电厂直流冷却水管道系统水锤应力计算谈宏力江新耀何正光等

给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４９５　　　管网设计与运行电厂直流冷却水管道系统水锤应力计算　　　　　（湖北省电力勘测设计院，武汉　４３００４０）　　摘要　以菲律宾ＣＡＬＡＣＡ电厂直流冷却水管道系统为例，应用一维流体分析软件ＰＩＰＥＮＥＴ进行仿真建模。介绍了该电厂主要冷却水系统构筑物的模型简化及建立依据，对冷却水管道跨越排水渠敷设布置方案及各种事故停泵工况下不同关阀规律对应的瞬变流过程进行仿真研究，确定合理的管道跨越排水渠敷设布置方案，得出较理想的关阀操作规律，同时采用国际通用软件ＣＡＥＳＡＲⅡ对桁架处管道进行精确动态分析，为支架和桁架设计提供依据。关键词　直流冷却水　瞬变流　事故关阀　水锤力　响应谱分析１　工程概况菲律宾ＣＡＬＡＣＡ电厂新建１号、２号机组采用单元制海水直流冷却水系统，新建泵房与原有电厂泵房紧邻，受原有电厂布局影响，新建泵房距离电厂较远，冷却水管道最远达１．２ｋｍ，且需跨越现有电厂３２ｍ宽的排水渠，冷却水管道需要架空沿桁架敷设。长年运行工况：每台机采用２台泵并联运行，单泵运行工况为Ｑ＝３．９８ｍ３／ｓ，Ｈ＝２４．２ｍ，η＞８６％；水泵转动惯量１０　０００ｋｇ·ｍ２；额定转速５１０ｒ／ｍｉｎ（６０Ｈｚ电机）。环境参数：大气压力１０１　３２５Ｐａ；冷却水温度３３℃；海水动力黏度０．０００　７７Ｐａ·ｓ；饱和蒸汽压力５　１２８Ｐａ。冷却水系统高程布置见图１。图１　直流冷却水管道系统高程布置（单位：ｍ）电厂冷却水系统的特点是大流量、低扬程。事故情况下，不合理的关阀会造成严重的安全和生产事故［１］。在瞬变流过程中，处于驼峰位置的凝汽器易产生弥合水锤［２］，在阀门处产生水击波。同时管系中的压力不平衡将在管道轴向产生冲击力，不合理的关阀会使这类冲击力的瞬时值达到惊人的数值，作用于管系、支吊架和设备接口，易形成管系共振、支架损坏等后果。根据本工程水工工艺要求，重点对直流冷却水管道系统进行如下分析：①泵出口阀前压力分析；②水泵转速变化分析；③冷却水管道桁架段最高处压力分析；④凝汽器压力分析；⑤凝汽器水量分析；⑥桁架处支吊架静态和动态应力分析。２　主要构筑物模型的建立采用一维工程流体管路系统分析软件ＰＩＰＥＮＥＴ模拟事故起停泵关阀瞬变流，该软件采用固定时间步长非差值特征值特征线法，可对系统压力分布、流量分布、元件的流阻及流量进行精确的计算，对于各种复杂的流体管网系统，均可快速、有效、精确地建立模型。（１）吸水前池：吸水前池与大海直接连接，距离较短，故在出现瞬变流的短时间内液面基本保持不变，该设计模型可采用ＰＩＰＥＮＥＴ中的压力源。（２）阀门：采用ＰＩＰＥＮＥＴ中的Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ模型，根据厂家资料输入相应阀门参数。（３）凝汽器：在实际工程中，将凝汽器边界简化为一个集中摩阻，其内部水冷却管道的长度忽略不计［３］。该设计模型可采用ＰＩＰＥＮＥＴ中的ＰｒｅｓｓｕｒｅＬｏｓｓ模型，代替原则是过水流量相等，构件阻力与凝汽器相等，其阻力等效数学公式为：△ｐ＝ＫＱ２（１）式中△ｐ———压降，ｍ；Ｋ———阻力系数，ｓ／ｍ２；Ｑ———流量，ｍ３／ｓ。９６　　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４40图２　ＰＩＰＥＮＥＴ建模模型　　（４）排水井及虹吸井：根据电厂工艺，排水井及虹吸井可简化采用ＰＩＰＥＮＥＴ中的Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　Ｖｓｓｓｅｌ模型，根据虹吸井的液位设置该模型溢流液位，根据实际容积设置模型的体积参数。（５）管道：采用ＰＩＰＥＮＥＴ中的Ｐｉｐｅ模型。（６）水泵：采用ＰＩＰＥＮＥＴ中的Ｔｕｒｐｏ　Ｐｕｍｐ，输入水泵第一象限曲线参数，同时根据第一象限参数利用Ｓｕｔｅｒ　Ｃｕｒｖｅ表格进行修正其他３个象限。ＰＩＰＥＮＥＴ模型如图２所示。３　事故停泵关阀瞬变流计算机仿真３．１　关阀方案的选择计算分析中考虑各种水力瞬态条件下，水泵出口采用电动蝶阀和液控蝶阀时的各种可能运行工况，各工况事故发生时间起始为１０ｓ。计算工况见表１。３．２　事故停泵关阀水锤计算结果与分析采用电动蝶阀事故断电启闭阀和两阶段蝶阀事故断电启闭阀时，各工况瞬变量特征值统计分别见表２和表３。以２０Ｄ－０４２６工况为例，其阀前和凝汽器工况瞬态量变化过程线分别见图３和图４。表１　计算工况工况编号工　况　说　明２０两台泵并联运行，且同时事故断电２１两台泵并联运行，其中一台泵事故断电１１一台泵运行事故断电，另一台泵同时启动投入运行Ｍ水泵出口采用电动蝶阀Ｄ表示水泵出口采用两阶段关闭液控蝶阀－４５－后数字４５表示电动蝶阀关闭时间为４５ｓ（其他类同）－０６４４　－后数字０６４４表示两阶段关闭蝶阀由全开到１７％开度的关闭时间为６ｓ，１７％开度到全关为４４ｓ，蝶阀开启总时间为５０ｓ（其他类同）由表２可以看出，当采用电动蝶阀时，不同的关阀规律对整个系统有较大影响。当关阀时间为４５ｓ时，泵出口阀前最高压力为７５．６７ｍ，凝汽器最高压力为３３．０４ｍ；当关阀时间为６０ｓ时，泵出口阀前最高压力为１６．４０ｍ，凝汽器最高压力为－０．２５ｍ。可见关阀时间越长，水锤升压值越小，但如果关阀时间太长，倒流量会增加，引起水泵反转。由表３可以看出，当水泵出口采用两阶段关闭蝶阀时，不同的关阀规律对整个系统水锤升压影响甚大。常规情况下电厂直流冷却水系统一般采用２０Ｄ－０４２６关阀工况。但本工程在该工况下，泵出口阀前最高压力为１８９．４４ｍ，凝汽器最高压力为８１．９２ｍ，冷却水管路设计运行压力为６０ｍ，这种水锤压力是循环水系统及凝汽器都无法承受的，如果不经计算，按常规设计设置关阀规律，将会造成重大运行事故；当采用关阀为２０Ｄ－０６５０工况时，泵出口阀前最高压力为２４．０８ｍ，凝汽器最高压力为４．５７ｍ，满足设计要求，是较合理的一个关阀方案。经计算，本工程水泵在各工况下运行均不存在反转情况。表２　电动蝶阀事故断电启闭阀水锤计算工况泵出口处泵出口处凝汽器出水端凝汽器出水端凝汽器最大压力／ｍＨ２Ｏ发生时间／ｓ最小压力／ｍＨ２Ｏ发生时间／ｓ最高压力／ｍＨ２Ｏ发生时间／ｓ最低压力／ｍＨ２Ｏ发生时间／ｓ最小流量／ｍ３／ｓ发生时间／ｓ桁架高点处最高压力／ｍＨ２Ｏ２０Ｍ－４５　７５．６７　６８．４－９．６３　５４．４　３３．０４　６９．６－９．６３　６８．６－１．５１　６８．３　４７．３０２０Ｍ－６０　１６．４０　７７．９－９．６３　７０．１－０．２５　７３．１－９．６３　７４．７－０．４３　７２．６　１０．０１２１Ｍ－３０　１４．８２　１０．０　３．１８　３９．９－５．８４　１０．０－６．９３　４１．０　５．５７　４８．９　１０．０１２１Ｍ－４５　１４．８２　１０．０　２．６０　４６．１－５．４３　５６．０－８．７３　５６．０　４．８９　５４．７　１０．０１１１Ｍ－３０　１１．９３　４０．０－４．７１　１２．０－４．９４　４１．０－９．５１　４１．０　３．７３　２２．０　９．８１１１Ｍ－４５　１７．９９　５５．０－４．９５　１２．０－５．００　５６．０－９．１１　１１．０　３．７３　２２．１　１０．５５给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４９７　　　表３　两阶段蝶阀事故断电启闭阀水锤计算工况泵出口处泵出口处凝汽器出水端凝汽器出水端凝汽器最大压力／ｍＨ２Ｏ发生时间／ｓ最小压力／ｍＨ２Ｏ发生时间／ｓ最高压力／ｍＨ２Ｏ发生时间／ｓ最低压力／ｍＨ２Ｏ发生时间／ｓ最小流量／ｍ３／ｓ发生时间／ｓ桁架高点处最高压力／ｍＨ２Ｏ２０Ｄ－０４２６　１８９．４４　６３．６－９．６３　３６．４　８１．９２　６４．９－９．６３　６２．９－２．５２　６２．７　７６．９０２０Ｄ－０６３９　５７．５４　６５．９－９．６３　５２．２　８．０６　８４．３－９．６３　６４．２－０．９９　６７．７　４３．５３２０Ｄ－０６５０　２４．０８　７６．４－９．６３　６６．０９　４．５７　９３．４－９．６３　７２．３－０．６２　７０．１　１７．８７２０Ｄ－０８３９　５５．８９　６６．９－９．６３　５４．７　２４．５１　６７．８－９．６３　６９．５－１．３４　６７．２　３９．５１２０Ｄ－０８５０　２１．４８　７７．８－９．６３　６８．１　３．３６　８８．２－９．６３　７３．６－０．６９　７６．７　１２．３４２１Ｄ－０４１４　１４．８２　１０．０－４．９３　２８．０－５．２１　２９．０－７．５８　２９．０　５．５７　４４．７　１０．０１２１Ｄ－０４１６　１４．８２　１０．０－４．６２　３０．０－５．４７　３１．０－７．４６　３０．９　５．５７　５０．３　１０．０１２１Ｄ－０６１４　１４．８２　１０．０－４．９３　２８．０－５．５１　２９．１－７．５８　２８．９　５．５７　５２．２　１０．０１２１Ｄ－０４１２　１４．８２　１０．０－７．０７　２６．０－５．５３　２７．０－７．４４　２６．９　５．５７　５０．７　１０．０１１１Ｄ－０４１２　１３．３６　３０．１－４．９８　１２．０－５．６９　２９．０－９．１１　１１．０　３．６８　２２．１　７．６７１１Ｄ－０４１４　１３．２８　３０．１－４．７４　１２．０－５．９９　２７．０－９．１１　１１．０　３．６７　２１．８　６．８９图３　２０Ｄ－０４２６阀前工况瞬态量变化过程线图４　２０Ｄ－０４２６凝气器工况瞬态量变化过程线　　综上分析，采用电动蝶阀比采用两阶段关闭蝶阀水锤升压要小，但当两台泵并联运行，其中一台泵事故断电时，采用电动蝶阀关闭时比两阶段关阀凝汽器最小流量要小，且流量恢复要慢；一台泵运行且断电，另一台泵立即启动时，采用两阶段关阀蝶阀凝汽器流量比电动蝶阀恢复更快，因此采用两阶段关闭蝶阀是比较有利的。本工程采用两阶段关闭蝶阀，两台泵并联运行同时断电事故时，采用快关６ｓ慢关５０ｓ的关阀工况。两台泵并联运行其中一台泵事故停电时，采用快关４ｓ慢关１４ｓ关阀工况。一台运行事故断电，另一台泵立即启动时，采用快关４ｓ慢关１４ｓ关阀工况。其中快关是阀门从全开到１７％开度，慢关是１７％开度到全关。３．３　冷却水管道跨越排水渠敷设布置方案经初步计算，１号机冷却水管道因起伏较大，实际水锤力更大，因此本次研究主要以１号机为研究对象。１号机配置２台水泵、冷却水母管采用２　０２０×１６焊接钢管。冷却水管道布置受现有厂区布局限制，在跨越现有３２ｍ宽排水沟区域，提出两种方案：①冷却水管道布置在桁架中部，优点是冷却水管道抬高较少；缺点是土建桁架为了腾出循环水布置空间，需采用斜桁架布置形式，并去除两端部分斜跨，造成桁架结构梁偏大；②冷却水管道布置在桁架顶部，优点是无空间限制，土建方案较合理；缺点是冷却水管道抬高较大。对２台泵同时断电进行瞬变流计算分析，关阀方式为２０Ｄ－０６５０，两种方案的阀前压力结果分别见图５和图６。模型计算结果为：当冷却水管道布置在桁架中部时，阀前最大水锤压力为２４．０８ｍ；当冷却水管道布置在桁架顶部时，阀前最大水锤压力为４９．７１ｍ。通过对比发现，事故状态关阀时，冷却水管道布置在桁架顶部时阀前最大水锤压力明显大于布置在桁架中部，对冷却水系统的安全运行不利，因此本工程冷却水管道布置在桁架中部。４　管道应力分析两台泵并联且同时事故断电工况时动态力荷载最大，因此选择该工况作为荷载控制工况进行计算。管９８　　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４图５　冷却水管道布置在桁架中部２０Ｄ－０６５０工况阀前压力过程线图６　冷却水管道布置在桁架顶部２０Ｄ－０６５０工况阀前压力过程线图７　冷却水管道布置示意道布置及支吊架设置见图７，支吊架间距６ｍ，共７个。管道水锤力计算采用响应谱分析的计算方法，响应谱分析法是把一个动态力用响应因子和频率之间的关系来描述（每一个力生成一个ＤＬＦ文件），管系的每个振型都和一个频率上的响应因子对应，多个动态力的响应叠加起来就是整个系统的响应。响应谱分析法不需要迭代，运算量相对小，同时可满足工程精度要求。在实际工况中，水锤力是通过弯头（或水流拐弯构件）体现出来的，对弯头来讲，第一个波水锤力的作用方向是顺着水流方向，所以需要把ＰＩＰＥＮＴ计算力的方向转化到ＣＡＥＳＡＲⅡ应力计算坐标系里。水力软件ＰＩＰＥＮＥＴ生