停泵水锤两阶段关阀调节保护研究

（东南大学 能源与环境学院，南京 210096）

0 引言

大型火电厂冷却水系统容量大，管道长，管网结构复杂。为确保冷却水量充足，通常采用大流量低扬程的循环水泵［1］。一旦事故停泵，阀门处管路流速骤降，压力骤降，易产生汽化空腔，使管路破裂风险上升。当正向流量减至零，因凝汽器水位标高在泵阀之上，管中流体受重力倒流，使水泵倒转受损。阀门全关后，管流中能量未消散，以波的形式振荡，使管路疲劳受损，寿命降低［2］。这种在封闭系统中由流体速度的快速变化引起的压力或动量瞬变称为水锤［3］。水锤严重威胁管路系统安全。

为抑制水锤，人们提出注水稳压、泄水降压、增装惯性飞轮、增设排气阀、安装调压塔以及调节阀门关闭历时等措施［4-6］。其中，阀门调节技术成熟且成本低廉，现已广泛应用［7-13］。阀门调节常分为一阶段与两阶段关阀防护2种模式。两阶段关阀模式指阀门先快速关闭至某一角度，再慢速关完剩余行程。相比于一阶段模式，两阶段模式可以限制倒流流量和水泵倒转转速，降低阀门全关后压力脉动幅度，管路系统安全性高。但两阶段关阀策略须根据对象确定，否则可能丧失水锤防护效果，甚至加剧其破坏效应［14-15］。

本文以某电厂600 MW机组循环冷却水系统为研究对象，建立停泵水力过渡过程数学模型，其冷却水系统管路高程如图1所示。鉴于上述水锤危害，选取阀门出口最低压力，泵最大倒转转速、阀门全关后管路水锤波振幅作为评价管路系统安全性指标进行仿真计算。研究两阶段关阀策略中快关时间、快关角度对管路系统安全性的影响，指出可以通过优化快关时间与快关角度的方法，提高管路系统安全性。

图1 某电厂600 MW机组循环冷却水系统管路高程

1 停泵水力过渡过程数学模型

根据弹性水锤理论，水锤运动和连续方程组如下［4］：

式中 H ——管路中某处的水头，m；

x ——沿管路轴向某处位置坐标，m；

g ——重力加速度，m/s2；

V ——管内流速，m/s；

f ——管路摩阻系数；

D ——管路直径，m；

t ——时间，s；

α ——管路与水平面间夹角，°；

a ——水击波传播速度，m/s。

通过有限差分法建立特征线方程［16-18］：

其中

式中 QPi，HPi——待求点P的参数；

Qi，Hi——已知点 A，B 参数。

求解时，初始H，Q已知，然后沿着计算时段Δt层层推进至算完。

综合参数CP和CM，式（1）改写为：

式（2）～（4）组成求解方程。边界条件：

（1）泵房前池与虹吸井液面高度不变，则有：

（2）阀门处水头损失：

式中ξ——阀门阻力系数；

Q ——阀门处流量，m3/s；

A ——阀门处通流面积，m2。

（3）串联管路连接点处，连续性条件与水头条件：

式中 P1，P2 ——下标，支管序号；

N+1 ——断面序号；

hw——局部阻力损失。

（4）泵处水头平衡方程式与转速改变方程式：

式中 HS——泵在吸水管一侧测管水头，m；

ΔH泵——泵的扬程，m；

ΔH阀——阀门处水头损失，m；

HP——泵在压水总管一侧测管水头，m；

M反——反力矩，N·m；

GD2——水泵回转部分飞轮力矩，N·m；

ω ——泵轮旋转角速度，rad/s。

2 初始关阀策略下停泵水力过渡过程计算

循环冷却水系统为直流式供水系统。图2示出阀门流量系数与开启度关系曲线。单泵运行时水泵流量12.3 m3/s。关阀历时35 s：快关至60°，用时5 s；慢关剩余行程，用时30 s。

图2 阀门流量系数与开启度关系曲线

利用AFT Impulse管道系统水锤分析软件求解计算。计算时间步长取 0.001 113 s，模拟时长60 s，水锤波速 826～1 190 m/s。

图3示出泵转速，阀门出口流量与压力随停泵后时间变化情况。由图3，第0 s停泵后，泵转速下降，正向流量下降，阀门出口压力跌至0.024 MPa，管流汽化风险上升。第8 s后管流倒流，冲击水泵，使水泵倒转升至原转速的17.3%，危害水泵安全。第35 s后，阀门全关，倒流终止，管路中形成振幅达0.011 MPa的水锤波，加剧管路疲劳损伤。因此，需要优化快关时间与快关角度，提升管路系统安全性。

图3 快关时间5 s，快关角度60°时泵转速、阀门出口流量与压力随停泵后时间的变化

3 两阶段关阀策略影响因素分析

控制两阶段关阀总历时不变，计算并讨论快关时间、快关角度变化的影响。图4示出了快关角度60°，不同快关时间下阀门流量系数随停泵后时间变化情况。表1给出了对应停泵后流量变化与安全性指标计算结果。图5示出了快关时间9 s，不同快关角度下阀门流量系数Cv随停泵后时间变化曲线。表2给出了对应停泵后流量变化与安全性指标计算结果。

图4 快关角度60°时，不同快关时间，阀门流量系数与停泵后时间关系（Cv-t）曲线

表1 快关角度60°时，不同快关时间，停泵后流量变化与安全性指标计算结果

图5 快关时间9 s时，不同快关角度，阀门流量系数与停泵后时间关系（Cv-t）曲线

表2 快关时间9s，不同快关角度，停泵后流量变化与安全性指标计算结果

3.1 快关时间与角度影响分析

快关时间与角度增加都会加强关阀过程流动：使正向流动持续时间延长；倒流最大流量增加。但快关时间对正向流动影响较大；快关角度对倒流影响较大。

正向流动影响阀门后压降幅度，保护管路安全。倒流影响水泵倒转速度与阀门全关后水锤波振幅，危害水泵和管路。

3.2 关阀策略优化分析

利用快关时间与角度影响差异优化关阀策略。先调整快关时间以接近倒流时刻，使正向流动尽量强。然后调整快关角度，控制倒流。重复该过程，最终使各安全性指标满足要求。在本研究案例中，优化后的快关时间9 s，快关角度35°。优化前后计算结果见表3。

表3 优化前后安全性指标计算结果

相比于初始关阀策略，优化策略阀门出口最低压力提高44%，阀门全关后压力振幅降低70%，水泵无倒转，水泵与管路系统安全性提升。优化策略能有效发挥阀门调节防护作用。

4 结论

（1）对于两阶段关阀策略，快关时间与角度增加都会加强关阀过程管路流动。快关时间对正向流动影响较大；快关角度对倒流影响较大。

（2）调整快关时间与角度，实质上是寻找一个平衡点，使正向流动尽量强，倒流尽量弱，以达到提升停泵管路系统安全性的目的。