发电机技术供水管水锤现象分析

顾承庆，林婕宇

（国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江省杭州市 311608）

发电机技术供水管水锤现象分析

顾承庆，林婕宇

（国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江省杭州市 311608）

发电机组技术供水管道中的水锤效应是引起技术供水管路上各设备故障的重要因素，严重影响着设备安全运行。本文旨在通过对新安江电厂技术供水管路中水锤现象的计算分析，剖析了影响水锤压力值的各种因素，找出其中影响故障发生率的因素。通过具体计算以及讨论说明，提出消除技术供水管路中水锤危害的最有效办法就是加装进排气阀，验证了新安江电厂安装进排气的必要性。进排气阀技术目前已十分成熟，多应用于长管路输水系统，能有效消除各种类型的水锤危害。

水锤；进排气阀；流量；负压；管路

进排气阀是有压输水管道重要的水锤防护措施之一，担负着管线的排气和负压控制任务。通过在管路中合理的布置进排气阀，既可以在空管道充水时排放管道里的空气，又能在管道水排空时自动进气以消除真空，防止水柱分离，避免水锤事故发生。

新安江水力发电厂机组在未安装技术供水管道进排气阀前，多次发生推力、上导冷却器进水水压表被打坏的故障，甚至出现过一次推力冷却器端盖密封垫圈破损，造成推力冷却器大量跑水的故障。根据监测数据来进行对故障的初步分析，可以指出上述故障发生的原因为：在机组技术供水进水阀21DDF开启和关闭时，技术供水管内产生了较为严重的水锤现象，造成的冲击和负压过高，导致密封垫圈和水压表的损坏。

1 技术供水管路水锤现象分析

水锤现象是指在有压输水管道中，阀门等突然开启或关闭时，由于流速的剧烈变化和水流的惯性引起压强产生大幅度波动。

水锤按产生的外部条件可分为：正水锤和负水锤，在此也可称为关阀水锤和开阀水锤。当阀门突然关闭，水流在惯性的作用下，水力迅速达到最大，阀体和管壁所受压力陡增，并于阀后产生负压，这就是大多数时候讨论的 “水锤效应”，也就是正水锤。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，此处可称为开阀水锤。

1.1 水锤产生过程分析

1.1.1 开阀水锤

当技术供水阀21DDF（以下简称21DDF）突然开启，几秒钟内阀后就能达到额定压力和流量，管道内的压力和流速急剧增大，管内残留气体受压缩后，体积变小，内压升高，阀后的压力降低，流量增大，气体的内压升到一定程度后反膨胀，动量和冲量交替转换，管道中发生一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象，并以压力波的形式在管道中传递，引起开阀水锤，最终导致管道中的薄弱环节遭到破坏。

1.1.2 关阀水锤

长管道连续供水系统的进水阀突然关闭所产生的水锤为一个先有负压波后有正压波的过程，在负压波传播过程中当长距离压力管道中某些部位特别是凸起部位的压力降至水的汽化压力以下时管道中的水开始汽化并形成一个较大的汽化空间使水柱不连续这就是所谓的“水柱分离”现象。当正压波反射回该处后，汽化空间中的水汽凝结，气泡溃灭，分离的水柱互相撞击，压力骤然升高，导致管道破坏。这种大负压导致的水锤破坏是长距离输水管线中经常出现的现象。

1.2 现场监测数据

新安江电厂安装进排气阀前对某台机组的推力水压进行现场监测。监测显示新安江电厂技术供水管路在21DDF开启和关闭时都会出现水锤效应。其中关阀水锤较为明显，可能损坏设备。

1.3 技术供水管路水锤计算分析

新安江电厂机组21DDF关闭时在技术供水管道中会产生一定水锤压力。以下将通过一个粗略的计算来与现场监测数据相互验证。

1.3.1 建立计算所需的管道模型

新安江电厂技术供水管路如图1所示。

图1 技术供水管路Fig.1 Technical water supply pipeline

1.3.1.1 管路选择

（1）自动滤水器内部构造较为复杂，与前后管路差别较大，水锤波不能连续地通过滤水器传播，所以这里选择其作为管路的起点。滤水器后水压表显示压力为0.65MPa，则可认为管路起点水头为：

（2）当水流进入各冷却器，由于管路直径骤变，流速骤变，水锤波难以通过冷却器继续传递，所以可以将其作为管路的终点。

图2 所选管路图Fig.2 Piping diagram

1.3.1.2 管路简化

新安江电厂技术供水系统管路为分岔管形式，可用单管近似法进行计算。即选取总长为最大的一根支管，将其余的支管截掉，将其看做串联管道，然后进行计算：

经现场测量，推力冷却水进水管是技术供水管上最长的支路，而且故障也多发生在该支路上，所以选取这段管路作近似计算

简化管道如图3所示。

图3 所选管路简化图Fig.3 Simplified piping diagram

1.3.2 以1号机为例进行计算

经现场调查1号机技术供水总管为DN200管，支管为DN100管。按图3可列表格如表1所示。

根据管径和流速可得各管道内水流流速：

表1 管路参数Tab.1 Pipeline parameters

同理可得：

平均流速为：

压力输水系统发生水锤时，水锤压力波以速度α沿管道传播，压力波传播速度α可按下式计算：

式中：E0——水的弹性系数，一般取2.1×104kg/m2；

D——管道直径，cm；

δ——管壁计算厚度，cm，薄壁钢管（D/δ＞20）的计算厚度δ等于管壁真实厚度δ0。

A、B、C段管压力波传播速度：

D、E、F段管压力波传播速度：

管压力波平均传播速度：

为了判别水锤的形式，需要计算管道特性系数，反应管道特性的两个常数为：

式中：V0——管道中水流初始流速，m/s；

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α——压力波传播速度，m/s；

H0——静水头，此处取66.3m；

Tsʹ——阀门直线关闭时间（s），21DDF 关闭时间厂家商业机密，不可查。通过日常操作估计为小于0.5s。这里取0.2s、0.3s、0.4s分别进行粗略估算，结果显示0.2s较为符合前期监测数值。

当阀门关闭时间Ts大于水管反射时间Tr时，则发生间接水锤，由于21DDF线性，可用直线关闭时间间接水锤压力计算公式进行。

在假定阀门相对开度τ0与时间及阀门过流相对流量q呈线性关系的条件下，间接水锤的压力变化可用下列公式进行计算：

当hWτ0＞1.5时，最大水击压力变化发生在末相。τ0为阀门相对开度，阀门全开至全关时τ0=1。

式中：σ——管道特性常数；

ξm——末相水锤压力降低或升高；

阀门关闭时：

阀门开启时：

技术供水管中的最大压力升高：

即0.206MPa。

技术供水管中的最大压力降低：

即0.327MPa。

1.3.3 结果分析

通过以上计算可以看出1号机21DDF开启时技术供水管路中最大压力升高为0.206MPa、21DDF关闭时最大压力降低为0.327MPa，而推力冷却器额定耐压值为0.3MPa。显然本文开头所述故障为关阀时技术供水管路中产生的大负压所致。

2 影响管路水锤压力值的主要因素

从计算过程中不难看出，在未加装进排气阀前，影响21DDF关闭时技术供水管路中水锤压力值的主要因素有：

（1）技术供水管道的长度、管径、材料；

（2）坝前水头高度；

（3）机组技术供水进水阀21DDF的关闭时间。

以下针对这三个因素结合现场工作进行具体分析。

2.1 关于“技术供水管道的长度、管径、材料”

改变技术供水管道的长度、管径、材料，需要技术供水管道的整体改造，涉及面太大，且没有必要，这里暂且不做讨论。

2.2 关于“坝前水头高度”的分析

统计新安江电厂2005～2008年未加装组合式进排气阀前推力、上导水压表损坏情况如图4所示。

图4 推力、上导压力表每月损坏次数趋势图Fig.4 Trend chart of pressure gauge damage

新安江电厂水库为多年调节水库，水位变化趋势每年都大致相同。选取2006年每月12日0点的水位值制成坝前水位趋势图如图5所示。

图5 坝前水位趋势图Fig.5 Trend of water level before dam

通过图4和图5的对比发现上导推力水压表损坏次数和水头高度有一定关系，6月、7月水位较高时，水压表也容易损坏。

但是，坝前水位与来水量有关，仅仅可通过加大发电量等手段有限调节，且作用不明显。统计结果显示，水位较低时也有水压表被打坏的现象发生，显然从水位上来考虑解决办法不切实际。

2.3 关于“21DDF关闭时间”的分析

在2006年，曾与9月和11月两次对21DDF关闭时间进行微调。统计结果显示，调节后，水压表频发损坏的情况有所缓解，但依旧存在。

由于调整21DDF的关闭时间没有一个量化的标准，且无法得知具体时间，所以并不能确定调节后的水锤压力值，不能保证彻底消除水锤的危害。显然只通过调节21DDF关闭时间虽然有效果，但不能完全消除相关故障。

3 进排气阀安装必要性分析

在安装进排气阀前，新安江电厂已针对水压表打坏等故障做了大量工作，但都不能彻底解决故障隐患。作为华东电网第一调频厂，新安江电厂机组启停频繁，导致技术供水管路启停频繁，管路内水锤冲击频繁，所以故障也较容易出现，从而对安全生产造成了不可忽视的威胁。

在安装进排气阀之前4年里，新安江电厂推力、上导水压表共损坏49次，甚至出现过一次推力冷却器端盖密封垫圈破损，造成推力冷却器大量跑水的故障。这些故障严重影响设备的健康运行。

4 进排气阀原理及安装后效果

进排气阀是是有压输水管道重要的水锤防护措施之一，担负着管线的排气和负压控制任务。任何时候，只要系统内压低于大气压如发生水柱分离现象时进排气阀就会立即打开向系统内进气，防止系统内产生真空，彻底消除水锤危害，杜绝故障隐患。

新安江电厂安装的进排气阀具备高压微量自动排气和低压进排气功能——可在管道有压状态下自动排放内部积聚的少量空气；也可在空管道充水时排放管道内的空气，在管道排空时自动进气。尤其是在水柱分离工况下自动打开，向管道内进气以消除真空。

统计结果显示，安装进排气阀后，至今未发生过水压表损坏故障。同时，推力冷却器端盖密封垫圈破损故障也已解决。说明新安江电厂技术供水管路中21DDF关闭时产生的真空已被减小至安全范围，不构成安全隐患。

5 结束语

供水管道中的水锤效应是影响设备安全运行的重要因素。本文通过计算具体剖析了影响水锤压力值的各种因素，通过讨论说明新安江电厂技术供水管路中水锤危害消除的最有效办法就是加装进排气阀，验证了新安江电厂安装进排气的必要性。进排气阀技术目前已十分成熟，多应用于长管路输水系统，能有效消除各种类型的水锤危害。

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Analysis on Water Hammer Phenomenon of Generator Technology Water Supply Pipe

GU Chengqing，LIN Jieyu
（State Grid Xin Yuan hydropower limited Xin’An river hydroelectric power plant，Hangzhou 311608，China）

The water hammer effect is an important factor that causes the failure of the equipment in the technical water supply pipeline，which seriously affects the safe operation of the equipment.This paper aims to analyze the various factors that affect the pressure value of the water hammer through the calculation and analysis of the water hammer in the technical water supply pipeline of Xin’An river power plant，and find out the factors affecting the failure rate.According to the calculation and discussion，the most effective way to eliminate the water hammer hazard in water supply pipeline is to install the intake and exhaust valve，which verifies the necessity of installing the inlet and outlet of the Xin’An river power plant.Intake and exhaust valve technology has been very mature，and more applied to the long pipeline water system，can effectively eliminate the various types of water hammer hazard.

Water hammer； inlet and outlet valve ； flow ；negative pressure； pipeline

TV741 文献标识码：A 学科代码：570 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.009

2016-07-26

顾承庆（1988—），男，大学本科，助理工程师，技术员，主要从事发电机检修工作。E_mail：jl03835799@163.com

林婕宇（1991—），女，大学本科，助理工程师，值班工程师，主要从事水轮发电机组运行值班工作。