《循環(huán)冷卻水的水錘計算和防護設計案例》3700字（論文）

循環(huán)冷卻水的水錘計算和防護設計案例目錄TOC\o"1-2"\h\u1283循環(huán)冷卻水的水錘計算和防護設計案例 1238681.1水錘現(xiàn)象 1317211.2循環(huán)水系統(tǒng)數(shù)字模型 2119091.2.1循環(huán)水系統(tǒng)分析 273521.2.2PIPENET軟件簡介 2272001.2.3循環(huán)水系統(tǒng)模型 3314101.3循環(huán)水系統(tǒng)模型分析 4230201.3.1穩(wěn)態(tài)工況 4224021.3.2事故斷電停泵——四泵同停工況 4261451.3.3故障工況——單泵停泵工況 71.1水錘現(xiàn)象在壓力流管路中，如果管路上某一構件狀態(tài)突然改變（如管路上的閥門突然關閉或開啟）就會引起管路中水流流速的劇烈變化造成動量轉化，在此作用下管路中的會產生一連串的壓力交替變化造成水力撞擊現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為水錘現(xiàn)象。如果在水錘過程中由于壓力變化巨大造成水柱分離和斷流空腔再彌合水錘，則水錘危害性更大，嚴重的水錘現(xiàn)象會給管路帶來不可避免的破壞，甚至直接讓管路失去作用整個系統(tǒng)直接崩潰。本次設計中，循環(huán)水泵站由于水泵流量大，可能會產生劇烈的水錘現(xiàn)象。泵站的水錘現(xiàn)象往往是停泵水錘。停泵水錘是指由于水泵電機突然斷電或者由于意外水泵開閥停機時，在水泵和水泵管道中流速突然變化引起壓力劇烈升降的水錘現(xiàn)象。停泵水錘最高壓力可達正常工作壓力的200%甚至更高以致?lián)魵Ч艿篮驮O備，更嚴重時甚至造成泵房淹沒帶來人身傷亡事故。近年來相關經驗表明，火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)多會發(fā)生因水柱分離造成的斷流空腔再彌合水錘，影響循環(huán)水系統(tǒng)正常運行。如何減少水錘現(xiàn)象帶來的危害甚至直接避免水錘現(xiàn)象是需要被考慮的。1.2循環(huán)水系統(tǒng)數(shù)字模型1.2.1循環(huán)水系統(tǒng)分析火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)中，造成嚴重水錘現(xiàn)象的原因主要是突然斷電帶來的停泵工況以及系統(tǒng)中某臺水泵突然斷電帶來的故障工況。這兩種工況都會導致管道中水的壓力劇烈變化，引起水泵葉輪倒轉，對系統(tǒng)內設備帶來破壞。因此我們需要在建立水泵站正常運行及穩(wěn)態(tài)運行工況的基礎上建立事故斷電停泵—四泵同停工況和故障工況—單泵停泵工況的模型，仔細分析管路中壓力變化最大或最小的位置，確認有無水柱分離現(xiàn)象的出現(xiàn)，由此加固管道或者增加其他設備以減少水泵帶來的危害。在數(shù)字模型中需要注意壓力變化的管路位置主要有三處，分別是水泵后閥門前和閥門后的最大壓力和最小壓力、水泵葉輪的倒轉轉速、凝汽器頂部的壓力變化。主要調節(jié)參數(shù)是水泵的停泵關閥程序。當水泵突然斷電停泵后，管路中的閥門不可能突然關閉，管路中的水流也就會發(fā)生倒流，沖擊水泵葉輪和閥門。如果沖擊時間過長，水泵的葉輪會從正向轉在水流沖擊作用向開始倒轉，倒轉時間越長、倒轉轉速越大都會對水泵機組帶來巨大危害。因此需要對水泵倒轉轉速及歷時整個過程進行分析，對閥門前后壓力變化進行分析。水泵突然停泵時，管路中處于較高位置的水流便會在慣性及重力的作用下倒流流向水泵，系統(tǒng)最小壓力將會在最高處出現(xiàn)，該點容易產生負壓。本循環(huán)水系統(tǒng)中，系統(tǒng)最高處也即最容易產生負壓處為凝汽器處，此外由于停泵后水泵不可能立刻啟動，凝汽器容易出現(xiàn)失水問題，若失水量較大失水時間較長則會影響凝汽器的真空度，進而影響汽輪機組的穩(wěn)定和效率。因此需要對凝汽器進行分析。水錘的危害性與水量大小有密切關系，本次設計中夏季情況下循環(huán)水流量最大，可能造成的水錘危害也最大，故本次設計中以夏季工況建立數(shù)字模型。水錘模型的建立在此采用PIPENET軟件。1.2.2PIPENET軟件簡介PIPENET軟件是目前相關行業(yè)和科研領域應用十分廣泛的分析軟件，PIPENET軟件的起源最早可以追溯到上個世紀70年代的英國劍橋大學計算機輔助設計中心，PIPENET軟件早在70年代末就已經得到了行業(yè)內的廣泛認可，后續(xù)經過行業(yè)內人員及開發(fā)團隊的不斷努力，PIPENET功能更加完善，應用場景也更加豐富。目前PIPENET軟件包括三大模塊，分別是標準模塊（StandardModule），用于一般管網穩(wěn)態(tài)設計和數(shù)學計算，提供了模擬仿真功能；消防模塊（Spray/SprinklerModule），針對消防系統(tǒng)設計開發(fā)，并且適用于化工、石油等產業(yè)對于消防系統(tǒng)的嚴苛要求；瞬態(tài)模塊（TransientModule），用于模擬設備啟停、閥門開關等造成的管網流態(tài)的瞬時變化。本次設計中采用PIPENETversion1.8，并在瞬態(tài)模塊（TransientModule）下進行循環(huán)水系統(tǒng)的模型建立。1.2.3循環(huán)水系統(tǒng)模型在PIPENET中建立模型如下圖（圖1.1）所示：圖1.1循環(huán)水系統(tǒng)水錘分析計算模型圖該模型中，箭頭表示水流方向；整個系統(tǒng)邊界點為23、19號點，實際中則對應水泵進水間和冷卻塔循環(huán)水支管上的噴嘴；3號、4號、6號、29號節(jié)點為72LKXA-26.5型水泵；2~7、5~8、1~22、13~30管段為水泵與閥門連接管；10號、12號、25號、27號節(jié)點為四個閥門；9~20、11~21、24~28、31~33管段是水泵壓水管；34~14管段為循環(huán)水供水干管；14~15與16~17管段為凝汽器連接管；15與16號節(jié)點之間是凝氣器；17~18號管段為循環(huán)水回水干管，18~19號管段為冷卻塔中央豎井。由于缺少水泵實際運行參數(shù)和管道凝汽器相關規(guī)格等，模型中部分參數(shù)采用相近相類似規(guī)格的設備參數(shù)進行代替，因此本模型與實際模型存在部分出入。1.3循環(huán)水系統(tǒng)模型分析1.3.1穩(wěn)態(tài)工況穩(wěn)態(tài)工況下，四臺72LKXA-26.5型水泵同時正常工作，此時如果模型計算結果即水泵流量、揚程等符合4.3.2節(jié)中實際水力計算結果或者說結果在能夠允許的誤差范圍內，那么就可以說該模型可以一定程度上代替實際循環(huán)水系統(tǒng)。PIPENET主要參數(shù)設置：四臺水泵一起開啟正常運行，Constant值設為1；四個閥門一直保持常開狀態(tài)，Constant值設為1，水流在管路中的流動沒有任何阻礙。最終模型運行結果如圖1.2所示。圖1.2穩(wěn)態(tài)工況下水泵（單泵）流量、壓力、轉速圖根據(jù)圖1.2可知，建立的PIPENET模型中，水泵（單泵）流量為1.41m3/s，揚程為26.51m，轉速為8.25rpm，在4.3.2章節(jié)中實際計算的水泵的運行工況點Q=1.31m3/s，H=26.34m有一定差距，但是由于缺少水泵實際運行參數(shù)和管道凝汽器相關規(guī)格等，這種差距在本次模擬中屬于可以接受的范圍內，本數(shù)字模型可以正確反映循環(huán)水系統(tǒng)運行工況，可以在此基礎上進行后續(xù)分析。1.3.2事故斷電停泵——四泵同停工況水泵突然停泵后，水會由于慣性開始在管道中發(fā)生周期性的倒流順流，在閥門未及時關閉的情況下，水流會沖向水泵葉輪，加快水泵葉輪的減速，如果時間過長水流流速較大，水泵葉輪則會在正轉停止后開始倒轉，變?yōu)樗啓C，當?shù)罐D轉速超過正常轉速的30%時就會對水泵及水泵電機造成破壞。突然停泵后管道中壓力會劇烈變化，可能會達到原有壓力200%以上甚至更大，本次設計中管道最大承壓6kg，即60m水柱壓力，超過此壓力則管道會出現(xiàn)破壞。PIPENET主要參數(shù)設置：在穩(wěn)態(tài)工況模型基礎上，四臺水泵在前5s為穩(wěn)態(tài)工況正常運行，Constant值設為1，自第5s開始出現(xiàn)事故，突然斷電，對應的參數(shù)設置為Triptime時間設為5s。關閥程序設計：四個閥門在0~5s保持常開狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)工況正常運行，第5s發(fā)生事故停電后閥門迅速反應，啟動關閥操作，閥門開始關閉，采用兩階段關閉模式，5s至8s快關，閥門開度由1迅速降低至0.2，8s至20s慢關，閥門開度由0.2關閉至0。最終模擬計算結果如圖1.3~1.5所示。圖1.3四泵同停工況下水泵（單泵）流量、壓力、轉速圖圖1.4四泵同停工況下閥門進、出口壓力圖圖1.5四泵同停工況下凝汽器壓力、失水體積、失水流量圖將最終模擬結果進行匯總，見下表（表1.1）：表1.1停泵工況結果匯總系統(tǒng)主要位置水泵閥門凝汽器模擬結果最大壓力：26.51m最小壓力：2.30m反向轉速：-3.56rps最大壓力：26.46m最小壓力：-2.62m最大壓力：20.72m最小壓力：-2.27m失水體積與流量：0結果分析壓力變化滿足水泵運行要求，反向轉速未超過正向30%滿足承壓要求凝汽器內始終有水存在，無汽化現(xiàn)象由以上分析可知，在水泵并聯(lián)運行遭遇事故斷電時，管路中水流會發(fā)生較為劇烈的波動，但均在可以接受未超過系統(tǒng)限制的范圍內，同時關閥程序采用采用3s快關（開度由1到0.2）12秒慢關（開度由0.2到0）的兩階段關閥程序，可以有效減少水錘現(xiàn)象帶來的危害，管道中的最大壓力并未比穩(wěn)態(tài)運行壓力高太多，管道中的最低壓力也在可控范圍，并不會在管道中出現(xiàn)汽化和水柱分離現(xiàn)象。1.3.3故障工況——單泵停泵工況正常情況下水泵機組會被定期檢查以確保無異常現(xiàn)象出現(xiàn)，但水泵極小概率下也會出現(xiàn)不明原因造成的故障，雖然概率較小，但出現(xiàn)一次則可能帶來嚴重的后果甚至影響整個電廠正常運行，因此有必要對單臺水泵突然出現(xiàn)故障停機的工況進行分析。PIPENET主要參數(shù)設置：在穩(wěn)態(tài)工況的基礎上，四臺水泵在前5s為穩(wěn)態(tài)工況正常運行，Constant值為1，自第5s開始3號水泵出現(xiàn)事故，水泵突然斷電，對應的參數(shù)設置為Triptime時間設為5s，而其他號泵始則終保持正常運行；四個閥門在0~5s保持常開狀態(tài)，10號閥門在感知到對應水泵突然停機后立刻反應，自第5s開始關閉，采用兩階段關閉模式，5s至8s開度由1關閉至0.2，8s至20s開度由0.2關閉至0，而其他閥門繼續(xù)保持開啟。計算結果如圖1.6~1.9所示。圖1.6單泵故障工況下故障水泵流量、壓力、轉速圖圖1.7單泵故障工況下工作水泵流量、壓力、轉速圖圖1.8單泵故障工況下閥門進、出口壓力圖圖1.9單泵故障工況下凝汽器壓力、失水體積、失水流量圖將最終模擬結果進行匯總，見下表（表1.2）：表1.2故障工況結果匯總系統(tǒng)位置故障水泵工作水泵凝汽器故障閥門模擬結果最大壓力：26.51m最小壓力：1.39m反向轉速：-7.89rps最大壓力：26.51m最小壓力：-2.62m水泵轉速：8.25rps最大壓力：20.72m最小壓力：-2.27m失水體積與流量：0最大壓力：26.50m最小壓力：7.15m結果分析壓力變化滿足水泵運行要求，