某火电厂灰渣泵水击现象浅析

摘 要：本文分析了某电厂输灰系统布置特点，针对除灰泵遇紧急状况停止运转时倒流灰浆对泵体产生的破坏现象进行分析，对灰渣泵水击现象进行模拟分析与计算，校核泵壳强度，并对其飞逸转速进行计算。通过理论分析与实际计算相结合，对该电厂输灰系统装置提出了改进措施。

关键词：灰渣泵 浆体水击 灰浆回落 反向转速

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0091-01

某发电厂一二期有两台机组，其中300MW机组一台，600 MW机组一台，每年大概有912×104～1064×104 m3灰生成。电厂除灰系统采用水力除灰，灰渣池的灰浆通过二级串联灰渣泵加压后送往灰场。此种输灰方式具有两个特点：①输送灰管路长；②灰渣泵出口与输灰管路最高点的位差大。在以往运行中，由于灰渣泵突然断电停止后，管路中的灰渣有15 m的落差，灰浆形成回流，产生“水击”现象，有可能对灰渣泵产生具大的冲击力，最后导致灰渣泵的损坏，威胁着电厂的安全和经济运行。本文基于电厂除灰系统的水击问题，进行相关分析和计算，为降低水击压力的幅值、提高管路输灰系统安全性提出合理建议。

1 电厂除灰系统概况及基础数据

目前电厂除灰系统采用两级泵，其中一级泵为250ZJ-85型灰渣泵，流量1250 m3/h，扬程125 m；二级灰渣泵接一台液力耦合器，其转速的调节范围为250-750 r/min，正常运行时液力耦合器的转速是500 r/min；二级灰渣泵为250ZJ-90型灰渣泵，其流量为1250m3/h，扬程为75 m，正常运行时灰渣泵的总的扬程为175 m。

除灰管路的型号为Φ529×65型复合铸石管，该复合铸石管由三层材料组成：外壁为#20钢，壁厚0.01 m，中间为混凝土充填层，厚度0.03 m，内层为玄武岩铸石，壁厚0.025 m，内径0.4 m，铸石管的弹性模量167×108 Pa。管道设计流量1250 m3/h，输灰管路的总阻力（包括沿程阻力、局部阻力和重力）为50 m，灰水比为1∶15。

2 灰浆管路水击压力计算

2.1 灰水混合物密度的计算

在研究除灰管路的液固两相流时，假设固体颗粒是均匀混合在液体中的，称这种液固两相流为均质流动（均相流）。固体颗粒的体积用Vs表示，液体的体积用VL表示，则固液混合物的体积可以表示为固体的体积Vs和液体的体积VL之和。因此固液两相混合物的密度可依据下式计算：

（1）

灰浆的密度ρS=600～700 kg/m3，灰水比为1∶15，即得Vs/VL=1/15。

2.2 浆体水击强度的计算

浆体中由于存在大量固体颗粒，其比重、弹性模量及粒度组成不同，因此浆体水击特性与固体颗粒性及其在管道中流动特性有密切关系。均质流颗粒和周围水团的流速一致，在管道末端阀门突然关闭时，固液两相流的流速可以统一考虑，这与单相流很相似，所不同的是流体的压缩变形。由于固、液体的弹性模量不同，其压缩的体积由固体颗粒的压缩量和水的体积压缩量组成。

根据连续性原理，流入的浆体等于水、固体颗粒的体积压缩量和管道膨胀的体积，推导均质流的波速如下：

（2）

（3）

式中ρm为均质流的密度，根据固体颗粒的体积浓度Sv和固体物料的密度ρS求得；

Ew为水的弹性模量，Pa；

Es为灰料的弹性模量，Pa；

D为管道内径，m。

依据文献[4]知，水的弹性模量EW=2.0×109 Pa，因此依据前述各式，可计算典型工况浆体波速。

2.3 浆体水击压强的计算

在管道水力输送中，由于要考虑到两相流的稳定性，并且固体颗粒一般较细，因此假设为均质流，由此可以看出均质流在浆体水击中占有重要地位。均质流的固体颗粒和周围水的流速一致，因此浆击压强计算公式可以借助单相流的水击压强公式进行计算。当突然断电后，泵停转时灰浆回流产生回流压强

（4）

下表为典型工况下的回流压强计算结果。可以看出，浆击压强均大于泵的承受压强（厂家提供相关泵的承载压强为1.5 MPa），说明灰浆产生水击压力时，改制对泵体结构的安全具有显著影响（如表1）。

3 降低灰浆水击压强的措施

经上述计算和分析可知，当电厂除灰泵系统发生紧急停机时，泵体反向转速不会超过安全允许值，但灰浆水击压强稍大于泵蜗壳所承受的最大压强，对泵体的安全运行十分不利。因此，可对灰渣泵或除灰管路采取一定的防护措施，以保证安全生产。在理论分析及实际计算的基础，提出以下防护措施：

（1）加厚灰渣泵蜗壳的厚度，提高蜗壳的承压强度。（2）增加除灰管路的直径，并且除灰管路的膨胀应使用补偿量比较大的补偿器。（3）安装泄流安全阀，在可能发生浆击的管段如泵的出口处安装泄流安全阀，在浆击压强超过某一定值后阀门自动开启，泄出部分浆体，由于浆体压缩性小压强随着流体的泄出而迅速降低。（4）降低波速，缓和浆击强度，由于空气弹性模量小，对降低灰浆水击波速，缓解浆击压强有显著作用。

参考文献

[1]周云龙，孙斌，蒋诚.发电厂除灰泵浆体水击压强的计算与分析[J].流体机械.2001，2：19-21.

[2]江春波，张永良，丁则平，等.流体力学[M].中国电力出版社.2007（8）：38-89.

[3]韩文亮，费祥俊，任裕民.关于浆体水击压力波波速的实验研究[J].水利学报.1990（11）：41-47.

[4]周云龙，陈晓波，邓冬，等.火电厂输灰管路浆体水击瞬变过程数值计算与分析[J].吉林大学学报.2008（3）：652-657.