鋼企煤氣電廠海水直流冷卻水系統(tǒng)瞬態(tài)流案例分析

劉 軍，趙 越，劉自力

（中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410007）

前言

鋼企煤氣電廠采用海水直流冷卻水系統(tǒng)可以節(jié)約淡水資源，提高經(jīng)濟效益。通常情形下，取水泵站距離凝汽器較近，可以降低管道設(shè)施費用和運行費用，但南海邊某鋼企煤氣電廠項目由于規(guī)劃原因，汽輪機房距離取水泵站距離有約1.6 km。海水直流冷卻水系統(tǒng)的特點是流量大、管線長、高差小[1]。由于凝汽器布置位置較高，為了降低循環(huán)水泵的揚程，有效利用虹吸作用，通常在凝汽器后設(shè)置了虹吸井。海水直流冷卻水系統(tǒng)運行中，凝汽器水室處于負壓狀態(tài)，在停泵后管道系統(tǒng)易發(fā)生斷流彌合水錘。

1 停泵水錘計算軟件簡介

直流冷卻水系統(tǒng)瞬態(tài)流分析采用美國AFT 公司Impules6壓力系統(tǒng)水錘分析程序。壓力管道系統(tǒng)水錘計算程序的基礎(chǔ)是水錘基本微分方程式，借助于特征線法，將其轉(zhuǎn)化為便于計算機運算的有限差分方程式[2][3]。它能解決復(fù)雜的管路系統(tǒng)和邊界條件的水錘計算。

2 海水直流冷卻水系統(tǒng)瞬態(tài)流案例分析

2.1 南海某電廠海水直流冷卻水系統(tǒng)基本情況

海水直流冷卻水系統(tǒng)的工藝流程為：取水頭部→引水溝→取水泵站前池→取水泵站→壓力供水管道→凝汽器→排水管→虹吸井→排水溝→排水口。海水直流冷卻水系統(tǒng)采用母管制（D2740×18，鋼管），3 臺135 MW 汽輪機對應(yīng)3 臺100%供水泵，另備用1臺100%供水泵。供水泵主要技術(shù)參數(shù)為：Q=5.87 m3/s，H=24 m，n=495 r/min，N=2000 kW，V=10 kV。為應(yīng)對不同季節(jié)的溫度變化和用電負荷變化，供水泵均采用變頻調(diào)速。供水管采用鋼管，排水溝采用鋼筋混凝土箱涵（3×3m）。凝汽器水阻：流量6.01 m3/s 時，水阻7 m；流量4.81 m3/s 時，水阻4.8 m。海水直流冷卻水系統(tǒng)沿程標(biāo)高和穩(wěn)態(tài)壓力見圖1(對應(yīng)3 臺汽輪機)，可以看出凝汽器頂部在正常運行時已處于真空狀態(tài)。

圖1 3臺循環(huán)水泵運行穩(wěn)態(tài)沿程水頭示意圖

2.2 計算方法和計算組次安排

直流冷卻水系統(tǒng)瞬態(tài)流分析計算中，先依據(jù)設(shè)計的管道系統(tǒng)計算停泵不關(guān)閥的各工況，了解直流冷卻水系統(tǒng)在過渡過程中各水力要素的變化情況，得出系統(tǒng)的特征參數(shù)。如管道系統(tǒng)在過渡過程中出現(xiàn)水柱分離的空穴并彌合，產(chǎn)生的水錘壓力超出管道系統(tǒng)最大試驗壓力，需采取水錘防護措施后重新計算，直到在過渡過程中冷卻水系統(tǒng)管路和設(shè)備壓力處于最大試驗壓力以下。

在單泵運行流量為5.87 m3/s，停泵不關(guān)閥情況下的計算組次表參見表1。在水泵出口增設(shè)調(diào)壓井，單泵運行流量為5.87 m3/s，關(guān)閥參數(shù)為快關(guān)動作時間3 s，快關(guān)角度70°，慢關(guān)動作時間9 s，慢關(guān)角度20°，停泵關(guān)閥情況下的計算組次表參見表2。

注：工況號最后1 位為1 表示平均低潮位，最后1位2表示百年一遇高潮位。

表1 不關(guān)閥情況下計算組次表

2.3 供水管上設(shè)置進、排氣閥且不關(guān)閥情況下，直流冷卻水系統(tǒng)瞬態(tài)流結(jié)果分析

按照設(shè)計，在每臺供水泵出口管道上設(shè)置一臺DN200的復(fù)合式進、排氣閥，在室外埋地供水管最高點設(shè)置一臺DN200 的復(fù)合式進、排氣閥，水錘計算示意圖見圖2。進、排氣閥在水泵啟動管道填充過程中，當(dāng)排氣閥底部氣壓超過大氣壓時，允許空氣逐漸流出。在水泵停機時，管道內(nèi)水壓小于大氣壓，進、排氣閥打開讓空氣進入，以避免液體汽化現(xiàn)象的發(fā)生，達到減小真空度，防范水錘的目的。

圖2 設(shè)進、排氣閥的直流冷卻水系統(tǒng)水錘計算示意圖

按表1 不關(guān)閥計算組次表對各種工況進行計算，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)31K1、21K1 工況水泵出口出現(xiàn)0.51 MPa、0.53 MPa的最大壓力，超出供水管最大承壓范圍（0.4 MPa）；31K1、21K1、21K2、22K2 工況水泵出口管道上出現(xiàn)-0.1 MPa 的汽化壓力，表明空穴未被水泵出口的進、排氣閥補氣所填滿，出現(xiàn)汽化。31K1、21K1工況在水泵出口出現(xiàn)了負壓水錘。凝汽器出口最大壓力為0.26 MPa（21K1 工況），31K1、33K1、21K1、22K1、33K2、21K2、22K2 工況凝汽器出口雖然出現(xiàn)-0.1 MPa 的汽化壓力，但空穴迅速被進、排氣閥補氣所填滿。凝汽器出口出現(xiàn)了負壓水錘，但沒有出現(xiàn)超出凝汽器設(shè)計壓力（0.4 MPa）的波動。停運泵最大回流量為31K1 工況，回流量為-4.34 m3/s，未超過供水泵額定流量。停運泵最大反轉(zhuǎn)速為31K3 工況，最大反轉(zhuǎn)速為水泵額定轉(zhuǎn)速的0.86倍，滿足反轉(zhuǎn)速最大不超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍的要求。

通過以上計算得知，采用上述供水管上加進、排氣閥的常規(guī)水錘防護措施在運行中依然會產(chǎn)生水錘破壞，必須采用其他水錘防護措施。

2.4 設(shè)置調(diào)壓井且不關(guān)閥情況下直流冷卻水系統(tǒng)瞬態(tài)流結(jié)果分析

針對水泵出口和凝汽器水室出口出現(xiàn)汽化空穴，在水泵出口管道上設(shè)置調(diào)壓井，在室外埋地供水管最高點設(shè)置一臺DN200 的復(fù)合式進、排氣閥，水錘計算示意圖參見圖3。調(diào)壓井平時儲存一定量的水，在供水泵停泵后，供水管中出現(xiàn)水柱中斷時，及時向管道系統(tǒng)內(nèi)補水，避免管道內(nèi)局部區(qū)域的水在真空條件下汽化，從而消除水錘沖擊。

圖3 設(shè)調(diào)壓井的直流冷卻水系統(tǒng)水錘計算示意圖

按表1 不關(guān)閥計算組次表對各種工況進行計算，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)各工況水泵出口點最大、最小壓力均為正壓，最大壓力為0.18 MPa(31K3 工況)，接近穩(wěn)態(tài)壓力，且在正常工作壓力范圍內(nèi)。凝汽器出口最大壓力為-0.03 MPa（31K5工況），接近穩(wěn)壓壓力，在正常工作壓力范圍內(nèi)，最小壓力為-0.07 MPa（22K5 工況），未達到汽化壓力，且時間很短。停運泵最大回流量為31K5 工況，回流量為-6.30 m3/s。運行泵最大流量工況為31K5 工況，最大流量為6.97 m3/s，偏離額定流量較大，但持續(xù)時間較短。停運泵最大反轉(zhuǎn)速為31K5工況，最大反轉(zhuǎn)速為水泵額定轉(zhuǎn)速的1.27 倍，不滿足反轉(zhuǎn)速最大不超過額定轉(zhuǎn)速的1.2 倍的要求，但超過額定轉(zhuǎn)速的1.2 倍的時間很短，其他工況水泵反轉(zhuǎn)速均未超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。

在水泵出口增設(shè)了調(diào)壓井后，停泵后的水泵和凝汽器出口這兩處容易出現(xiàn)汽化空穴的位置均未出現(xiàn)汽化，供水管沿線最大壓力接近穩(wěn)態(tài)壓力，表示直流冷卻水系統(tǒng)未產(chǎn)生水錘。由于調(diào)壓井接近供水泵出口且水位較高，水泵出口蝶閥不關(guān)閉的情況下停泵后的水泵回流量和反轉(zhuǎn)速明顯較大，需要水泵出口蝶閥采取合適的關(guān)閥措施來降低水泵回流量和反轉(zhuǎn)速。

2.5 供水泵出口蝶閥參數(shù)選擇

為了降低循環(huán)水泵回流量，降低水泵反轉(zhuǎn)速，防止水泵出現(xiàn)超流跳機現(xiàn)象，需對關(guān)閥參數(shù)進行調(diào)整，找出最優(yōu)關(guān)閥參數(shù)。

根據(jù)液控蝶閥廠家資料，經(jīng)過多種關(guān)閥參數(shù)的分析比對，為減少水泵回流量和反轉(zhuǎn)速，兼顧管道系統(tǒng)和設(shè)備的承壓能力，液控蝶閥宜快關(guān)。因此，選擇兩階段關(guān)閥參數(shù)為快關(guān)3 s、70°，慢關(guān)9 s、20°。

2.6 按推薦參數(shù)關(guān)閥后的瞬態(tài)分析

詳見圖4～圖8。

圖4 33G1工況直流冷卻水系統(tǒng)沿線壓力包絡(luò)線

圖5 33G1工況閥后壓力變化過程

圖6 33G1工況凝汽器出口壓力變化過程

圖7 33G1工況凝汽器流量變化過程

圖8 33G1工況供水泵轉(zhuǎn)速變化過程

按表2 關(guān)閥計算組次表對各種工況進行計算，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)泵站出水管最大壓力控制工況為31B1工況(0.18 MPa)，水泵出口點最大瞬態(tài)壓力均接近穩(wěn)態(tài)壓力，各工況水泵出口點最小壓力0.006 MPa（11G1 工況），各工況最大、最小壓力均在正常工作壓力范圍內(nèi)。凝汽器出口點最大壓力控制工況為11B2工況，為-0.01 MPa，凝汽器出口點瞬態(tài)壓力接近穩(wěn)態(tài)壓力。凝汽器出口最小壓力為-0.07 MPa（11G1工況），未達到汽化壓力。停運泵最大回流量為-3.61 m3/s（31B1 工況），在閥門慢關(guān)過程中出現(xiàn)。停運泵最大反轉(zhuǎn)速為31B1 工況，最大反轉(zhuǎn)速為-303.45 r/min，為水泵額定轉(zhuǎn)速的0.613倍，滿足反轉(zhuǎn)速最大不超過額定轉(zhuǎn)速的1.2 倍的要求，停泵后4.18 s開始反轉(zhuǎn)，停泵后7.36 s達到最大值。圖8為典型工況（33G1工況）的各主要參數(shù)瞬態(tài)變化過程。根據(jù)計算，停泵后按推薦參數(shù)關(guān)閥，直流冷卻水系統(tǒng)未發(fā)生水錘，水泵的回流量和反轉(zhuǎn)速均在水泵安全運行的范圍內(nèi)。

2.7 調(diào)壓井容積分析

調(diào)壓井的水面面積是這樣確定的：在下游虹吸井堰頂高程確定的情況下，由直流冷卻水系統(tǒng)管道布置和管道沿程水頭損失、局部水頭損失以及輸水流量可求得調(diào)壓井在恒定流時的水位[1]。先假設(shè)一個大致的水面面積，進行瞬態(tài)流計算，主要是看在31G1、31B1、21G1、21B1、11B1 這些控制工況調(diào)壓井內(nèi)的水是否會放完。如果放完了還不夠，則說明假設(shè)的面積小了，加大面積重新計算；如果水放不完，有富余，則減小面積，重新計算。在這個試算的過程中，要照顧到管線上和凝汽器不能出現(xiàn)超過允許值的負壓。反復(fù)多次，直到滿意為止。計算結(jié)果表參見表3。經(jīng)計算分析，滿足控制工況水力過渡過程中不會出現(xiàn)調(diào)壓井排空的面積是14m2和20m2。從經(jīng)濟適用的原則出發(fā)，選擇調(diào)壓井面積為14m2。

注：百年一遇高潮位下，調(diào)壓井排空時間均大于平均低潮位下的數(shù)據(jù),故選擇平均低潮位下的數(shù)據(jù)進行比選。

3 結(jié)論

為保證較長距離直流冷卻水系統(tǒng)的安全運行，必須采取水錘防護措施，推薦在供水泵出口管上設(shè)置調(diào)壓井，在供水母管上設(shè)置進、排氣閥。

為了減小停泵后的回流量、防止調(diào)壓井排空和防止凝汽器失水，有必要在供水泵出口設(shè)置液控蝶閥。停泵后務(wù)必連鎖關(guān)閉液控蝶閥。建議停泵時液控蝶閥采用分段關(guān)閉方式，即快關(guān)3 s、關(guān)閉角度70°，慢關(guān)9 s、關(guān)閉角度20°，總關(guān)閥時間12 s。為了防止正常停泵出現(xiàn)調(diào)壓井排空，大量進氣破壞凝汽器負壓虹吸狀態(tài)，引起汽輪機組跳機，經(jīng)過分析比對選擇調(diào)壓井面積為14 m2。

表3 兩階段關(guān)閥工況調(diào)壓井面積選擇計算結(jié)果表（平均低潮位）

海水直流冷卻水系統(tǒng)運行時，供水泵應(yīng)間隔一段時間逐一啟泵和逐一停泵，同時停2 泵或3 泵工況運行時一般應(yīng)避免出現(xiàn)。電源故障導(dǎo)致多臺供水泵停機時，會出現(xiàn)調(diào)壓井排空進氣情況，重啟第一臺水泵時，應(yīng)將對應(yīng)出口的液控蝶閥開啟一定角度，充管排氣，待充管完成后再全開液控蝶閥。

采取上述推薦的水錘防護措施后，通過瞬態(tài)流水力驗算，各工況海水直流冷卻水系統(tǒng)在停泵后管道均未出現(xiàn)超壓，凝汽器未出現(xiàn)失水和超壓，水泵未出現(xiàn)超流、反轉(zhuǎn)速超標(biāo)的情況，有效保障了海水直流冷卻水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。