水温变化对压力管道压力波动影响研究

孙家诚 林子恒

（哈尔滨工程大学核科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨150001）

0 引言

实际工业中常常遇到同一压力管道系统中不同区段管道内流体温度不同的现象，比如核电厂二回路系统中凝结水在冷凝器出口温度为24℃左右，当其到达蒸汽发生器入口时水温已经接近230℃，水温变化巨大。研究水温变化对压力系统中压力瞬变过程的影响对于提高压力系统的经济性、安全性都有积极意义。

弹性压力波动理论表明水体的弹性会导致压力波动波速发生变化（如公式1所示），而连续瞬变流理论则表明压力波动波速对压力波动升压有很重要的影响[1-2]。国内研究压力管道系统内压力波动现象的相关文献中基本未讨论管道内流体温度的变化对压力波动效应的影响[3-6]。

利用Flowmaster（FM）软件强大的仿真计算能力，本文建立了一个非恒定水温压力管道系统，并详细研究了温度变化过程中压力波动现象的响应情况，由此给出了相应工况中的压力波动改进措施，对于相关工业实践中的管路设计运行具有一定的指导意义。

其中，K为水的体积模量，量级GPa（约为2GPa，与水的温度和压力有关系）；ρ为水的密度；d为管道半径，单位m；E为管壁的弹性模量，量级GPa（多为200GPa）；s为管壁厚度，单位m。

1 系统建模

如图1所示，非恒定水温压力系统包含水池、水泵、管道、加热器、相关阀门等设备，系统的工作过程如下[7]：

并列运行的两台泵从水池1抽水，经过加热器加热后分别供给不同的水池。水池1、离心泵（2台）、止回阀（2个）均位于参考平面，水池2所在平面位于参考平面50m高处，水池3所在平面位于参考平面40m高处，向水池3供水的支路供水量受阀门进行调节。

系统仿真时间为15s，仿真开始时两台泵均处于正常运行状态、阀门完全打开，阀门10在0~2s内由全开变成全闭，水泵2则在之后的2s后电机停转。水池1的给水温度为默认（20℃），加热器则保证其出口水温分别为20℃和100℃。系统各节点均采用不可压缩链接，节点9参数则设定为“Autovapourisation”。

2 计算及结果分析

系统仿真时间为15s，仿真开始时两台泵均处于正常运行状态、阀门完全打开，阀门10在0~2s内由全开变成全闭，水泵2则在之后的2s后电机停转。由于调节阀管壁将导致阀前/后的管路中出现压力波动现象，下面根据Flowmaster软件计算结果分析了水温变化前后管路内流体的压力波动响应。

图2给出的是节点标号为6处水的压力随时间的变化情况，可以发现由于水温增加导致流体波速增加，导致调节阀关闭后阀前管路中的水锤现象出现了一定程度的加剧：管道内水温度升高后6号节点处水的水锤压力最值存在一定程度的提高，且该节点处的水锤压力最值出现的时间明显提前（如图2红色曲线示）。

图2 6号节点处流体压力随时间的变化曲线

图3 给出的是节点标号为9处水的压力随时间变化的情况，可以发现水温增加对于阀后压力波动的严重程度影响不大，但是压力波动明显加剧，而且该节点处的水锤压力最值出现的时间明显提前（如图3中红色曲线所示），这同样是由于水温增加导致水的波速出现了一定程度的增加。

图4和图5分别给出了传热器出口水温为20℃和100℃时，调节阀之前的管道中流体的压力沿管长方向随时间的变化曲线。对比可以发现：沿管长方向，靠近调节阀的压力波动现象较严重；水温升高后压力波动影响的管长范围有较大增加，水温20℃时出现明显水锤现象的管长大概为50m~80m，水温100℃时出现明显水锤现象的管长则为30m~80m；随时间增加，两种情况下管道内部压力趋于稳定的时间基本相同。

图4 换热器出口水温20℃时6号管道内部压力随管长及时间的分布

图5 换热器出口水温100℃时6号管道内部压力随管长及时间的分布

3 结论

利用FM软件强大的计算仿真能力，管道长度不是很长的压力系统中流体水温发生较大变化时，分析了关阀引起的压力波动在压力管道中的分布情况。对比换热器出口处的水温不同时，关阀引起的压力波动在压力管道中的分布可知，压力管道内水温的从20℃增加到100℃时，将会对压力管道内由于关阀引起的压力波动产生以下影响：

1）在一定程度上影响压力瞬变的峰值，导致压力波动峰值增加；

2）影响压力波动涉及的范围，导致受压力波动影响范围增加；

3）影响压力波动峰值在管路内的分布密度及峰值大小。

在实际工业实践中，许多压力系统同时满足系统管路长度不大，但是管路中流体的温度变化比较大（如核电厂二回路系统中的凝给水系统），根据计算结果，本文提出以下建议：

1）对于水温恒定的压力管路系统，可以采用设计压力相同的管道，即可满足需求；

2）对于水温发生变化的压力管路系统，可以先根据系统设计方案对系统内的压力瞬变情况进行分析，对于压力波动影响不到的管道可以采用设计压力较小的管道，对于受压力波动影响较大的管道可以采用设计压力较大的管道，以达到满足系统安全性能同时节省系统建造成本的目的。

［1］马小云.波速对长距离输水管道水力过渡过程的影响与研究[D].西安：长安大学,2012：2-23.

［2］张彦光.压力管道水锤波速影响因素的分析及其对距离输水管道中水锤计算的影响研究[D].西安：长安大学,2011：6-27.

［3］林红玉.水锤波速对长距离泵站输水管路中断流水锤的影响与研究[D].西安：长安大学,2010：8-18.