火电厂冷却水系统虹吸井水锤数值模拟

王 勇，赵永俊，丁文浩，赵金箫，徐世凯，罗俐雅，王文康

（1.南京水利科学研究院，南京 210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.水利部太湖流域水治理重点实验室，南京 210029；4.江苏省水文水资源勘测局，南京 210029）

虹吸井是火电厂冷却水系统中重要的构筑物。虹吸井的堰顶高程可提高凝汽器冷端压力， 从而防止空化发生。 利用虹吸原理来降低循环水泵的工作水头，从而减少水泵的耗电费用，增加水泵扬程。 虹吸井结构尺寸的合理选取应综合考虑工程投资和系统运行的稳定性和经济性等因素。 如果火电厂冷却水系统水泵突然开启，将引起水流动量的急剧变化，管道水流会产生一个相应的冲量， 使管道中的压力产生急剧变化。由冲量产生的冲击力作用在管道、虹吸井、泵房、阀门上，可以导致虹吸井内水流大量的上涌及水泵、阀门或管道的破坏，这就是水锤现象。水泵机组容量越大、管道越长、扬程越高，水锤问题越突出。随着火力发电机组单机容量的增大，供水系统日趋复杂， 系统的可靠性及其水锤问题引起工程界与学术界的高度重视［1，2］。 为确保火电厂冷却水系统的安全运行， 对系统进行详细的水锤计算与过渡过程分析，并选择合适的防护措施、编制合理的运行方案是十分必要的［3，4］。 国外对过渡过程计算进行长期研究，推动了瞬变流动的研究工作，为过渡过程数值分析打下了良好基础。 国内的杨开林、董兴林、叶宏开等人也对过渡过程进行了研究。 目前关于虹吸井动态水力性能及其优化设计方面的研究成果还很较少。 本文建立了火电厂冷却水系统过渡过程数学模型［5，6］，针对水泵开启时虹吸井内水流大量上涌的水锤问题，通过不同开泵、开阀门工况计算分析，提出了解决问题的建议。

1 火电厂冷却水系统过渡过程数学模型

火电厂冷却水系统主要包含取水口、引水管道、泵房前池、水泵、蝶阀、凝汽器、虹吸井、排水管道、排水口，布置形式如图1。 本发电厂机组工程引水管道长达930m， 排水管道长3300m。 冷却水系统管道较长，系统的水锤问题突出［7，8］。

图1 火电厂冷却水系统纵剖面图

1.1 基本方程

火电厂冷却水系统的水流运动可以用一维圣维南方程组来描述，其基本方程为：

式中 H 为循环水系统管道的压力水头 （m）；v为循环水系统管道的流速 （m/s）；d为循环水系统管道的直径（m）；a为水击波传播速度（m/s）；θ为引水管道与水平面夹角（°）；s为管道沿程长度（m）；t为时间（s）。

式（1）和式（2）属于一阶拟线性双曲型偏微分方程组，可以采用特征线法求解［9］。

1.2 边界条件

水泵方程除了水流运动方程以外， 还有水泵工作水头方程、 蝶阀开度过程描述方程及力矩平衡方程等组成。 泵的无量纲全特性曲线采用SUTER方法处理。

水泵工作水头方程：

式中 MR=NRωR为额定转矩；NR为额定功率。

采用Newton-Raphson方法对水泵方程进行迭代求解。虹吸井作为溢流堰处理，可以利用溢流堰的水位流量关系迭代求解。

假定Hp=H0（初始值），由（8）式可以求出Qp。 利用溢流堰的水位流量关系进行插值， 由Qp可得H＇p。不断进行迭代，直到H＇p-Hp≤ε时，这时的Qp、Hp为所求值。

2 火电厂冷却水系统虹吸井水锤计算成果

2.1 水锤计算工况

水泵的额定转速为425rpm， 额定功率为2818.3kW，额定流量为10.27m3/s，额定扬程23.9m。 水泵启动时，泵、阀同时动作，开阀时间为20～50s。 根据设计书及物理模型试验结果， 引水系统管道糙率为0.012～0.014。 凝 气 器 参 数： 凝 汽 器 冷 却 面 积 为34500m2、单流程、清洁系数0.9。 虹吸井顶高程9.0m。计算工况如表1。

表1 计算工况

2.2 水锤计算成果（虹吸井敞口布置）

火电厂冷却水系统虹吸井敞口布置时， 各计算工况虹吸井最高水位如下：

（1）虹吸井水位最高11.68m，已经超过虹吸井顶高程9m。 每单元3台泵同时开启时，虹吸井内水流会大量上涌，超过虹吸井顶高程，产生溢流。

（2）虹吸井水位最高9.42m，已经超过虹吸井顶高程9m。每单元3台泵间隔90s依次开启，虹吸井内水流上涌高度明显降低，但仍然超过虹吸井顶高程，产生溢流。

（3）虹吸井水位最高8.95m，离虹吸井顶高程9m差0.05m。 每单元3台泵间隔120s依次开启，虹吸井内水流上涌高度低于虹吸井顶高程，不会产生溢流。

（4）虹吸井水位最高8.64m，离虹吸井顶高程9m差0.36m。 每单元3台泵间隔120s依次开启，虹吸井内水流上涌高度低于虹吸井顶高程，不会产生溢流。并且泵出口阀慢开， 虹吸井内水流上涌高度会进一步下降。

由计算结果可见，火电厂冷却水系统虹吸井敞口布置时，工况C和D中虹吸井最高水位都低于虹吸井顶高程， 可以解决虹吸井内水流大量上涌的水锤问题。

2.3 水锤计算成果（虹吸井顶闭口布置）

虹吸井顶闭口布置时虹吸井平面尺寸不变，井顶高程降至7.0m，堰前堰后顶部分别设置一个2.5m×2.5m的敞口式检查孔。

每单元3台泵间隔2min依次开启（0，120， 240s），（泵 出 口 阀20s 开 到15°，50s 开 到90°）， 共 计 算 到1200s。 计算水位条件：5.02m（P=0.5%高潮位）。 虹吸井水位最高10.43m， 敞口式检查孔的高程不能低于此高程10.43m。

3 结语

（1）通过对火电厂冷却水系统的概化，建立火电厂冷却水系统过渡过程数学模型。 针对火电厂水泵开启时虹吸井内水流大量上涌的水锤问题， 通过冷却水系统过渡过程的计算，不同开泵、开阀门工况的分析，找到了减小或消除水锤危害的方法。

（2）运用有压流水力瞬变基本理论，结合电厂实际资料，对火电厂冷却水系统虹吸井水锤计算分析，结果表明： 采用特征线法对火电厂冷却水系统的水力过渡过程进行计算是切实可行的， 得到较为精确的结果。 采用每单元3台泵间隔开启、快慢两阶段关闭蝶阀的优化方案， 可有效解决火电厂冷却水系统虹吸井水锤问题。 火电厂冷却水系统虹吸井水锤数值模拟结果，可供设计单位和有关部门参考使用，并为今后同类的工程布置设计和安全运行提供有益借鉴。