（水利水电工程专业论文）火电厂冷却水系统水力过渡过程计算研究.pdf

摘要 随着社会经济的不断发展 电能的需求量越来越大 由此使得电力事业的发 展日趋迅猛 火电厂以其投资少 见效快的优点而一直为人们所重视 现代火电 厂单机容量越来越大 其冷却水系统也日趋复杂 系统的可靠性和水锤及其防护 问题引起了工程界和学术界的密切关注 随着冷却水系统规模的扩大 其对能源 的消耗直接影响了电厂的运行成本 因此 冷却水系统己成为火电厂实现安全 经济运行的重要子系统之一 本文在总结前人已有研究成果的基础上 结合导师刘德有教授负责的 嘉兴 电厂二期工程循环水供 排水系统过渡过程研究 等科研项目 对火电厂冷却水 系统的水力瞬变问题进行了全面的数值计算分析研究 并在虹吸井有关参数选择 和凝汽器变工况运行分析等方面作了一些有意义的探索 首先 本文对火电厂冷却水系统的瞬交流计算边界条件进行了分析处理 并 建立了相应的数学模型 进行了各种水力控制工况的过渡过程仿真计算分析 得 到的计算成果已应用于工程设计 并在实际工程中得到验证 其次 本文结合工程实例 分析了虹吸井的断面面积和溢流堰顶高程 以及 虹吸井在系统中的布置位置等参数对系统水力过渡过程的影响 提出了虹吸井优 化设计的基本思路 建立了制气式虹吸井的边界条件数学模型 并通过算例验证 了该模型的正确性 第三 研究了凝汽器的变工况运行过程 推导出冷却水温升与系统循环水量 的关系式 分析了系统循环水量变化对凝汽器运行状况的影响 该成果对今后进 一步研究系统的经济运行有重要意义 最后 提出了本课题研究中仍然存在的一些问题 探索了今后可进一步研究 论证和优化分析的火电厂冷却水系统水力过渡过程的有关问题 本文研究工作得到国家自然科学基金 n o 5 0 1 7 9 0 0 8 的资助 特此致谢 关键词 火电厂冷却水系统过渡过程虹吸井凝汽器冷却水温升 a b s t r a c t w i t ht h ed r a m a t i ce c o n o m i cg r o w t hi nc h i n ai nr e c e n td e c a d e s t h ed e m a n df o r e l e c t r i c i t ys u p p l yi sc o n s t a n t l yi n c r e a s i n g w h i c hr e s u l t si nar a p i dd e v e l o p m e n t o ft h e p o w e rg e n e r a t i o ni n d u s t r y t h et h e r m a lp o w e rp l a n t t p p h a s b e e na p r e f e r r e do p t i o n i nd e v e l o p i n gc o u n t r i e sf o ri t sl e s si n v e s t m e n ta n ds h o r t e rc o n s t r u c t i o np e r i o d i n m o d e mt p p s t h eu n i tc a p a c i t yh a sb e e ni n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya n dt h u st h ec o o l i n g s y s t e m i sg e t t i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d t oi m p r o v et h es y s t e mr e l i a b i l i t y t h e i s s u e sa b o u tw a t e r h a m m e ro c c u r r e n c e sa n dt h e i rp r o t e c t i o nm e a s u r e si nt h ec o o l i n g s y s t e m a r eb e i n gp a i da ni n t e n s i v ea t t e n t i o nw i t h i nb o t hi n d u s t r ya n da c a d e m i c d o m a i n s m e a n w h i l e t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ee x p a n d e dc o o l i n gs y s t e mc o u l d d i r e c t l ya f f e c tt h ea n n u a lc o s t t h e r e f o r e t h ec o o l i n gs y s t e mb e c o m e sa l li m p o r t a n t c o m p o n e n t i nt h e p o w e rp l a n t i nt e r m so f s y s t e mo p e r a t i o ns a f e t ya n d c o s t b a s e do nt h el i t e r a t u r er e v i e wa n dc o m b i n e dw i t hs e v e r a lr e a lp r o j e c t s s u c ha s t r a n s i e n ta n a l y s i sf o rt h ec o o l i n g w a t e rs y s t e mo fj i n x i n gp o w e rp l a n t e t c a c o m p r e h e n s i v e r e s e a r c ho nn u m e r i c a l a n a l y s i s o ft r a n s i e n tf l o w si nt p p s c o o l i n g w a t e rs y s t e mi s c a r r i e do u t a n ds o m es i g n i f i c a n t e x p l o r a t i o n o ns y s t e m o p t i m i z a t i o nd e s i g na n de c o n o m i c a lo p e r a t i o ni sm a d e f i r s t l y t h ed i f i e r e n tt y p e so fs y s t e mb o u n d a r yc o n d i t i o n s a r e a n a l y z e da n d c o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r e d e v e l o p e d t h e n u m e r i c a l a n a l y s e s o f c o n v e n t i o n a lt r a n s i e n t sa r ep e r f o r m e d a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r c a p p l i e dt o e n g i n e e r i n gd e s i g na n da r ec o n f i r m e d i nt h e e n g i n e c r i n g o b s e r v a t i o n s s e c o n d l 5u s i n gt h ec a l c u l a t i o ne x a m p l e s f r o mt h er e a lp r o j e c t s t h ee f f e c t so ft h e d e s i g np a r a m e t e r s i n c l u d i n gt h ec r o s s s e c t i o n a la r e ao f t h es i p h o n w e u t h ee l e v a t i o n o fo v e r f l o ww e i ra n dt h e1 0 c a t i o no f s i p h o n w e l l i nt h es y s t e m o nt h ep e r f o r m a n c eo f t r a n s i e n tf l o w sa r e a n a l y z e da n dt h eb a s i c f u n d a m e n t a li n s i p h o n w e l ld e s i g ni s p r o p o s e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fa s p e c i a lt y p eo fs i p h o n w e l l w i t ha i r c h e c k i s d e v e l o p e da n d t h ea c c u r a c yi sv e r i f i e db yc a l c u l a t i o ne x a m p l e s t h i r d l y t h et r a n s i t i o nb e t w e e nv a r i o u so p e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h ec o n d e n s e ri s s t u d i e d a n dt h ee x p r e s s i o ni sy i e l d w h i c he x p r e s s e dt h ec o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e r i s ea n dt h es y s t e mc i r c u l a t i o nw a t e rv o l u m e t h e i m p a c t o fc i r c u l a t i n gw a t e rv o l u m e o nt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h ec o n d e n s e ri s a n a l y z e dp r e l i m i n a r i l y t h e r ea r e i m p o r t a n tm e a n i n g s i ns t u d y i n gs y s t e m a t i ce c o n o m i c a lo p e r a t i o nf u r t h e ri nt h ef u t u r e i nt h i sa c h i e v e m e n t f i n a l l y s o m el i m i t a t i o n sa n du n s o l v e di s s u e sa r ea d d r e s s e d a n dt h ep r o b l e m c o r r e l a t e dt ot h ef u r t h e rr e s e a r c ha s s o c i a t e dw i t ht r a n s i e n ta n a l y s i si oc o o l i n gs y s t e m a r es u g g e s t e d t h i sr e s e a r c hw a sf u n d e d b y t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ea w a r df 5 0 1 7 9 0 0 8 1 h e r e 1w o u l dl i k et oe x p r e s sm yd e e pg r a t i t u d e k e y w o r d t h e r m a lp o w e r p l a n t c o o l i n g w a t e rs y s t e m f l u i dt r a n s i e n t s s i p h o n w e l l c o n d e n s e r c o o l i n g w a t e r t e m p e r a t u r e r i s e 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 如不实 本人负全部责任 论文作者 签名 照 盆幽 2 0 0 5 年5 月1 0 日 学位论文使用授权说明 河海大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术期刊 光盘 叠 版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档 可以采用 影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 论文全部或部 分内容的公布 包括刊登 授权河海大学研究生院办理 论文作者 签名 随盈卣 2 0 0 5 年5 月1 0 日 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 在有压输水管道中 水流从一个稳定状态变化到另一个稳定状态的过程 称 为水力过渡过程 当管道内水流的流量或流速发生变化时会引起水压力的周期性 波动 这种水力现象即称为水锤 也称为水击 关于水锤基本理论的研究是从探 讨声波在空气中的传播和波在浅水中的传播开始的 但是 在弹性理论 微积分 学以及解微分方程的方法建立以前 这些问题都未能得到解决 随着自然科学的 发展 1 7 5 9 年 欧拉 函尼 建立了弹性波传播理论及波动方程 1 8 5 8 年门纳 布利亚 m e n a b r e a 发表的有关水击笔记中曾提到水击计算必须考虑管道的弹性 与水体的压缩性等论点 奠定了弹性水击的理论基础 1 8 7 8 年 柯特威格 k o r t w e g 首次同时考虑管壁弹性和液体弹性来确定水击波速 1 8 8 3 年 葛罗 米克 g r o m e k a 在分析水击时第一次考虑了阻力损失 1 8 9 7 年 儒可夫斯基在 大量试验与理论研究的基础上 发表了关于水击理论的经典报告 并于1 9 0 4 年 提出了众所周知的直接水击压强计算公式 阿列维 a l l i e v i 由最初的一些原理 得出水击的普遍理论 1 9 1 3 年提出了水击连锁方程组 并建立了阿列维水击图 解曲线及末相水击计算式 奠定了水击计算的理论基础 可以说 直到上个世纪 4 0 年代中期 输水系统水力过渡过程计算还是广泛地采用阿列维公式 自儒可夫斯基 阿列维等学者为水锤理论奠基以来 关于水锤的研究方法也 取得了长足进展 1 9 2 6 年 乌德 w o o d 提出分析水击的图解法 后来格伯朗 b e r g e r o n 将图解法引申用于确定管道中间断面的状态 而施尼德 s c h n y d e r 第一次在图解分析法中计入了阻力损失 1 9 3 9 年 安吉斯 a n g u s 提出了分岔 管水击压力计算的图解法 1 9 4 5 年 利兹 r i c h 提出应用l a p l a c e 变换进行水 击压力分析 1 9 5 4 年 格莱 g r a y 介绍了计算机进行水击分析的特征线法 1 9 6 3 年 斯特里特 s t r e e t e r 与赖 l a i 合作的论文是最早发表的用特征线法 和计算机分析水力瞬变流的论文 1 9 6 3 年 帕马京 p a m a r k i a n 的 w a t e rh a m m e r 爿h n z y 5 如 一书的出版 使水击理论与计算方法获得了较深入的发展 其后 斯 特罩特发表了很多特征线法的论文 并与怀利 啦l i e 合著了 h y d r a u l i c 河海大学硕士学位论文 t r a n s i e n t s 一书 其中1 9 7 8 版由清华大学流体传动与控制教研组译成中文版 并于1 9 8 3 年正式出版 国内关于水力过渡过程问题的研究大约始于2 0 世纪6 0 年代初期 研究范围 主要集中在水电站输水系统水锤压力的解析计算和模型试验等方面 此外 在少 数水电站进行了一些原型观测 获得了宝贵的试验资料 还出版了 些反映我国 在过渡过程领域研究状况的教材和学术著作 1 目前 水锤计算方法已由传统的解析计算法 图解法逐渐过渡到利用电子计 算机的数值仿真计算方法 其中 基于特征线法的数值仿真计算方法以其迅速 准确 通用性强等诸多优点己成为国际上最为通用的方法 水锤理论从总体来看已经比较完善 但由于当今社会经济日新月异的发展 各种学科的交叉使得水锤问题已经不仅仅是水利水电工程中常遇到的特定问题 在其他工程中也普遍存在并日益受到重视 因为 在实际工程中 水锤常常是造 成管路爆裂的主要原因之一 特别是当管路沿线某处的瞬态压力降低到水的汽化 压力以下时 将会导致发生水柱分离现象 其后当压力升高时 分离的水柱重新 弥合 即发生两股水体的剧烈碰撞 产生压力很高的 水柱分离 弥合水锤 这 种水锤的压力上升值比水流连续时发生的水锤压力要大的多 因此 在分析水锤 及其防护问题时 不但要分析水流连续情况的水锤现象 还应分析判断系统是否 会发生水柱分离及其可能发生的地点等问题 对于管路较长 管道沿线起伏较大的火电厂冷却水系统 在循环水泵开 停 泵和事故断电停泵等情况下 系统管道内的水流量将产生急剧变化 并由此产生 复杂的水力过渡过程 在恶劣情况下甚至出现水柱分离一弥合现象 由此产生的 巨大的水锤压力 常常导致输水管道及系统设备的严重损坏 造成电厂的停机事 故 因此 针对火电厂冷却水系统的水力过渡过程进行精确的数值仿真计算分析 探索其不同具体情况的发生机理 并提出相应的解决对策和防护措施 这对确保 火电厂的安全 稳定 高效运行具有十分重要的意义 第一章绪论 第二节火电厂冷却水系统水力过渡过程研究综述 以煤 石油或天然气等为燃料的发电厂统称为火力发电厂 简称火电厂 目 前 我国火电厂大多为凝汽式发电厂 这类火电厂的生产过程即为把燃料中的化 学能转变为电能的过程 可分为三个阶段 在锅炉中通过燃烧将燃料中的化学 能转变为热能 锅炉中的水吸收热能转变为高温高压的水蒸汽 再通过管道使 水蒸汽进入汽轮机 推动汽轮机旋转 使得热能转变为机械能 利用汽轮机的 旋转机械能带动发电机发电 并输入电网 即实现了将机械能转变为电能 在火 电厂中 完成上述生产过程三个阶段的分别对应为以下三个系统 燃烧系统 主要由输煤 磨煤 燃烧 风烟 灰渣等环节组成 汽水系统 电气系统 主要包括发电机 励磁装置 厂用电系统和升压变电所等 下面仅针对汽水系统 作简要介绍 凝汽式火力发电厂的汽水系统由锅炉 汽轮机 凝汽器 锅炉给水处理及加 热设备 包括除氧器和加热器等 等设备及管道构成 包括给水系统 冷却水系 统和补水系统 如图1 2 1 所示 其中 冷却水系统的主要功能是为凝汽器提供 充足的冷却水 将在汽轮机中作功后由低压缸排入凝汽器的乏汽冷却成凝结水 以维持汽轮机组正常运行过程中的蒸汽循环以及其热功转换过程中的热力平衡 图1 2 1 电厂汽水系统流程示意图 1 凝汽器 2 循环水泵 3 凝结水泵 4 抽气器 5 一锅炉给水处理及加热设备等 6 锅炉 7 汽轮机 8 一发电机 凝汽式火电厂冷却水系统的主 要功能是为凝汽器提供充足的冷却 水 将在汽轮机中作功后排入凝汽 器的乏汽冷却成凝结水 7 j 以维持 汽轮机组正常运行过程中的蒸汽循 环以及其热功转换过程中的热力平 衡 冷却水系统的冷却效果直接影 响汽轮机背压的大小和稳定性 从 而直接影响汽轮发电机组的稳定运 行和运行效率 据e p r 估计 美 国在1 9 7 9 1 9 8 4 年间 凝汽器的效 率降低1 将使美国公用事业的损失达2 2 亿美元n 因此 冷却水系统的优化 设计和安全可靠运行是火电厂安全 稳定 高效运行的基本保障之 河海大学硕士学位论文 火电厂的冷却水系统也称循环水系统或称循环冷却水系统 因为系统中的冷 却水约有9 5 用于在其循环过程中经凝汽器吸收并带走蒸汽凝结时放出的热量 而其水量是可以循环使用的 系统中的供水水泵通常称为循环水泵 火电厂冷却 水系统 按水源情况分 通常有两种类型 6 1 是直流供水系统 亦称开式冷却 系统 主要以江 河 湖 海和水库作为冷却水水源 是二次循环供水系统 亦称闭式冷却系统 此类型系统的冷却水在凝汽器与冷却塔之间进行循环 按管道系统布置情况分 通常有 单元制 扩大单元制 母管制 混合 制等多种类型 随着火电厂装机规模以及其发电机组单机容量的不断增大 其冷 却水系统的规模也相应地不断增大 目前 大型火电厂的冷却水系统已成为大容 量 长管道并且管网结构复杂的水泵供水系统 并且它同时也是一种型式特殊的 水泵供水系统 对于该系统 在循环水泵开 停泵和事故断电停泵等情况下 系 统管道内的水流量将产生急剧变化 并由此产生复杂的水力过渡过程现象 在恶 劣情况下甚至出现水柱分离 弥合现象 由此产生的巨大的水锤压力 常常导致 输水管道及系统设备的严重损坏 8 切 造成电厂的停机事故 为此 有关学者针 对该系统的水力过渡过程进行了大量的数值仿真分析和模型试验研究 探索了其 不同具体情况的发生机理 提出了若干行之有效的解决对策和防护措施 8 q 训 2 1 常见的水力过渡过程现象及其发生机理 火电厂冷却水系统作为一个水泵供水系统既有常规水泵供水管道系统所具 有的一般水锤问题 又有其自身所特有的水力过渡过程现象 本绪论部分主要简 单介绍与该系统管网结构特点所密切相关的几种常见的水力过渡过程现象及其 发生机理 2 1 1 水泵吸水池的涌波现象 在真流供水冷却水系统中 除少数循泵房设在河岸边情况外 循环水泵吸水 池常通过自流引水管道或沟道与水源河道相连接 在二次循环供水冷却水系统 中 循环水泵吸水池均通过自流回水管道或沟道与冷却塔回水池相连接 根据工 程设计经验 一般这种引水道或回水道 管道或沟道 的断面尺寸很大 其内水 体流速很小 仅约1 2 m s 但总流量很大 因此 当这种引水道或回水道的 长度较长时 其内水体惯性非常大 则在循环水泵事故断电全停泵工况下 循环 第 章绪论 水泵不但停止取水还会有一定的倒流量 而引水道或回水道的水体在惯性作用下 继续流入吸水池 此时如果吸水池的面积偏小 即会出现幅值较大的涌波现象 此时如果吸水池的顶高程偏低 即会造成吸水池溢流事故p9 或造成吸水池顶板 开裂事故 1 0 并对循泵房产生严重威胁 对此 可通过适当增大引水道和吸水池 断面尺寸 增高吸水池顶高程或增设调压设施等措施予以解决 8 1 0 1 2 1 2 水泵启动工况的水力过渡过程现象 当循环水泵启动时 若水泵出口阎开启过程不当 则会在泵出口阀前或后产 生较高的水锤压力 水锤压力的大小取决于循环水泵出口阀的开启时间及规律 t i 2 特别是有的火电厂冷却水系统由于地形限制等 造成泵房挖深很大 出水 管道垂直上升的高度很大 形成了高位阀供水系统 这类系统在循泵启动过程中 出水管内如截留空气团不能及时排出 则压力水头与空气相互作用将造成压力急 剧变化 从而极易导致产生水泵启动水锤事故 1 3 1 在扬程较大 管线较长的二次 循环供水冷却水系统中 如果水泵出水管内有截留气团不能及时排出 也极易导 致产生水泵启动水锤事故 对此 可通过在适当位置增设排气阀和选择合适的出 1 3 阀开启规律等措施予以解决 1 1 引 2 1 3 水泵停泵工况的水力过渡过程现象 当循环水泵正常停泵或事故断电停泵时 如果出口阀不能及时关闭或关闭太 慢 在出水管道水压力的作用下 泵轮转速将迅速降为0 并发生反转 出水管 道内的水体也随即发生倒流 在倒流水惯性作用下 水泵反转转速将达到很高反 转速 甚至超过最高允许转速 导致循环水泵及电机的损坏 出水管道的倒流水 量也可能很大 与此同时 出水管道中后段管内的水体常常还在原流动惯性的作 用下继续向前流动 这样就会形成短暂的出水管道两端水流方向相反现象 并由 此导致出水管道中前段管内特别是在管线的驼峰点 如凝汽器出口处 发生水压 力迅速降低现象 甚至出现水柱分离现象 随后在两侧水压力作用下 该水柱分 离处即会产生水柱弥合 形成压力极高的 水柱分离 弥合水锤 这常常会导致 管道爆裂事故 2 3 1 这也是冷却水系统最常见的水锤事故现象 但如果出口阀 关闭太快 虽可避免水泵反转过速现象 却会在出口阀门前产生较大的正压水锤 而在阀后产生很大的负压水锤甚至水柱分离 随后导致阀后产生很大的正压水 锤 同样也常常造成管道爆裂和系统设备损坏事故 1 4 屯 可见 当水泵停泵时 河海大学硕士学位论义 合理选择并优化其出口阀的关闭规律是至关重要的 但对于管线较长的大型火电 厂冷却水系统 常常还需要增设必要的水锤防护措施 以确保系统的安全可靠运 行 2 2 水锤防护措施及其工程应用 水泵供水系统的水锤防护 首先应该考虑的是在不增加系统复杂程度的条件 下 利用现有条件进行优化运行 从而达到防止水锤发生的目的 对系统可能发 生的水锤现象进行数值仿真模拟和预测 并由此优化确定合适的阀门启闭规律 这无疑是最实用可行的 许多学者对于冷却水系统的数值模拟计算理论和方法做 了大量研究 8 引 对于阀调节的作用给予了充分的肯定 2 4 2 5 并将此措施运用到 工程实际中 1 1 1 9 1 对低扬程 大流量 长管道的输水系统 早期的一些防水锤措施虽然都可以 在不同程度上发挥一定的效果 但存在着很多实际问题 如影响工程投资和运行 可操作性等 而在系统中选用合适的新型阀门则能较好地克服上述缺陷1 2 6 埘 对于复杂供水系统 仅仅利用阀门调节常常难以确保满足水锤防护要求 因 此 在系统中还需增设必要的工程措施 调压井1 2 踟 空气罐f 2 9 1 空气阀 3 0 3 z 和 单向调压塔 3 卜3 2 l 以及小惯性飞轮加单向调压塔 嘲作为几种有效的水锤防护措 施 已经在实际工程广泛应用 但对于具体工程 根据其不同的布置方式和相关 设备特性 其适用的有效水锤防护措施也是各不同的 2 7 32 1 因此 在选择确定 水锤防护措施时 首先要针对具体工程进行详细的水力过渡过程仿真计算分析 火电厂冷却水系统作为一个特殊的水泵供水系统 由于管线存在驼峰点 且 其正常工作压力较小 因此 在系统发生水力过渡过程时 该处很容易出现水柱 分离 并发生非常水锤 2 0 1 此时采用含气体释放的蒸汽穴模型 3 3 1 以及矢通量分 裂法 划能够较好地模拟供水系统中的两相流过渡过程问题 水锤模型试验研究表 明 该数值计算模型具有较好的计算精度 3 0 由于理论研究的不断深入以及实际工程经验的大量积累 目前关于火电厂冷 却水系统水锤现象的预测分析以及水锤防护措施的确定已有了比较系统的方法 可为今后的工程布置设计和安全运行提供良好的借鉴 3 6 讲1 第一章绪论 第三节冷却水系统水力过渡过程主要研究内容及其目的 为确保火电厂冷却水系统的安全可靠运行 对系统进行详细的水力过渡过程 计算分析 并选择或提出合适的水锤防护措施是十分必要的 通过对冷却水系统 的水力过渡过程计算分析 求出水泵吸水池的最高 最低水位 以确定合适的吸 水池和引水管道或沟道的结构参数 求出系统管线上各点的最大内水压力 以选 择合理的设备及供水管道的耐压强度 求出系统管线上各点的最小内水压力 以 作为管线布设的基本依据 并尽量减少管道内发生负压 避免发生水柱分离现象 求出系统在各种水力过渡状态凝汽器的最小可供水量 以校核系统冷却供水的安 全性 分析系统水力动态特性与水泵机组运转特性的关系 以验算水泵机组的最 大反转转速 分析系统水力过渡过程的规律和特征 以选择合适的水泵出口阀型 式及其最优的开启 关闭规律 必要时还需选择或提出合适的水锤防护措施 以 确保系统设备及管道安全 但通过对火电厂冷却水系统所特有的管网结构特点和运行功能要求的深入 分析 可以看出 火电厂冷却水系统除必须确保其自身的运行安全可靠以外 还 必须同时兼顾其自身和汽轮发电机组的运行经济性要求 以及汽轮发电机组的运 行稳定性要求 这是火电厂冷却水系统有别于一般水泵供水系统的重要特征 由 此 使得火电厂冷却水系统相对于一般水泵供水系统增加了若干值得进一步论证 研究和优化分析的水力过渡过程问题 根据对火电厂冷却水系统的研究分析 针对火电厂冷却水系统所特有的管网 结构特点和运行功能要求 从提高系统运行的安全性 稳定性和经济性角度 该 系统还需进一步论证研究和优化分析的有关水力过渡过程问题主要包括以下两 个方面 3 1 考虑运行经济性的水力过渡过程研究 冷却水系统作为一个庞大的动力系统 其对电能的消耗也是巨大的 约占电 厂总发电量的1 2 因此 提高冷却水系统的运行经济性是十分有意义的 3 8 3 9 研究冷却水系统的优化经济运行 必须建立冷却水系统流经凝汽器的水 温 水压或水量与汽轮机背压以及汽轮发电机组出力之间的动态关系数学模型 河海大学硕士学位论文 以及优化约束条件 因为 虽然增加冷却水量或降低循环水温均可以达到降低汽 轮机背压 4 提高发电机组出力的效果 但从经济性角度 显然不是水量越大或 水温越低越好 因此 需要继续推广循环水泵的调速调节 并进一步研究其优化 调节规律 同时要进一步研究冷却水系统设备的合理布置问题 4 引 以实现系统的 最优经济运行 4 3 州j 值得指出的是 冷却水系统的水温 水压或水量 以及汽轮发电机组出力都 是各自时变的参数 同时又是互为关联影响的参数 比如水泵吸水池水位 水温 的变化即会对发电机组出力产生明显的影响f 4 5 1 该研究课题是一个比较复杂的系 统优化问题 目前相关的研究成果也很少见m 3 2 考虑运行稳定性的水力过渡过程研究 在冷却水系统正常工作的情况下 如果发生工作水泵事故断电停泵现象 则 备用泵将自动迅速投入 但备用泵从接到启动信号到正常运行一般需要约5 1 0 s 时间 在此时问内 如果事故水泵的出口阀关闭规律选择不当 将会引起部分 水体的倒流并产生系统水压力较大幅值的波动 从而可能导致流经凝汽器的冷却 水量在短时间迅速减少甚至中断 进而影响凝汽器的冷却效果 影响凝汽器内的 真空度 由此可能引起汽轮发电机组出力的摆动 1 2 l 甚至可能导致停产事故 因 此 进一步研究如何采取有效措施以尽量降低冷却水系统的大波动水力过渡过程 对汽轮发电机组运行稳定性的影响也是十分必要的 在直流供水冷却水系统中 虹吸井作为其特有的结构部件 其主要作用是确 保凝汽器出i l 处的水压力维持在一个允许的范围内 因此 虹吸井内水位 流量 的变化对凝汽器出口的水压力以及对整个冷却水系统的运行稳定性和经济性有 着直接的影响 进而影响到汽轮发电机组的运行稳定性和经济性 此外 虹吸井 作为一个大型水工建筑物 其尺寸的大小是影响冷却水系统投资的一个重要因 素 因此 虹吸井结构尺寸的合理选取 应综合的考虑工程投资和系统运行的稳 定性和经济性等多方面因素 对于二次循环供水冷却水系统 冷却塔作为循环水系统的终端 其内部结构 和形式对系统排水e 1 的水压力会有较大的影响 进而对整个冷却水系统的运行稳 定性和经济性也会有一定的影响 第一章绪论 第四节本文主要研究内容 本文结合导师刘德有教授负责的 嘉兴电厂二期工程循环水供 排水系统过 渡过程研究 等科研项目 对火电厂冷却水系统的水力过渡过程进行了较为深入 的数值计算分析研究 在虹吸井有关参数选择和凝汽器变工况运行分析等方面都 做了一些有意义的探索 首先 本文对火电厂冷却水系统的瞬变流计算边界条件进行了分析处理 并 建立了相应的数学模型 进行了各种水力控制工况的过渡过程仿真计算分析 得 到的计算成果已应用于工程设计 并在实际工程中得到验证 其次 虹吸井作为火电厂冷却水系统中结构较为特殊的部分 其各相关参数 的选择将影响到系统的运行安全性和稳定性 本论文针对此问题结合工程实例 分析了虹吸井的断面面积和溢流堰顶高程 以及虹吸井在系统中的布置位置等参 数对系统水力过渡过程的影响 提出了虹吸井优化设计的基本思路 另外 对于 制气式虹吸井的边界进行了分析并建立了相应的边界条件数学模型 且通过算例 验证了该模型的正确性 第三 研究了凝汽器的变工况运行过程 推导出冷却水温升与系统循环水量 的关系式 分析了系统循环水量变化对凝汽器运行状况的影响 该成果对今后进 一步研究系统的经济运行有重要意义 最后 本文针对火电厂冷却水系统的管网结构特点和运行功能要求 从提高 系统运行的安全性 稳定性和经济性角度 提出了本课题研究中仍然存在的一些 问题 探索了今后可进一步研究论证和优化分析的火电厂冷却水系统水力过渡过 程的有关问题 第二章火电厂冷却水系统水力过渡过程计算 第二章火电厂冷却水系统水力过渡过程计算 随着火电厂发电机组单机容量的增大 冷却水供 排水系统的规模也相应增 大 供水系统日趋复杂 系统的可靠性及其水锤及防护问题越来越突出 成为火 电厂优化设计 安全运行必须解决的问题 第一节基本理论及计算方法 在进行水锤分析时 根据输水系统的复杂程度 管线长度等实际情况的不同 对水体及管壁的弹性要进行不同的考虑并处理 由此出现了两种研究水锤问题的 方法 刚性水锤与弹性水锤 当假定水体和管壁的弹性可忽略不计时 称为刚性 水锤 理论 这一般适用于系统较简单 管路较短的情况 由于忽略了水体和 管壁的弹性 因此管道内各断面的流量在同一时刻应当是相等的 而当管道系统 变得较为复杂 管线跨度较大 管道较长时水体和管壁的弹性就不可以忽略 这 种考虑了水体和管壁弹性的水锤研究称为弹性水锤 弹性水锤理论认为 管道系 统中的压力波将以一定的速度传播到整个管线系统 且其传播速度直接取决于水 体及管壁的弹性 利用弹性水锤理论简单的描述水锤的发生机理及运动过程为 当外界条件突然发生变化时 水流的速度或者流向也会因此而发生改变 由于水 流的惯性作用 在外界条件改变的地方将首先产生水压力的升高或降低 在水压 力升高管段内 管道的管壁产生了弹性膨胀 水体受到了压缩 水的密度有所增 加 在水击压力降低段内 管道的管壁产生了弹性压缩 水体受到的压力减小 水的密度也有所减小 这一变化规律将沿着管道以弹性波的形式进行周期性循环 往复 弹性水锤的实质是水流的惯性和边界条件的不平衡性相互作用 媒介是水 体和管壁的弹性 目前 水锤计算大多采用的是基于一维流动模型的特征线法 一维流动模型是基于以下假定建立的 1 利用管道横截面上的平均流速和压力来代替整个管道的横截面上的流 速和压力 2 管壁和水体均为弹性的和小变形的材料 3 过渡过程中管道内的阻力特性与稳定流状态时相同 河姆大学硕士学位论文 利用特征线法求解水锤问题具有许多优点 稳定性准则可以建立 边界 条件易于编制程序 可以处理比较复杂的系统 可以适用于各种管道的水力瞬 变分析 包括汽液两相瞬变流 在所有的差分中具有最好的精度 下面给出特征线方程的推导过程 由牛顿第二定律可得到水力瞬变的运动方程为 告峨斗k g s i n a 訾z 2 1 o己u 考虑n p p g h z 在此假定p 相对于日和z 为常数 则有 p x p g h 一o 一p g h 一s i n a 2 2 在一般情况下妖c 故可在在处理方程的过程中忽略对流项 0 对方程 的影响 由此可以将方程 2 1 化简为 绒帅掣t 2 3 由水流的连续性可以得到水力瞬变的连续性方程为 署 导 屹z o 2 4 这个方程对收缩管或扩张管都是成立的 对于十分柔软的管子或者对于气体 流动也是成立的 对于火电厂冷却水系统 该方程还可作进一步的简化 对火电厂冷却水系统 其管道一般为棱柱管 我们假定管道为薄壁管道 即 管壁厚度d 管道的内径d 因此管壁的轴向应变应等于径向应变 同时依然 假定p 相对于h 和z 为常数 则方程 2 4 n 变为 v h 上 一y s i n a 竺二e 0 2 5 g 基于前面的分析 在比 2 0 s 的水泵出口阀开 启规律时 水泵出口最大水锤压力变化范围很小 基本在2 2 5 m 左右 能够满足 设计要求 在能满足水锤压力要求的情况下 水泵应尽快达到正常运行状态 水 泵出口阀开启时间应尽可能取较小值 因此 这里阀门选择开启时间为2 0 s 水泵出口阀关闭规律的选择 2 1 计算管网系统的选取 因本工程共有4 台机组 均采用单元制直流循环冷却供排水系统 从水力学 计算角度看 该工程共有4 个相互独立的水力管网系统 根据理论分析及数值比 较计算知 其中供水管道最长的3 样机组的循环水供水管网可作为本报告计算分 析所针对的控制性管网系统 对第3 样机组管网系统进行计算 其成果可应用于 其他3 个管网系统 且偏安全 2 2 控制工况的确定及取 排水口计算水位的选取 经理论分析及数值比较计算知 针对选定的管网系统 水泵出口阀关闭规律 选择计算的水锤压力控制工况是 2 台泵并联运行 同时事故全断电 的过渡过 程工况 另外 由于本工程水泵出口蝶阀的过流特性比较特殊 在其接近全关的 开度 1 2 以内 时 过流量的变化非常缓慢 而其开度在4 0 1 2 范围时 过流量的变化非常急剧 在单泵运行时 由于其出口阀的过流量相对较大 如果 在开度4 0 1 2 范围内阀门关闭速度太快水泵出口将很容易产生较大的负压 水锤 因此 还应该对 1 台泵运行 运行泵事故断电 工况进行校核 本工程循环水系统的取 排水口位于杭州湾北岸海滨 该处的最高 最低潮 位分别为6 3 1 m p o 1 和 3 8 8 m p 9 9 平均潮位为o 3 2 m 当取 排水 口的潮位变化时 水泵正常运行的流量 扬程也会有相应的变化 即水泵正常运 行工况点会相应改变 经过计算分析 可知随潮位的降低 水泵出口结点最大水 锤压力和最小水锤压力均呈下降趋势 因此在进行水泵出口阀关闭规律计算时 选择平均低潮位 2 0 4 m 作为计算控制潮位 2 3 计算工况及计算成果 针对 两台泵并联 同时断电 工况 在平均低潮位下 水泵出口阀采用不 同关闭规律的比较计算成果见表2 4 2 参考图2 4 1 图2 4 2 其中 瓦表示水 河海大学硕士学位论文 泵出口阀采用一段直线或两段折线关闭规律时的总有效关闭时间 t 表示两段折 线关闭规律中第一段关闭的时间 t 2 即 t t 1 表示第二段关闭的时间 根据 蝶阀资料知 该蝶阀过流特性比较特殊 在阀门刚开启的o 1 2 转角开度范围 内 阀门的过流量及压差变化很缓慢 详见图2 3 2 一图2 3 3 因此 两段折线 关闭规律中转折点的相对开度均选取为2 7 8 即转角开度为2 5 由表2 4 2 可见 水泵出口处最大水锤压力都是出现在初始时刻 即两台泵稳 定运行时刻 显然 在这里不用对系统出现的最大水锤压力予以过多考虑 主要 考虑的应该是系统出现的最小水锤压力 对于最小水锤压力为 1 0 0 m 的情况应尽 量避免 本报告在水泵出口阀关闭规律选择计算时将其视为 不满足计算要求 情况 均予以舍弃 其余满足计算要求的关闭规律作为下述进一步计算分析的可 选情况 考虑到系统取排水口水位的不同将使得水泵正常运行参数产生一定的变化 当潮位比较高时 水泵抽水流量较大 根据阀门特性知 此时需要考虑在阀门开 度为4 0 1 2 范围内时 其关闭速度对系统水锤压力的影响 因此 在这里将 平均高潮位作为水泵出口阀关闭规律选择计算的一个影响因素予以考虑 下面分 析在平均高潮位 2 3 8 m 时 水泵出口阀关闭规律对系统水锤压力的影响 具 体计算结果参见表2 4 3 及图2 4 3 一图2 4 4 由表2 4 3 可见 显然 在平均高潮位下 直线关闭规律难以满足要求 必须 选择两段折线关闭规律 而且对于两段关闭规律 第二段的关闭时间也不能短 否则也很容易出现较大的水锤负压 至于具体规律的选择还要参考水泵吸水池水 位波动情况 水泵最大反转速及凝汽器最小过流量等因素 第二章火电 1 冷却水系统水力过渡过程计算 表2 4 2 平均低潮位下水泵出口阀关闭规律变化对系统水锤压力的影响 计算工 水泵出口阀关闭规律水泵出口结点晟大 最小水锤压力 分岔管结凝汽器出 点最小压口结点最 况编号 出现时出现时 t 1 s t 2 s t s s h 一 m h 咖 m 力 m 小压力 m 亥w j s 刻 s k 0 1 4 01 5 6 8 50 1 0 03 2 2 7 4 1 0 0 9 2 4 5 k 0 2 5 01 5 6 8 5o 1 0 04 1 4 3 7 9 9 9 5 9 1 5 7 k 0 3 6 01 5 6 8 5o 1 0 05 1 3 1 5 9 9 9 4 9 1 1 6 k 0 4 6 51 5 6 8 50 9 3 5 55 2 8 9 7 5 7 9 0 0 6 k 0 5 7 0 1 5 6 8 50 9 3 5 45 2 8 9 7 5 6 9 1 6 6 k 0 6 8 01 5 6 8 50 9 3 5 35 2 8 9 7 5 4 9 0 1 4 k 0 72 54 57 01 5 6 8 5o 1 0 o3 4 4 3 9 9 1 8 9 1 1 1 k 0 82 55 07 51 5 6 8 50 9 6 7 32 6 0 7 9 7 7 9 1 1 1 k 0 92 55 58 01 5 6 8 5o 9 6 3 92 6 0 7 9 7 7 9 1 1 1 k 1 03 03 06 0 1 5 6 8 50 1 0 03 6 0 4 7 9 9 8 5 9 0 6 3 13 04 07 01 5 6 8 50 9 7 0 14 1 9 7 6 9 7 6 6 8 9 6 2 k 1 23 04 57 51 5 6 8 50 9 3 6 55 2 8 9 7 6 6 8 9 4 1 k 1 33 05 08 01 5 6 8 50 9 3 6 55 2 8 9 7 6 6 8 9 4 1 k 1 43 52 56 01 5 6 8 5 0 1 0 04 1 2 6 1 9 9 7 1 9 0 4 5 k 2 53 53 5 7 01 5 6 8 50 9 3 6 15 2 8 9 7 6 3 8 9 1 9 k 1 63 54 07 51 5 6 8 5 0 9 3 6 15 2 8 9 7 6 3 8 8 9 5 k 1 73 54 58 01 5 6 8 5o 9 3 6 15 2 8 9 7 6 3 8 8 8 9 注 表中未列出其他在本工况不可能出现控制值的有关参数的计