【摘要】简述采用直流供水系统的火力发电厂循环水系统水锤计算的重要性，并结合某火力发电厂实例，简单介绍电厂循环水系统水锤计算的内容和过程，以简单的措施，提高了循环水系统抗水锤的安全性，保证电厂的安全运行，同时节约了投资。
【关键词】电厂；直流供水系统；循环水系统；水锤计算；通气阀；调压水箱
1循环水系统水锤计算的重要性
部分火力发电厂采用直流供水系统，冷却水源为河水，从河边取水口取水后经过循环水泵升压，经压力循环水管送到电厂主厂房内的凝汽器及其它辅机作冷却水，经过热交换后的冷却水排水通过循环水排水管、沟汇到循环水排水口，最终排回河道。由于征地、地形、地质、燃料运输或其它因素的限制，有些火力发电厂无法紧靠水源地布置，取水泵房距离主厂房较远，循环水压力管较长。由于以河水为水源，而江河水位丰、枯水季节水位变幅一般都比较大。电厂循环水量都很大，所以循环水泵都采用流量大的立式混流泵，由于这类电厂水位变幅大、循环水管道长，所以这类火电厂循环水泵具有额定扬程大、工作点变化大的特点。而这类电厂厂区外地形条件往往也较为复杂，所以厂区外循环水管线的标高也往往也起伏较大。
水锤破坏的主要表现形式为：水锤压力过高，会引起水泵、凝汽器、阀门、管道破坏。水锤压力过低，管道会因失稳而被破坏。水泵的反转速度过高或水泵第一临界转速小于水泵最大允许连续转速的1.4倍，以及突然停止水泵反转过程或电动机再启动，从而引起电动机转子的永久变形、水泵机组的剧烈振动和联轴器的断裂。水泵倒流流量过大，引起管网压力下降，水量减小，影响供水。
总之，此类电厂循环水系统存在着流量大、流速高、管线长、管径大、管道标高起伏大等特点，循环水供水系统在运行中正常停泵或事故停泵，系统会出现水锤引起管路压力瞬时升高、降低、水柱分离、汽化等非正常运行的不利水力条件，系统出现的水锤破坏性较大，这些可能造成循环水系统特别是凝汽器、循环水泵等主要设备的损坏，危及电厂的安全运行。所以，对循环水系统进行水锤计算分析意义重大。
2循环水系统水锤计算的内容
2.1循环水系统水锤计算的意义
通过循环水系统水锤计算，得出管线沿程最高压力及最低压力包络线、水力参数的变化过程线，提出循环水泵与出口液控蝶阀的联锁控制方式及液控蝶阀的开（关）阀角度和相应时间、速度，提出循环水系统的水锤防护措施，并计算出管道系统中某些特定断面不同时刻的水力要素，得出各种水力过渡过程状态下，起停水泵及开关阀门所引起的水锤压力、系统可供流量及水泵电机最大倒转速等控制参数。
2.2最大的正压水锤
最大水锤升压一般发生在水泵事故断电工况条件下水泵出口阀门处，且压力的大小与水泵出口阀门的关闭规律密切相关，不同的关闭规律所引起的水锤压力差别较大。
2.3最大的负压水锤
当运行水泵事故断电时，运行中的水泵转速急剧下降乃至反转，管道中水流倒流，其隆起点将产生负压。由于凝汽器顶部是系统中的最高点，因此，首先在凝汽器顶部产生负压值增大，当此压力降到在该温度下的汽化压力时，产生汽穴空腔，造成水柱分离。故要求根据计算的最大水锤压力，确定是否采取适当的水锤防护措施，以防在凝汽器顶部产生水柱分离后的弥合水锤升压，并可能导致凝汽器破坏事故，其弥合水锤波传至水泵出口，则在水泵出口阀门前产生较高的水锤升压。
2.4水泵机组倒转转速及历时过程
水泵事故断电后，由于水泵出口阀门不可能立即关闭完毕，所以将产生倒流，水泵叶轮转速逐渐降为零，然后在倒流作用下发生倒转。若水泵出口阀门关闭得较慢或出口阀未按预定的规律关闭，发生倒流时间越长，则可能导致较高的水泵倒转转速。若此倒转转速过大将会会造成水泵机组损坏。
3循环水系统水锤计算的边界条件
为了研究循环水供水系统运行过程中可能出现的各种水锤问题，并采取切实可行的措施进行水锤防护，可采用特征线方法进行数值模拟分析，通过建立管内非恒定流动的微分方程及各类复杂的边界条件方程并求解，以获得水泵开停机，尤其是事故停泵水力过渡过程的数值解，并为水锤防护措施的研究提供依据。
3.1停泵水锤计算的水泵端边界条件
事故停泵水力过渡过程是引起水锤压力变化的最主要原因，其水泵端边界条件是由泵的压头平衡方程及机组惯性方程所组成的非线性方程组。
停泵水锤计算按以下各种边界条件分别进行计算：单泵的边界条件；两泵并联的边界条件；水柱分离边界条件；管道分支节点边界条件；管道汇流节点边界条件；凝汽器的边界条件。
3.2水泵启动的水泵端边界条件
启泵水锤计算按以下各种边界条件分别进行计算：单泵启动的边界条件；一台水泵正常运行时另一台水泵启动的边界条件；一台水泵突然失电、另外一台泵立即起动的边界条件。
3.3增加水水锤防护措施后的边界条件
在循环水系统水锤防护中常采用增加进排气阀、单向调压水箱、调压井(或塔)等措施，分别对增加这些措施的边界条件进行计算：
（1）进排气阀边界条件，在循环水泵、凝汽器、循环水管上增加进排气阀后的计算。
（2）单向调压水箱边界条件，在循环水管道上增加单向调压水箱后的计算。单向调压水箱是一种用于防止产生水柱分离的经济可靠的防护措施,在水泵泵启动过程中，管道压力大于调压水箱的压力，管道中水向调压水箱补水，补至设定水位后，水箱中的浮球阀关闭，停止补水。当水泵关停时，管道中的压力降低低于水箱压力时，水箱与管道的连接逆止阀打开，向管道补水。
（3）调压井(或塔)边界条件，在循环水管道上增加调压井(或塔)后的计算。调压井(或塔)是一种缓冲式水锤防护措施,可以防止管路中出现水柱分离,减低管路中的压力升高。由于其结构简单、安全可靠、易于维护等特点是水锤防护措施中常用的一种。装设调压井（或塔）后，其下游的管道不会产生压力升高，只需考虑井与泵之间水锤问题，因此，井（或塔）安装在靠近水泵侧，特别适合于大流量低扬程的循环水系统。调压井一般高度较低，而调压塔一般高度很高，一些工程调压塔高达到了约20m。
4循环水系统水锤计算实例
4.1电厂概况
某燃煤电厂规划容量为4×600MW燃煤机组，一期工程建设2台600MW国产超临界燃煤发电机组。电厂位于城区东面、河流北岸（左岸），距城市中心约16km。厂址自然地面高程为45.5m～60.2m（黄海基面，下同），厂区范围内大部分为小山包。电厂循环冷却水以郁江水为水源，供水系统采用扩大单元制直流供水系统。本工程取水口、排水口处河段的水位特征值为：P=1%设计洪水位为47.36m，P=1‰设计洪水位为48.12m，P=97%设计枯水位为28.6m，多年平均水位为29.70m。
江边循环水泵房内安装4台循环水泵，循环水泵为斜流泵（立式混流泵）。循环水干管支管采用DN3000预应力钢筒混凝土管，主厂房内进出凝汽器的支管和循环水泵房水泵出水支管为DN2200钢管。水泵房泵出口1#机与2#机两根干管间设联络阀门。主厂房距离江边循环水泵房较远，循环水管单线长度约为2.10km，故循环水泵扬程均较高。厂区外循环水管沿线地形条件也较为复杂。
虹吸井堰上水位热季为47.11m，冷季为46.97m。
4.2循环水系统的主要技术参数
4.2.1循环水泵主要性能参数：采用立式混流泵，水泵主要性能参数为Q=9.64m3/s、H=30.00m；循环水泵配套电动机主要性能参数3600kW、6kV、425rpm
4.2.2凝汽器主要性能参数：设计冷却水量19.0m3/s，凝汽器水阻：<6.6m水柱，冷却管规格250.5mm（外径壁厚），总换热面积为36000m2，单管有效长度为11.13m。
4.2.3循环水泵出口阀门主要性能参数
循环水泵出口阀门采用DN2200蓄能罐式液控止回蝶阀，厂家给出不同开度阻力系数，如表3-1所示。
表3-1液控蝶阀不同开启角度的特性
4.2计算结果及分析
4.2.1事故断电停泵工况
在不设防护措施的情况下,循环水泵停泵,管路系统及水泵运行的参数变化计算结果可以得出：关阀停泵水泵出口压力较不关阀停泵大，压力最大的工况是一机两泵运行工况，泵出口压力达0.54MPa。管线最低压力受关阀与否影响不大，管线中最低压力都到了-0.2MPa,说明管线中一定出现水柱分离与汽化，管路中会发生负水锤，所以，循环水系统应增设防护措施，可加设通气阀。
根据停泵时水泵参数的变化计算结果可得出：不关阀停泵水泵将发生倒转，最大转速接近水泵的额定转速，这主要是由于河道水位较虹吸井水位低造成的，从计算结果看，停泵关阀与否对于管线系统的负压改善不大，为此停泵时应使泵出口阀分阶段关闭。关阀停泵管路系统的压力在阀门全关后出现周期性压力波振荡，不关阀时泵出口压力先降然后再渐升。
4.2.2增加防护措施后事故停泵不同运行工况计算结果
4.2.2.1增加通气阀后的计算结果
为防止管路中发生负水锤，管路中应装设通气阀。通气阀数量与大致位置如图4-1示,通气阀通气孔口径为DN300。
图4-1管路中装设通气阀位置示意图
增设通气阀后关阀停泵计算结果可得出，河道水位较高时，水泵系统静扬程减小，管路系统的水量较大，停泵引起的管路压力波动也大。不同工况下管路中的水锤压力见表4-1。
表4-1不同运行工况停泵管路中不同部位的最大压力
根据计算结果，水泵关阀停泵后水泵仍会发生倒转，最大倒转速不大于额定转速的0.8倍。
装设通气阀后，管路系统停泵时,管路可安全过渡，但压力升高较大。
4.2.2.2增设通气阀与单向调压水箱后的计算结果
增加通气阀后管路的负压力有所减缓,但管路压力仍较大,为此可考虑将第三和五的通气阀更换为单向调压水箱，布置如图4-2所示。单向调压水箱结构如图4-3所示。
图4-2管路中装设通气阀与单向调压水箱位置示意图
图4-3单向调压水箱结构图
增设通气阀与单向调压水箱后，从计算结果可看出，河道水位较高时，水泵系统静扬程减小，管路系统的水量较大，停泵引起的管路压力波动也大。不同工况下管路中的水锤压力见表4-2。
表4-2不同运行工况停泵管路中不同部位的最大压力
水泵关阀停泵后水泵仍会发生倒转，最大倒转速不大于额定转速的0.8倍。
装设通气阀与单向调压水箱后，管路系统停泵时，管道就可安全过渡了，管路最大压力按0.35MPa考虑，凝汽器最大压力按0.25MPa考虑。装设通气阀与单向调压水箱后已满足水锤防护的要求，不必再增设调压井或调压塔了。
4.2.3计算小结
由于单向调压水箱为地面构筑物，布置在厂区外，距离厂区较远，运行管理麻烦，单向调压水箱、管道、阀门等容易遭受人为破坏，而且单向调压水箱体积较大，相对通气阀来说，投资较大。而管路中只设通气阀时，虽然压力升高较大，但管路系统停泵时,管路已能安全过渡，且通气阀体积小，设备投资省，通气阀布置在阀门井内（设防盗井盖）即可防止遭受人为破坏，故综合考虑，本工程推荐采用循环水管道设置通气阀的方案，不设单向调压水箱。
4.3其它运行过渡过程计算
4.3.1多台泵运行其中1台关阀停泵
本工程有多台泵运行关闭其中1泵的运行的水力过渡过程，如3台泵并连运行，关闭1台；2台泵运行关闭1台。在这个过渡过程中,我们不仅应关注管路系统的压力，更重要还应关注凝汽器的流量变化。避免发生失水现象，以影响汽轮机组的正常运行。
多泵运行关闭其中一台泵时，如果直接关电源关阀停泵，被关泵会因无动力出口压力突降，运行泵的部分水量将由停运泵流回至河道，使整个管路中压力将有较大降低，管路中装设有通气阀，管路系统将被充气。这样会影响凝汽器换热能力，在管路压力恢复中，管路中空气排出时，会造成较大压力波动。所以，多泵运行关闭其中一台时，应先将被关泵出口阀关闭或关至一定角度，然后再关电源停泵。
计算结果表明，在电源关闭前关阀动作不同，将对管路造成不同影响，推荐关闭水泵电源前应将其出口阀关闭70°，关阀时间不小于20秒，电源关闭后关阀时间不少于30秒。计算结果表明凝汽器在水力过渡中未出现失水现象。
4.3.2水泵的起动工况
水泵的起动工况有系统初开时的单泵起动，1台泵已经运行再起动1台及2台泵已经运行再起动1台的情况。计算结果表明，水泵起动过程中各参数过渡平稳。
水泵启动水锤计算结果是在出水管已充满水的情况下得出的。因此在循环水泵正常投运前应对出水管进行充水。根据有关文献介绍，如果充水流速大于0.3~0.5m3/s，可能引发气锤。故采用主泵对出水管直接充水有可能危及供水系统安全。
4.4计算结论
（1）恒定流计算结果表明，工程水泵选型和管材管径选择合适，管道布置合理，系统能安全正常运行。
（2）事故断电工况水锤计算结果表明，系统在水力瞬变过程中，管路系统的正水锤压力较小，存在负压，并易引发负水锤，需在管路中增设通气阀（可进气和排气），通气阀的口径为300mm。
（3）在不同运行水力瞬变过渡中，管路系统的最大水锤压力均小于0.35MPa。
（4）系统在各运行工况下，水泵最大飞逸转速均低于一倍额定转速。循环水泵应能安全承受以1.2倍的额定转速进行倒转的要求。
（5）建议关阀时间为50s，关阀方式按20s快关70°、30s慢关20°的程序进行设定水泵关阀程序。在多泵运行要关闭其中一台时，关闭水泵电源前应先关闭泵出口阀或先将出口阀关闭70°，关阀时间不小于20秒。
（6）各种水泵起动工况的水力过程可安全过渡，该结果是在出水管已充满水的情况下得出的。所以循环水泵启动前应将循环水系统管路充满水。
（7）本计算实例的电厂安全运行了3年，循环水系统运行正常。
5总结
通过循环水系统水水锤计算分析，在循环水系统适当位置布置施工方便和维护简单且价格低廉的通气阀，同时设定液控止回蝶阀的开、关阀程序，这样基本可以满足循环水系统运行要求，以简单的措施，提高了循环水系统抗水锤的安全性，避免循环水系统特别是凝汽器、循环水泵等主要设备遭受水锤破坏，保证电厂的安全运行，同时节约了投资。
参考文献：
[1]清华大学水力学教研组编，水力学，人民教育出版社，1981年
[2]上海建筑设计研究院主编，给水排水设计手册第二版第03册城镇给水，中国建筑工业出版社，1999年。
[3]中华人民共和国国家发展和改革委员会，火力发电厂水工设计规范（DL/T5339-2006），水利电力出版社，2006年。
