百万级ISC型间接空冷机组循环水系统水锤分析和防护研究

李 进，兰 刚，李晓一，张文君

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引言

干式冷却系统是用翅片管组成的表面式换热器，以空气为最终冷却介质，来冷却汽轮机的排汽或凝结排汽的冷却水的整套设施。因管内流体不与空气直接接触，与湿式冷却系统相比可节约蒸发、风吹和排污损失的水量，因而干式冷却系统在干旱地区得到较快发展[1]。在电厂循环水系统中，因水锤引起的最大压力、最小压力、最大倒转流量及机组最大倒转转速等不利因素是循环水系统设计的重要关键点。不合理的水锤防护设计往往导致浪费或使设备、管路等遭到破坏[2]。湿式冷却循环水系统的水锤分析和防护研究已经非常成熟[3-5]，而大型空冷机组干式冷却循环水系统这样的密闭系统的水锤数值模拟和防护还鲜有文献论述。本文结合工程实例，对某百万机组表凝式间接空冷循环水系统水锤进行数值模拟，比较水泵出口阀不同关闭规律下的水锤防护效果，论述表凝式间冷循环水系统的水锤防护方法。

1 工程概况

某电厂新建百万机组采用单元制表凝式间冷循环水系统，冷却设备为带垂直布置的全铝制空冷散热器的自然通风冷却塔。全塔分为12个扇区，每台扇区布置15个冷却三角，冷却三角有效高度28 m。表凝式间接空冷循环水系统工艺流程，如图1所示。

图1 表凝式间接空冷系统示意图

每台机组配备4台1600S24卧式离心水泵。水泵额定扬程22.00 m，额定流量7.24 m3/s，额定转速430 r/min，机组转动惯量2 100 kg·m2。水泵出口阀选用可控液控蝶阀。空冷塔设置两座膨胀水箱，膨胀水箱布置在空冷塔内 30 m(相对于空冷塔的0 m)高的膨胀水箱平台上。每座储水箱的容积150 m3，当量直径6.18 m，高度5.00 m。

2 停泵水锤计算

针对系统的管线布置与泵站设计，采用PIPENET流体分析软件对系统中可能出现的事故停泵水锤问题进行计算分析，系统模型如图2所示，采取合理的措施对工程进行水锤防护，对该泵站系统水锤计算及防护研究的主要内容如下：

图2 表凝式间接空冷循环水系统PIPENET模型

1)泵站稳态运行工况的校核计算。

2)泵站事故停泵过渡过程计算及水锤防护措施研究。分别计算各级泵站发生事故停泵时的泵组最不利参数(包括最大倒转转速、倒转时间、最大倒泄流量等)、管线最大、最小水锤压力；优化确定水泵出口控制阀的关闭规律；提出水锤防护措施。

2.1 恒定流工况校核

4台循环水泵同时运行，系统总流量为26.17 m3/s，膨胀水箱进口压力3.61 mH2O，水箱内气体压力0.55 mH2O，膨胀水箱水深3.05m，气体体积58.40 m3，水体积91.60 m3。恒定流水泵参数计算结果如表1所示，扇区计算结果如表2所示。

表1 水泵机组扬程和流量统计表

表2 冷却塔各扇区水力损失和流量统计表

2.2 四台水泵同时停机

四台循环水泵同时事故停机，事故发生后，水泵出口泵控阀没有动作，计算结果显示系统最大压力40.64 mH2O，出现在凝汽器入口处。事故发生后，空冷塔冷却三角顶点压力下降时，膨胀水箱内气体迅速膨胀，水箱下层水在气体压力作用下迅速补充到冷却三角中防止系统中压力下降过大或出现汽化现象。系统在膨胀水箱的保护下，系统最小压力-2.59 mH2O，出现在扇区1冷却三角顶点处，没有出现汽化现象。

表凝式间冷循环水系统为闭式循环系统，系统静扬程为0 m。如图3所示，当四台循环水泵同时事故停机后，水泵出口压力迅速下降，水泵进口压力迅速上升，水泵进出口压力差较小，因此水泵流量逐渐下降为0，并没有出现倒流现象，水泵也没有出现倒转现象，如图4所示。

图3 水泵进出口流量和压力随时间变化曲线

图4 水泵转速随时间变化曲线

2.3 四台水泵运行一台水泵事故停机

4台循环水泵同时运行，其中1台水泵突然事故停机，事故水泵出口阀的关闭方式对事故水泵、正常水泵和凝汽器的流量、压力等参数的影响较大。为了确定合适的水泵出口阀关闭规律，选用不同关闭规律，并对系统进行数值模拟，如表3所示。

表3 事故水泵出口阀关闭方案

当事故水泵采用方案一即事故后水泵出口阀不动作时，因另外3台水泵仍在继续运行，事故水泵进出口压力差较大，水泵出现了严重的倒流和倒转现象如图5～图9所示，最大倒流流量达到6.70 m3/s，最大倒转转速422.40 r/min，凝汽器最小流量为22.18 m3/s。

图5 事故水泵出口压力随时间变化曲线

图6 事故水泵流量随时间变化曲线

图7 事故水泵转速随时间变化曲线

图8 正常水泵流量随时间变化曲线

图9 凝汽器流量随时间变化曲线

当水泵出口阀采用两阶段方式关闭后，事故水泵出口压力迅速下降，事故水泵的倒流和倒转现象均得到了有效控制。如图6～图7所示，快关时间越短，事故水泵的最大倒流流量越小，事故水泵的最大倒转速度也越小。

如图8所示，4台循环水泵同时运行，其中1台水泵突然事故停机时，因事故发生时水泵出现了倒流和倒转现象，正常水泵的流量会迅速上升，然后开始下降，最终重新稳定。如果事故水泵出口阀门不动作，正常水泵的稳定流量将达到8.78 m3/s，但通过凝汽器的流量22.38 m3/s，如图9所示。如果事故水泵出口阀采用两阶段方式关闭后，正常水泵的稳定流量将达到7.98 m3/s，通过凝汽器的流量23.90 m3/s。

2.4 四台水泵同时停机两阶段关闭泵出口阀

4台水泵运行，同时事故停机，水泵出口阀采用表3所示不同的关闭规律关闭。计算结果显示事故水泵均没有出现倒流和倒转现象。系统中最小压力出现在扇区1冷却三角顶点处，没有出现汽化现象。系统最大压力出现在水泵出口，水泵出口阀不动作时压力最小，水泵出口阀采用8 s关闭70°、40 s关闭20°时压力最大，达到46.22 mH2O，但采用两阶段关闭水泵出口阀时，三种不同关阀规律下系统最大压力极值相差并不大，如图10所示。

图10 水泵出口压力随时间变化曲线

3 结论

通过对某实际工程的表凝式间接空冷循环水系统进行建模仿真，可以得出以下结论：

1)与湿式冷却循环水系统不同，密闭式的表凝式间冷循环水系统因系统静扬程为0 m，4台循环水泵同时事故停机并没有导致水泵出现严重的倒转和倒流现象。

2)在表凝式间接空冷循环水系统中设置适当大小的膨胀水箱，可以防止系统在循环水泵事故停泵时出现汽化现象。

3)在本系统中4台水泵运行，其中1台水泵事故停机时，事故水泵出现了严重的倒流和倒转现象，为最不利工况，建议水泵出口阀关闭规律按此工况进行设计，并对其他工况进行校核。

4)水泵出口阀关闭规律对水泵的最大倒流流量、最大倒转转速和系统最大压力、最小压力等参数影响较大，对水泵流量、凝汽器流量的变化和稳定过程也有较大影响，在本系统中推荐采用6 s关闭70°、30 s关闭20°的两阶段关闭方式，对于其它的系统，水泵出口阀关闭规律应通过计算确定。