珠海发电厂循环水供水系统水力瞬变的控制

第30卷第15期企业技术开发2011年8月Vol.30_ No.15TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISEAug.2011珠海发电厂循环水供水系统水力瞬变的控制杨扬(广东省电力设计研究院,广东广州510000)摘要:文章根据珠海发电厂 循环水供水系统工程布置的特点.研究了事故断电条件下水力瞬变引起的液柱分离现象及其防止措施,提出了求解空气阀瞬变过程的新模型。计算研究表明,可以采用沿线布置空气阀防止瞬变液柱分离破坏。分析了现行凝汽器数学模型与水柱分离及再弥合判断条件存在安全裕度较大等问题。关键词;供水系统;液柱分离;水力瞬变;水锤;空气阀;调压井中图分类号:TV134文献标识码:A文章编号:1006- 8937(2011)15 0011-04Control of hydraulic transient of the circulating water supply systemin Zhuhai power stationYANG Yang(Cuangdong Electric Power Design Instute ,Guangzhou ,Guangdong 50000,China)Abstract:According to the characteristics of the project layout of the circulating water supply system in Zhuhai Power Station,this pa-per analyzes the liquid- column separation phenomenon caused by hydraulic transient under the condistion of power off and it's preventivemeasures , puts forward the new model to solve the transient process of air valve.Calculation and study shows that air valve can be arrangedalong the line to prevent the separation and damage of transient liquid-colum.This paper also analyzes the problem of larger safety mar-gin of judging condition of the current condenser mathematical model separating from water column and re - bridge with itKeywords: water supply system; liquid-column separation;hydraulic lransient; water hammer; air valve ;surge tank珠海发电厂位于珠海市金湾区南水镇南水半岛西由于凝汽器与循环水泵安装高程相差较大,且压力南端,厂址靠山面海。电厂规划总装机容量为2x660 MW+管线较长,系统在正常运行时凝汽器处压力很低,因此4x600 Mw,分两期建设。一期工程计划建设660 MW、在 各种瞬态过程中可能发生水锤破坏及系统供水中断等600 MW燃煤机组各两台,其中1#、2#两台660 MW机组事故。为确保系统的安全运行,对系统进行详细的水锤计已投产发电，本次二期工程拟安装600 MW国产超临界算与过程分析,并选择合适的防护措施是十分必要的。燃煤发电机组两台。电厂本次工程循环水采用单元制直流循环冷却供1水力瞬变的控制方法和措施水系统,水源取自黄茅海,水质为海水。每台机组配2台泵系统水力过渡过程，即通常所说的泵站水锤,是立式循环水泵.并联运行时每泵流量10.5 m2/s,扬程17.0由于泵系统内流速的急剧变化引起管中压力急剧变化m;单泵运行时每泵流量12.4m2/s, 扬程10.0 m。循环水的- -种水力过渡现象。过高的压力上升往往会导致管路泵房至汽机房为2台泵合为1根内径为3 450 mm的钢破坏或泵系统中设备的破坏,严重的可能会危及泵站建筋砼管，汽机房至虹吸井采用2根DN2200的钢管合为筑物的安全。1根内径为3450mm的钢筋砼管,从虹吸井至循环水排对于泵站水系统液体汽化引起的液柱分离现象,可水口采用BxH=3.7 mx3.7 m的钢筋混凝土自流沟。循环以采取以下几种工程措施防止:①设置空气阀;②设置水系统供水流程为:取水港池- -进水前池- -循环水泵单向调压塔;③设置空气罐;④设置双向调压塔;⑤增大房-压力供水管-凝汽器- -虹吸井-排水口一排水明电机的转动惯量GD。渠一黄茅海,管道长约980 m。管线纵剖面图如图1所示。在水泵断电条件下,导致管道内水压降低到蒸汽压力的主要原因是机组转速下降过快,而转速变化的速率主要取决于机组的转动惯量,因而增大机组的转动惯量可以减小水泵在断电后转速下降的速率，今降低管道内水压下降的幅值,从而达到防止液体汽化的目的。-般说来设置空气阀投资较少,而设置调压塔、空图13# 机组循环水系统管线纵剖面圈气罐和增大电中国煤化工资成本。在珠海电厂循环水YHCNMHG控制措施只能收稿日期:2011-04-29作者简介:杨扬( 1979- -), 男,河北石家庄人,硕士研究生,工程师,现是空气阀。.主要从事电力工程设计工作。12企业技术开发2011年8月，2数学模型imn=Cw;V7papd (p/p)()叮,0.53po≤p≤po(4)2.1特征线法mn=Cw,0.686 .r Po,p<0.53po(5)VRT。描述管道非稳定流基本方程为运动方程和连续性，空气流出:方程组成的非线性偏微分方程组即:.in=Coo(V(7T/T((/p)-(p)叮,po≤p≤pdL=gax+vax+a++2D0.53(6(1)L,=vH+H+a2 aV_=0m=-Cqw0.686p/ VRT p>p/0.53(7)式(4)和(5)分别为空气为亚音速流入和以临界速式中,H为从基准线算起的测压管水头,m;V为断度流人的情况，式(6)和(7)分别为空气为亚音速流出和面平均流速,m/s;A为管路断面面积,m';g为重力加速以临界速度流出的情况。式中, po为管外大气绝对压力;m度,m/s?;x为距离,m;t为时间,s;f为沿程阻力系数;D为为空气的流进、流出的质量流量;C,Co分别为空气流入和管路直径,m;a为水击波速,m/s。流出阀时的流量系数;w,wo为分别为排气阀的开启面采用特征线法,把一根长L的管道分成n段,每一积;po为大气密度,p=p/RT,R为气体常数;p为管内压力。段长度为Ax=U/t, 取时间步长At=Ax/a, 可以绘出如图2根据前述假定,管内的空气满足如下气体定律:所示的x~t平面上的特征线网格.图中C为正向特征线,p V =mRT(8)C为负特征线。由质量守恒定律，可将式(8)表示为:p[ V ;+0.50t(Q:+Qn-Qn-Qm) ]=[ mo+0.5At( mo+mn)]20tRT(9)A式中，V;为At时段初的气体体积;mo为Ot开始时空气的质量。*/\C与之相连的管道相容性方程为:业B。C:Hp=C,-BQwC::H;=C.+BQ。(10)围2 x~t 特征线网格方程组(1)的差分形式为:H,与p之间的关系为: .p=pg(H,-Z+H)(11)C* Hp=Cp-BQRC H:=Crt BnQe(2)式中,H为气压计的压力头;Z为排气阀的高程。联立求解得:式(4)~(11)即为进排气阀的边界条件方程,其中包含有m .Q元.Qm.Hp.p 5个未知量.可联立求解。p=Cp-Cx(3). QR-BptBw将式( 10)和(11 )代人式(9)可得:2.2 空气阀数学模型pl V.+0.51[Q_-Qm .Cm+Cp+管(-(P+Z-H)]{=[mo+珠海电厂循环水供水系统的边界条件由进水前池.水泵机组、阀门、空气阀、凝汽器.出水池等组成。对于进0.5At( momi) ]RT(12)水前池、水泵机组、阀门、出水池等边界条件,其算法比这就是出现空穴时刻t要解的方程。在方程中除p较成熟，下面介绍一种新的求解空气阀边界条件的空气是未知量外,其余参数都是已知量。不过,由于气体质量模型。流量m的导数din/dp不是连续函数，从上式中求解p不空气阀(真空破坏阀)的作用是:在水泵启动过程太容易。目前国内外普遍采用Wylie 和Streeter提出的方中,当空气阀底部气压超过大气压时,允许空气逐渐流法求解,这种方法的不足就是计算程序复杂,且收敛性出;在水泵加压输水工况事故停机,管道水压小于大气较差。 下面提出一-种新的求解方法。压时,空气阀打开让空气进人，避免液体汽化,减小真空将式( 12)改写成以下形式:度。一般情况下这种阀门不允许液体流人空气。F=p(Cp+C)-C-m=0(13)为了方便地模拟进排气阀对水锤的影响,假定气体式中:C=t(e+B);等熵地流人流出进排气阀,温度接近于液体温度且遵守等温定律。假设空气通过进排气阀时的质量流量与管外1大气的绝对压力Po、绝对温度To及管内的绝对压力P和.CF 0OSAIRT中国煤化工温度T有关。空气的流动速度为亚音速和临界音速两种情况。c;= mo+0SAtin:TYHCNM HG05Qt空气流人: .由于丽数F中只有压强p是未知量,由牛顿一雷伏第30卷第15期杨扬:珠海发电 循环水供水系统水力瞬变的控制13生方法,将式(13 )近似为:F+F,Ap=0,即Ap=- F/Fpo增设新的水锤防护措施,对节省工程投资、保障系统安式中,E=2Cip+Cr-D物,p=p/po.1 di全运行具有十分重要的意义。本研究拟从液柱分离及再弥合判断条件和凝汽器处理方法两方面进行分析。由于当空气以临界流速流人或流出时,lim dm -→∞,3.1水柱分 离及再弥合判断条件lpr所以直接用解析求导的方法确定dm不成立。为了避免3.1.1现行判断标准液柱分离及冉弥合是导致输水系统水锤升压过高dpr这一现象,下面采用中心差分来代替微分即取:的主要原因。液柱分离一般发生在输水管道中压力低于di_ m(p,+8)-m(p.-8)水的汽化压力处,例如,当系统输送20C水体(此时水的28汽化压力为0.24m)时，如管道中某处绝对压力下降到式中,δ8为p,的微小增量,可取δ=10*~10~°。0.24 m或真空度上升至10.096 m( 10.336 -0.24=10.096),求解时刻t水压p的计算步骤如下:①计算系数C、则该处水体将发生汽化形成汽泡，随着汽泡体积的增C2、C;②取压力的初始值p=po(时刻t=to的值);③由式加,水体将被阻断,从而产生水柱分离现象,当汽泡处压(14)计算dm ,并算出F、Fp.Op;④判断lOpl≤10*是否力上升到0.24m以上时,汽泡又重新凝结成水,使被阻成立,如果成立,则p是式(13)的解,转下一步;否则判断的水体又连接起来,即为再弥合。因此从理论上来说，液柱分离及再弥合的判断标准为:当管道中某处绝对压断lOp.=≤e是否成立 ,若条件成立 ,则用 p+Op代力低于水体的汽化压力时,该处发生液柱分离,当液柱替式0p--F/Fp和式( 14)中的p,若条件不成立,则用p+ .分离处压力上升超过水的汽化压力时，即发生再弥合。epoAp/l4pl代替式Op=-F/Fp和式( 14)中的p,重复上述步当前的水锤计算方法,考虑到水体温度、计算精度及压力脉动等因素的影响，大多将液柱分离的判断条件定骤③.④,直到IApl≤10*。为:当真空度高于8m或者绝对压力低于2.33 m时,即3计算结果及分析认为发生了液柱分离,当液柱分离处绝对压力上升超过通过计算,并综合考虑珠海电厂循环水系统组成及2.33 m时.即认为发生再弥合。管路布置情况,在泵出口阀后及管路系统中凸起点增设3.1.2调整后的判断标准现行的液柱分离及再弥合判断标准与实际情况相4只进排气阀,口径200 mm,具体布设位置详见图3。比,因取值较保守,所以计算结果偏于安全。由于珠海电厂循环水系统水锤计算结果处于安全临界状态,为正确判断珠海电厂循环水系统水锤状况,以便能在确保安全的基础上节约投资,本计算将液柱分离及再弥合的判断条件调整为:当真空度高于9.5m或者绝对压力低于0.83m时,即认为发生了液柱分离,当液柱分离处绝对压力上升超过0.83 m时,即认为发生再弥合。该标准与现行判断标准相比,虽然有较大下降,但与实际情况相比，圈3进排气阀布置图珠海电厂循环水系统在增设进排气阀作为防护措仍有一定的安全与裕度。施后,水锤现象虽然得到了很大的缓解,但是在两泵并3.2 凝汽器的处理方法及影响联运行、同时事故停泵、出口阀按程序关闭及单泵运行凝汽器由数万根冷凝管组成,冷凝管按--定规律排关阀停泵两种情况下,水锤最大升压仍然超过了系统中列。本工程凝汽器最高的冷凝管高程为10.6m,最低的为凝汽器的额定承压能力。根据该结果,结合珠海电厂循5.3 m。计算时将凝汽器处理成一根当量管,并将当量管环水系统的设备布置情况.必须采取以下两方面措施对高程等同于最高-根冷凝管的高程,因此按前述的液柱系统水锤进行防护:①调整管线布置.降低凝汽器安装分离及再弥合判断条件，当量管的压力低于0.83 m时，即认为整个凝汽器发生了液柱分离.当液柱分离处绝对高程;②增设调压塔等其他水锤防护措施。以上两方面措施不但会增加大量工程投资,而且根压力上升超过0.83 m时,即认为整个凝汽器发生了再弥据珠海电厂循环水系统总体布置及目前的建设进展情合。这与实际情况有较大差异,因为当当量管内压力低况实际也无法实施。因此,考虑到珠海电厂循环水系统于0.83m时,凝汽器顶部冷凝管开始出现液柱分离,此时最大水锤升压超过系统额定承压能力的幅度较小,基本其他冷凝管仍然保持畅通。因此将凝汽器处理成当量管的方法同样会中国煤化工处于临界状态，而当前水锤计算结果又存在一定的误差,且偏于安全这一情况,对珠海电厂循环水系统水锤4结论及建，MHCNMH G计算过程及计算结果进行进- -步分析,以确定有无必要鉴于上述补充计算的计算结果及凝汽器的处理方14企业技术开发2011 年8月，法对计算结果的影响,本计算认为珠海电厂循环水系统在增设4只DN200进排气阀作为水锤防护措施后基本能满足安全运行的要求。但考虑到凝汽器处最大水锤升压接近系统承压能力的极限,建议建设单位在试运行时对系统运行状况进行现场测试，以进- - 步对系统的安全! 0性进行验证。建议水泵出口阀关闭程序采用10s快关76.5°、40s慢关13.5°进行控制,对起动泵出口阀按泵阀联动、阀门开启时间为60s进行控制。两台泵同时事故停泵的压力包络线见图4、图5。圈5泵出口阀10 s/76.59 ,40 s/13.59.吸水室水位-0.472 m两台泵同时事故停泵的压力包络线参考文献:[1]杨开林电站与泵站中的水力瞬变及调节[M].北京:中! 15国水利水电出版社,2000.[2] [美E.B.怀利,V.L.斯特里特著,清华大学流体传动与控制教研组译.瞬变流[M)北京:水利电力出版社,2002.[3]刘竹溪,刘光临.泵站水锤及其防护[M]北京:中国水利水电出版社，1998.s004]刘光临.江西省九江第三水厂水源泵站水锤分析及防圉4泵出口阀10 s/76.59 ,40s/13.59 ,吸水窒水位-1.752 m护技术研究报告[R].九江:江西省九江第三水厂,2000.(上接第10页)础上可以进-步研究分析SOA的业务服务粒度与流程柔性的关系以及设计柔性流程模块。se5s10014.0014.001400241 0014..[a21314. 00140024 00141[1] Ross ,J.W., P.Enterprise Architecture as Strategy: Creating a00240024.0014Foundation for Business Execution [M].Boston: Harvard Busi[a1430a5 1314 I4300I 0024I 0024 0014ness School Press , 2006.a6 1314 1324I 0024.002生. 0014[2]黄丽华,葛永利,富小丽,等.企业过程柔性的概念框架[]-l 371314024.0024a8I1314I00240024I00240024L10024系统工程理论与实践, 99,( 10).C 0240014 0014[3] Slack ,Nigel.Manufacturing systems flexibility an asessment4314procedure!J].Computer Integrated Manufacturing Systems,图5旅客登机流程的SeAD模型1988,(1).5结论与展望[4] Malone , T.W.,Crowston, K., Lee ,J.Tools for Inventing Orga-nizations: Toward a Handbbok of Organizational Processes [].本文基于QFD和DSM开发了SeAD矩阵模型,该模Management Science，1999,(3).型能够简洁、集成、有效地描述流程的响应柔性和范闱[5]郑大兵,黄丽华,李勇.QFD在企业过程优化中的应用]柔性,并给出了SeAD模型的构造方法。未来在SeAD基管理科学学报，99,(4).中国煤化工MYHCNMHG