大型合成氨厂循环水系统水锤分析

王照成，徐俊辉，彭 杰

（中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223）

大型合成氨厂循环水系统为整个工厂提供循环冷却水，因为全厂循环冷却水用户多，分布广，因此该系统具有管径大、管道长、管网复杂等特点。当瞬态工况造成循环水泵突然停止或启动时，管道内的压力会产生剧烈波动，从而导致水锤发生，直接威胁管道系统及设备的安全，造成生产或安全事故[1-4]。因此，在设计过程中要重视循环水管网系统的水锤分析，避免事故的发生[5]。

水锤造成的危害主要分为两个方面，一是水锤发生时，管道内压力急剧波动，甚至超过系统的设计压力，从而造成管道和设备的损害；二是水锤造成循环水泵反转，反转转速过大容易造成泵的损坏[6]。泵出口止回阀的开闭时间是影响水锤的关键因素，止回阀的开闭时间太短，容易造成管道内压力剧烈波动，止回阀关闭时间太长，容易造成循环水泵反转转速过大（厂家允许的最大反转转速通常为120%额定转速）[7]。目前，对于大型循环水系统，循环水泵出口止回阀一般采用缓闭式止回阀，通过合理设定止回阀开闭时间，既可以降低水锤产生的压力波动，也可以保证泵反转转速在合理范围之内[8]。

本文采用AFT Impulse软件对天然气制合成氨厂循环水系统在不同瞬态工况下进行了模拟计算，得出了合适的循环水泵出口止回阀打开和开闭时间，以保证循环水系统的安全运行。

1 循环水系统概况

本文以某日产2200吨天然气制合成氨厂为例，利用AFT Impulse 6.0软件，建立了循环水系统计算模型（如图1所示）。该循环水系统共有4台循环水泵（3开1备），其中3台常用泵采用蒸汽驱动，1台备用泵采用电驱动。循环水泵参数如下：型式为离心泵，额定流量9000m3/h，额定扬程55.5m，泵转速740r/min。循环水泵出口设置缓闭式止回阀，其参数如下：型式为蝶阀，阀门尺寸48寸，阀门关闭时间 10～30s，阀门打开时间 10～40s。

循环水系统最大管径为72寸，系统设计温度为70℃，设计压力为1.0MPaG和全真空。

图1 循环水系统模型

2 工况分析

循环水泵的停止和启动均会导致管道内的压力发生波动，泵出口止回阀的关闭及打开时间是影响管道内压力波动剧烈程度和泵反转转速大小的关键因素[9,10]。根据系统设计特点，本文对表1中各系统瞬态工况下不同的止回阀开闭时间进行了计算和分析。

表1系统瞬态工况

根据缓闭式止回阀的设计参数，分别选取10s、20s、30s作为泵停止时止回阀关闭时间进行计算，选取 10s、20s、30s、40s作为泵启动时止回阀打开时间进行计算。为便于观察分析，设定瞬态工况在3s时发生。

3 计算及结果分析

3.1 稳态计算

AFT Impulse软件在对系统进行瞬态计算之前需要先对系统进行满负荷工况下的稳态计算，确保当前循环水系统管网设计可以满足各冷却水用户的水量需求，然后以此模型为基础进行下一步的瞬态计算。对循环水泵及各循环水用户的稳态计算结果如表2和表3所示。

表2 循环水泵稳态计算结果

稳态计算结果表明，循环水泵的计算参数与设计参数基本吻合，各循环水用户计算用水量均满足设计要求。

3.2 工况1：停1台汽驱泵，自启1台电驱泵

正常工况下，3台汽驱泵运行为全厂供应循环冷却水，1台汽驱泵从3s时因故障开始逐渐停止运行，系统压力降低。此时循环水泵出口低压联锁触发，备用电驱泵自启动。根据止回阀厂家要求，当电驱泵出口止回阀前压力达到0.15MPaG时，止回阀逐渐打开。在此工况下，保守考虑，设定汽驱泵出口止回阀关闭时间为10s，考查了电驱泵出口止回阀在不同打开时间下系统出现的最高和最低压力（负压）情况。如图2和图3所示，当止回阀打开时间分别为10s，20s，30s和40s时，系统出现的最高压力分别为0.701MPaG，0.693MPaG，0.682MPaG和0.672MPaG，系统出现的最低压力分别为0.008MPaG，0.012MPaG，0.013MPaG 和 0.014MPaG。结果表明，系统最高压力随着开阀时间的增加而降低，系统最低压力随着开阀时间的增加而增加，延长阀门打开时间可以减缓压力的波动情况。系统的最高压力并未超过系统的设计压力，因此在停1台汽驱泵，自启1台电驱泵工况下没有明显的水锤现象发生。

表3 循环水用户稳态计算结果

图2 工况1时不同开阀时间条件下的系统瞬态最高压力与时间变化关系

图3 工况1时不同开阀时间条件下的系统瞬态最低压力与时间变化关系

图4 工况1时不同开阀时间条件下的汽驱泵转速与时间变化关系

当泵停止运行后，由于失去了驱动力，泵的转速逐渐降低，同时在止回阀未关闭前，泵出口水逆流的作用下转速进一步降低并出现反转，泵反转速度过大容易造成泵的机械损坏。如图4所示，在汽驱泵停止运行之后，泵转速逐渐降低，但是并未发生反转，开阀时间的长短对泵转速并未产生明显影响，这是由于驱动泵的汽轮机具有较大的转动惯量，管道内的水逆流不足以引起泵反转。

3.3 工况2：停1台电驱泵：

在此工况下，2台汽驱泵和1台电驱泵运行为全厂供应循环冷却水，电驱泵从3s时因故障或停电停止运行，此时备用汽驱泵无法自启动。在此工况下，考查了电驱泵出口止回阀在不同关闭时间下系统出现的最高和最低压力情况。如图5和图6所示，当止回阀关闭时间分别为10s，20s和30s时，系统出现的最高压力分别为0.610MPaG，0.578MPaG和0.568MPaG，系统出现的最低压力均为0.014MPaG。结果表明，系统最高压力随着关阀时间的增加而降低，系统最低压力随着关阀时间的增加并未发生明显变化，延长阀门关闭时间可以减缓压力的波动情况。系统的最高压力并未超过系统的设计压力，因此在停1台电驱泵工况下没有明显的水锤现象发生。

图5 工况2时不同关阀时间条件下的系统瞬态最高压力与时间变化关系

图6 工况2时不同关阀时间条件下的系统瞬态最低压力与时间变化关系

图7 工况2时不同开阀时间条件下的电驱泵转速与时间变化关系

如图7所示，在电驱泵停止运行之后，泵转速迅速降低，直至降为零，然后在反向水流的作用下出现反转，当止回阀关闭时间分别为10s，20s和30s时，电驱泵的最大反转转速分别为正常转速的-55.24%，-79.33%和-80.63%，泵反转转速随着关阀时间的增加而增大，但并未超过允许的最大反转转速。

图8 工况3时不同关阀时间条件下的系统瞬态最高压力与时间变化关系

图9 工况3时不同关阀时间条件下的系统瞬态最低压力与时间变化关系

3.4 工况3：停3台汽驱泵

正常工况下，3台汽驱泵运行为全厂供应循环冷却水，工厂因为非计划停车3台汽驱泵同时停止运行，此时备用电驱泵不自启动。在此工况下，考查了汽驱泵出口止回阀在不同关闭时间下系统出现的最高和最低压力情况。如图8和图9所示，当止回阀关闭时间分别为10s，20s和30s时，系统出现的最高压力分别为 2.239MPaG，0.458MPaG和0.369MPaG，系统出现的最低压力分别为-0.098MPaG，-0.009MPaG和0.019MPaG。结果表明，系统最高压力随着关阀时间的增加而降低，系统最低压力随着关阀时间的增加而增加，延长阀门关闭时间可以减缓压力的波动情况。当关阀时间为10s时，系统的最高压力已经远超过系统的设计压力，系统的最低压力接近于全真空，此时系统内产生了严重的的水锤现象。当关阀时间为20s和30s时，系统的最高压力并未超过系统的设计压力，此时系统内没有明显的水锤现象发生。在工况3下，各汽驱泵的转速变化情况可参考工况1，没有出现泵反转现象。

4 结论

采用计算机模拟软件对天然气制合成氨厂循环水系统进行了不同瞬态工况下的水锤分析，选用泵出口止回阀的打开及关闭时间作为控制参数，考察了在瞬态工况下不同开阀或关阀时间对系统压力及泵转速的影响。计算结果表明，增加泵出口止回阀的打开和关闭时间能减缓系统内的压力波动，泵的反转转速随着关阀时间的增加而增加。当泵出口止回阀打开时间为10～40s，电驱泵出口止回阀关闭时间为10～30s，汽驱泵出口止回阀关闭时间为20～30s时，可以避免水锤的发生以及泵的反转转速过大，保证系统的安全运行。

参考文献

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