水利部太湖流域水治理重點實驗室，南京 210029；4.江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029）

虹吸井是火電廠冷卻水系統中重要的構筑物。虹吸井的堰頂高程可提高凝汽器冷端壓力， 從而防止空化發生。 利用虹吸原理來降低循環水泵的工作水頭，從而減少水泵的耗電費用，增加水泵揚程。 虹吸井結構尺寸的合理選取應綜合考慮工程投資和系統運行的穩定性和經濟性等因素。 如果火電廠冷卻水系統水泵突然開啟，將引起水流動量的急劇變化，管道水流會產生一個相應的沖量， 使管道中的壓力產生急劇變化。由沖量產生的沖擊力作用在管道、虹吸井、泵房、閥門上，可以導致虹吸井內水流大量的上涌及水泵、閥門或管道的破壞，這就是水錘現象。水泵機組容量越大、管道越長、揚程越高，水錘問題越突出。隨著火力發電機組單機容量的增大，供水系統日趨復雜， 系統的可靠性及其水錘問題引起工程界與學術界的高度重視［1，2］。 為確保火電廠冷卻水系統的安全運行， 對系統進行詳細的水錘計算與過渡過程分析，并選擇合適的防護措施、編制合理的運行方案是十分必要的［3，4］。 國外對過渡過程計算進行長期研究，推動了瞬變流動的研究工作，為過渡過程數值分析打下了良好基礎。 國內的楊開林、董興林、葉宏開等人也對過渡過程進行了研究。 目前關于虹吸井動態水力性能及其優化設計方面的研究成果還很較少。 本文建立了火電廠冷卻水系統過渡過程數學模型［5，6］，針對水泵開啟時虹吸井內水流大量上涌的水錘問題，通過不同開泵、開閥門工況計算分析，提出了解決問題的建議。

1 火電廠冷卻水系統過渡過程數學模型

火電廠冷卻水系統主要包含取水口、引水管道、泵房前池、水泵、蝶閥、凝汽器、虹吸井、排水管道、排水口，布置形式如圖1。 本發電廠機組工程引水管道長達930m， 排水管道長3300m。 冷卻水系統管道較長，系統的水錘問題突出［7，8］。

圖1 火電廠冷卻水系統縱剖面圖

1.1 基本方程

火電廠冷卻水系統的水流運動可以用一維圣維南方程組來描述，其基本方程為：

式中 H 為循環水系統管道的壓力水頭 （m）；v為循環水系統管道的流速 （m/s）；d為循環水系統管道的直徑（m）；a為水擊波傳播速度（m/s）；θ為引水管道與水平面夾角（°）；s為管道沿程長度（m）；t為時間（s）。

式（1）和式（2）屬于一階擬線性雙曲型偏微分方程組，可以采用特征線法求解［9］。

1.2 邊界條件

水泵方程除了水流運動方程以外， 還有水泵工作水頭方程、 蝶閥開度過程描述方程及力矩平衡方程等組成。 泵的無量綱全特性曲線采用SUTER方法處理。

水泵工作水頭方程：

式中 MR=NRωR為額定轉矩；NR為額定功率。

采用Newton-Raphson方法對水泵方程進行迭代求解。虹吸井作為溢流堰處理，可以利用溢流堰的水位流量關系迭代求解。

假定Hp=H0（初始值），由（8）式可以求出Qp。 利用溢流堰的水位流量關系進行插值， 由Qp可得H＇p。不斷進行迭代，直到H＇p-Hp≤ε時，這時的Qp、Hp為所求值。

2 火電廠冷卻水系統虹吸井水錘計算成果

2.1 水錘計算工況

水泵的額定轉速為425rpm， 額定功率為2818.3kW，額定流量為10.27m3/s，額定揚程23.9m。 水泵啟動時，泵、閥同時動作，開閥時間為20～50s。 根據設計書及物理模型試驗結果， 引水系統管道糙率為0.012～0.014。 凝 氣 器 參 數： 凝 汽 器 冷 卻 面 積 為34500m2、單流程、清潔系數0.9。 虹吸井頂高程9.0m。計算工況如表1。

表1 計算工況

2.2 水錘計算成果（虹吸井敞口布置）

火電廠冷卻水系統虹吸井敞口布置時， 各計算工況虹吸井最高水位如下：

（1）虹吸井水位最高11.68m，已經超過虹吸井頂高程9m。 每單元3臺泵同時開啟時，虹吸井內水流會大量上涌，超過虹吸井頂高程，產生溢流。

（2）虹吸井水位最高9.42m，已經超過虹吸井頂高程9m。每單元3臺泵間隔90s依次開啟，虹吸井內水流上涌高度明顯降低，但仍然超過虹吸井頂高程，產生溢流。

（3）虹吸井水位最高8.95m，離虹吸井頂高程9m差0.05m。 每單元3臺泵間隔120s依次開啟，虹吸井內水流上涌高度低于虹吸井頂高程，不會產生溢流。

（4）虹吸井水位最高8.64m，離虹吸井頂高程9m差0.36m。 每單元3臺泵間隔120s依次開啟，虹吸井內水流上涌高度低于虹吸井頂高程，不會產生溢流。并且泵出口閥慢開， 虹吸井內水流上涌高度會進一步下降。

由計算結果可見，火電廠冷卻水系統虹吸井敞口布置時，工況C和D中虹吸井最高水位都低于虹吸井頂高程， 可以解決虹吸井內水流大量上涌的水錘問題。

2.3 水錘計算成果（虹吸井頂閉口布置）

虹吸井頂閉口布置時虹吸井平面尺寸不變，井頂高程降至7.0m，堰前堰后頂部分別設置一個2.5m×2.5m的敞口式檢查孔。

每單元3臺泵間隔2min依次開啟（0，120， 240s），（泵 出 口 閥20s 開 到15°，50s 開 到90°）， 共 計 算 到1200s。 計算水位條件：5.02m（P=0.5%高潮位）。 虹吸井水位最高10.43m， 敞口式檢查孔的高程不能低于此高程10.43m。

3 結語

（1）通過對火電廠冷卻水系統的概化，建立火電廠冷卻水系統過渡過程數學模型。 針對火電廠水泵開啟時虹吸井內水流大量上涌的水錘問題， 通過冷卻水系統過渡過程的計算，不同開泵、開閥門工況的分析，找到了減小或消除水錘危害的方法。

（2）運用有壓流水力瞬變基本理論，結合電廠實際資料，對火電廠冷卻水系統虹吸井水錘計算分析，結果表明： 采用特征線法對火電廠冷卻水系統的水力過渡過程進行計算是切實可行的， 得到較為精確的結果。 采用每單元3臺泵間隔開啟、快慢兩階段關閉蝶閥的優化方案， 可有效解決火電廠冷卻水系統虹吸井水錘問題。 火電廠冷卻水系統虹吸井水錘數值模擬結果，可供設計單位和有關部門參考使用，并為今后同類的工程布置設計和安全運行提供有益借鑒。