钢企煤气电厂海水直流冷却水系统瞬态流案例分析

刘 军，赵 越，刘自力

（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙 410007）

前言

钢企煤气电厂采用海水直流冷却水系统可以节约淡水资源，提高经济效益。通常情形下，取水泵站距离凝汽器较近，可以降低管道设施费用和运行费用，但南海边某钢企煤气电厂项目由于规划原因，汽轮机房距离取水泵站距离有约1.6 km。海水直流冷却水系统的特点是流量大、管线长、高差小[1]。由于凝汽器布置位置较高，为了降低循环水泵的扬程，有效利用虹吸作用，通常在凝汽器后设置了虹吸井。海水直流冷却水系统运行中，凝汽器水室处于负压状态，在停泵后管道系统易发生断流弥合水锤。

1 停泵水锤计算软件简介

直流冷却水系统瞬态流分析采用美国AFT 公司Impules6压力系统水锤分析程序。压力管道系统水锤计算程序的基础是水锤基本微分方程式，借助于特征线法，将其转化为便于计算机运算的有限差分方程式[2][3]。它能解决复杂的管路系统和边界条件的水锤计算。

2 海水直流冷却水系统瞬态流案例分析

2.1 南海某电厂海水直流冷却水系统基本情况

海水直流冷却水系统的工艺流程为：取水头部→引水沟→取水泵站前池→取水泵站→压力供水管道→凝汽器→排水管→虹吸井→排水沟→排水口。海水直流冷却水系统采用母管制（D2740×18，钢管），3 台135 MW 汽轮机对应3 台100%供水泵，另备用1台100%供水泵。供水泵主要技术参数为：Q=5.87 m3/s，H=24 m，n=495 r/min，N=2000 kW，V=10 kV。为应对不同季节的温度变化和用电负荷变化，供水泵均采用变频调速。供水管采用钢管，排水沟采用钢筋混凝土箱涵（3×3m）。凝汽器水阻：流量6.01 m3/s 时，水阻7 m；流量4.81 m3/s 时，水阻4.8 m。海水直流冷却水系统沿程标高和稳态压力见图1(对应3 台汽轮机)，可以看出凝汽器顶部在正常运行时已处于真空状态。

图1 3台循环水泵运行稳态沿程水头示意图

2.2 计算方法和计算组次安排

直流冷却水系统瞬态流分析计算中，先依据设计的管道系统计算停泵不关阀的各工况，了解直流冷却水系统在过渡过程中各水力要素的变化情况，得出系统的特征参数。如管道系统在过渡过程中出现水柱分离的空穴并弥合，产生的水锤压力超出管道系统最大试验压力，需采取水锤防护措施后重新计算，直到在过渡过程中冷却水系统管路和设备压力处于最大试验压力以下。

在单泵运行流量为5.87 m3/s，停泵不关阀情况下的计算组次表参见表1。在水泵出口增设调压井，单泵运行流量为5.87 m3/s，关阀参数为快关动作时间3 s，快关角度70°，慢关动作时间9 s，慢关角度20°，停泵关阀情况下的计算组次表参见表2。

注：工况号最后1 位为1 表示平均低潮位，最后1位2表示百年一遇高潮位。

表1 不关阀情况下计算组次表

2.3 供水管上设置进、排气阀且不关阀情况下，直流冷却水系统瞬态流结果分析

按照设计，在每台供水泵出口管道上设置一台DN200的复合式进、排气阀，在室外埋地供水管最高点设置一台DN200 的复合式进、排气阀，水锤计算示意图见图2。进、排气阀在水泵启动管道填充过程中，当排气阀底部气压超过大气压时，允许空气逐渐流出。在水泵停机时，管道内水压小于大气压，进、排气阀打开让空气进入，以避免液体汽化现象的发生，达到减小真空度，防范水锤的目的。

图2 设进、排气阀的直流冷却水系统水锤计算示意图

按表1 不关阀计算组次表对各种工况进行计算，经计算发现31K1、21K1 工况水泵出口出现0.51 MPa、0.53 MPa的最大压力，超出供水管最大承压范围（0.4 MPa）；31K1、21K1、21K2、22K2 工况水泵出口管道上出现-0.1 MPa 的汽化压力，表明空穴未被水泵出口的进、排气阀补气所填满，出现汽化。31K1、21K1工况在水泵出口出现了负压水锤。凝汽器出口最大压力为0.26 MPa（21K1 工况），31K1、33K1、21K1、22K1、33K2、21K2、22K2 工况凝汽器出口虽然出现-0.1 MPa 的汽化压力，但空穴迅速被进、排气阀补气所填满。凝汽器出口出现了负压水锤，但没有出现超出凝汽器设计压力（0.4 MPa）的波动。停运泵最大回流量为31K1 工况，回流量为-4.34 m3/s，未超过供水泵额定流量。停运泵最大反转速为31K3 工况，最大反转速为水泵额定转速的0.86倍，满足反转速最大不超过额定转速的1.2倍的要求。

通过以上计算得知，采用上述供水管上加进、排气阀的常规水锤防护措施在运行中依然会产生水锤破坏，必须采用其他水锤防护措施。

2.4 设置调压井且不关阀情况下直流冷却水系统瞬态流结果分析

针对水泵出口和凝汽器水室出口出现汽化空穴，在水泵出口管道上设置调压井，在室外埋地供水管最高点设置一台DN200 的复合式进、排气阀，水锤计算示意图参见图3。调压井平时储存一定量的水，在供水泵停泵后，供水管中出现水柱中断时，及时向管道系统内补水，避免管道内局部区域的水在真空条件下汽化，从而消除水锤冲击。

图3 设调压井的直流冷却水系统水锤计算示意图

按表1 不关阀计算组次表对各种工况进行计算，经计算发现各工况水泵出口点最大、最小压力均为正压，最大压力为0.18 MPa(31K3 工况)，接近稳态压力，且在正常工作压力范围内。凝汽器出口最大压力为-0.03 MPa（31K5工况），接近稳压压力，在正常工作压力范围内，最小压力为-0.07 MPa（22K5 工况），未达到汽化压力，且时间很短。停运泵最大回流量为31K5 工况，回流量为-6.30 m3/s。运行泵最大流量工况为31K5 工况，最大流量为6.97 m3/s，偏离额定流量较大，但持续时间较短。停运泵最大反转速为31K5工况，最大反转速为水泵额定转速的1.27 倍，不满足反转速最大不超过额定转速的1.2 倍的要求，但超过额定转速的1.2 倍的时间很短，其他工况水泵反转速均未超过额定转速的1.2倍。

在水泵出口增设了调压井后，停泵后的水泵和凝汽器出口这两处容易出现汽化空穴的位置均未出现汽化，供水管沿线最大压力接近稳态压力，表示直流冷却水系统未产生水锤。由于调压井接近供水泵出口且水位较高，水泵出口蝶阀不关闭的情况下停泵后的水泵回流量和反转速明显较大，需要水泵出口蝶阀采取合适的关阀措施来降低水泵回流量和反转速。

2.5 供水泵出口蝶阀参数选择

为了降低循环水泵回流量，降低水泵反转速，防止水泵出现超流跳机现象，需对关阀参数进行调整，找出最优关阀参数。

根据液控蝶阀厂家资料，经过多种关阀参数的分析比对，为减少水泵回流量和反转速，兼顾管道系统和设备的承压能力，液控蝶阀宜快关。因此，选择两阶段关阀参数为快关3 s、70°，慢关9 s、20°。

2.6 按推荐参数关阀后的瞬态分析

详见图4～图8。

图4 33G1工况直流冷却水系统沿线压力包络线

图5 33G1工况阀后压力变化过程

图6 33G1工况凝汽器出口压力变化过程

图7 33G1工况凝汽器流量变化过程

图8 33G1工况供水泵转速变化过程

按表2 关阀计算组次表对各种工况进行计算，经计算发现泵站出水管最大压力控制工况为31B1工况(0.18 MPa)，水泵出口点最大瞬态压力均接近稳态压力，各工况水泵出口点最小压力0.006 MPa（11G1 工况），各工况最大、最小压力均在正常工作压力范围内。凝汽器出口点最大压力控制工况为11B2工况，为-0.01 MPa，凝汽器出口点瞬态压力接近稳态压力。凝汽器出口最小压力为-0.07 MPa（11G1工况），未达到汽化压力。停运泵最大回流量为-3.61 m3/s（31B1 工况），在阀门慢关过程中出现。停运泵最大反转速为31B1 工况，最大反转速为-303.45 r/min，为水泵额定转速的0.613倍，满足反转速最大不超过额定转速的1.2 倍的要求，停泵后4.18 s开始反转，停泵后7.36 s达到最大值。图8为典型工况（33G1工况）的各主要参数瞬态变化过程。根据计算，停泵后按推荐参数关阀，直流冷却水系统未发生水锤，水泵的回流量和反转速均在水泵安全运行的范围内。

2.7 调压井容积分析

调压井的水面面积是这样确定的：在下游虹吸井堰顶高程确定的情况下，由直流冷却水系统管道布置和管道沿程水头损失、局部水头损失以及输水流量可求得调压井在恒定流时的水位[1]。先假设一个大致的水面面积，进行瞬态流计算，主要是看在31G1、31B1、21G1、21B1、11B1 这些控制工况调压井内的水是否会放完。如果放完了还不够，则说明假设的面积小了，加大面积重新计算；如果水放不完，有富余，则减小面积，重新计算。在这个试算的过程中，要照顾到管线上和凝汽器不能出现超过允许值的负压。反复多次，直到满意为止。计算结果表参见表3。经计算分析，满足控制工况水力过渡过程中不会出现调压井排空的面积是14m2和20m2。从经济适用的原则出发，选择调压井面积为14m2。

注：百年一遇高潮位下，调压井排空时间均大于平均低潮位下的数据,故选择平均低潮位下的数据进行比选。

3 结论

为保证较长距离直流冷却水系统的安全运行，必须采取水锤防护措施，推荐在供水泵出口管上设置调压井，在供水母管上设置进、排气阀。

为了减小停泵后的回流量、防止调压井排空和防止凝汽器失水，有必要在供水泵出口设置液控蝶阀。停泵后务必连锁关闭液控蝶阀。建议停泵时液控蝶阀采用分段关闭方式，即快关3 s、关闭角度70°，慢关9 s、关闭角度20°，总关阀时间12 s。为了防止正常停泵出现调压井排空，大量进气破坏凝汽器负压虹吸状态，引起汽轮机组跳机，经过分析比对选择调压井面积为14 m2。

表3 两阶段关阀工况调压井面积选择计算结果表（平均低潮位）

海水直流冷却水系统运行时，供水泵应间隔一段时间逐一启泵和逐一停泵，同时停2 泵或3 泵工况运行时一般应避免出现。电源故障导致多台供水泵停机时，会出现调压井排空进气情况，重启第一台水泵时，应将对应出口的液控蝶阀开启一定角度，充管排气，待充管完成后再全开液控蝶阀。

采取上述推荐的水锤防护措施后，通过瞬态流水力验算，各工况海水直流冷却水系统在停泵后管道均未出现超压，凝汽器未出现失水和超压，水泵未出现超流、反转速超标的情况，有效保障了海水直流冷却水系统的安全稳定运行。