发电厂水击现象探讨

山西电力职业技术学院 毕业设计报告 论文 题题 目 目 姓姓 名 名 专业班级 专业班级 指导老师 指导老师 日日 期 期 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 2 页 共 34 页 发电厂水击现象探讨 摘 要 发电厂压力水管道若发生水击 会对生产的安全构成严重威 胁 针对水击发生的机理及其发生和发展 采取适当措施 方知 水击或减小水击的危害 对保证发电厂水系统的安全运行具有重 要意义 随着技术的进步 火力发电厂机组容量和参数都有了很大的提 高 机组运行的经济性也得到了很大的改善 如压力参数已达到 了超临界 在如此高的参数下 电厂设备或管道如果发生事故 其产生的后果对电厂本身和电网来讲都是非常严重的 经济损失 也是非常巨大的 例如发电厂的压力水管道 与管道相连的水泵 的突然启停或管道中的阀门迅速地关闭或打开时 会使水的流动 发生突然的变化而引起水击现象 对管道及其连接设备的安全构 成威胁 关键词 压力管道 蒸汽管道 水击现象 危害 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 3 页 共 34 页 POWER PLANT WATER ATTACK PHENOMENON DISCUSSED ABSTRACT The power plant water pressure pipe if produce water attack for the safety of the production will pose a serious threat according to the mechanism of the surge and its occurrence and development take the appropriate measures and you ll know water attack or reduce the harm of the surge to ensure the safe operation of the power plant water system has important significance With the development of technology thermal power plant unit capacity and parameters are greatly increased the operation performance of units also got a lot of improvement such as pressure has reached the supercritical parameters In such a high parameters the power plant equipment or pipe if the accident its consequences to the power plant and power grid itself to say all are very serious economic loss is very great For example the pressure of power plant water pipeline pipe connected with water pumps stopped or pipe of the sudden and valve quickly closed or open can make water flow change abruptly and cause water attack phenomenon pipelines and connection to the safety equipment a threat KEY WORDS pressure pipe steam pipe water attack phenomenon the harm 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 4 页 共 34 页 目录 摘 要 2 关键词 压力管道 蒸汽管道 水击现象 危害 2 绪论 5 第一章 火电厂中各类水击现象的规定 7 1 1 给水管道中的水击 7 1 2 蒸汽管道中的水击 8 第二章 水击现象的分析 9 2 1 水击的概述 9 2 2 水击现象的实验演示 10 2 3 水击现象产生的原因 14 2 4 水击的传播以及水击波速 14 2 5 水击的压力计算 17 第三章 水击现象产生的危害 26 3 1 主要产生的危害现象 26 3 2 水击现象的危害具体体现在哪些方面 27 第四章 水击现象的预防措施 28 4 1 在给水管道中的预防 28 4 2 在蒸汽管道中的预防 30 参考文献 32 致谢 33 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 5 页 共 34 页 绪论 工业水管中流动着有一定压强的水 当管道中的阀门迅速 关闭时 水受阻而流速突然变小 水的惯性使局部压强突然升高 这种突然升高的压强首先出现在紧贴阀门上游的一层流体中 而 后迅速地向上游传播 并在一定条件下反射回来 产生往复波动 这个现象称为水击 水锤 现象 当管中出现水击时会引起管道 振动 常常会听到一种轰轰的振动声 就是这种水流波动和管道 振动的结果 在各种泵的运行过程中 某些意外的原因使泵突然 停止运转 以致液体的流速突然变化 在管道中也会出现这种水 击 水锤 现象 汽水管道是热力发电厂的生命线 汽水管道 的安全稳定运行对于电厂的安全生产 经济运行具有重要意义 但在热力发电厂生产中 经常会发生汽水管道的水击现象 如处 理不当 管道的水击轻者增大了管道的流动阻力 重者损坏管道 及设备 甚至危及人身安全 因此对汽水管道水击现象的防范处 理对于保证热力发电厂的安全运行具有重要意义 水击是压力管道中一种非恒定流 当管道中的介质在压力的 作用下流动时 突遇关闭或开启阀门 水泵突然停机或启动 液 体的流动速度会发生突然变化 由于流体的惯性和压缩性 引起 管道中流动的液体压力发生反复的 急剧的周期性变化 这种现 象称为水击又名水锤 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 6 页 共 34 页 发生水击现象时管道内压力会有一个急剧的波动 其数 值可能达到额定工作压力的几十倍甚至几百倍 使管壁材料及管 道上的设备及附件承受很大的压力 并伴随着管壁的扩张和收缩 发出强烈的振动和噪音 有如管道受到锤击的声音 同时 高频 交变压力作用在管壁上 加之强烈的振动和流体的冲击 使金属 表面打击出许多麻点 如果此时管道系统存在缺陷 则有可能对 管系或设备造成破坏 导致事故的发生 所以水击不仅增加流体 的流动阻力 而且也严重危及到管道系统及有关设备的安全运行 特别是大流量 高流速的长管中以及输送水温高 流量大的水泵 中更为严重 热力发电厂中常见的管道水击现象多发生在蒸汽管道 给水管道 循环水管道等汽水管道中 但在蒸汽 给水管道中发 生水击现象时具体征象有所不同 相应的处理防范措施也有所不 同 在热力发电厂各类给水管道设计中 已经采取相当多的技术 措施 如尽量缩短管道长度或保证阀门一定的启闭时间 如增大 管道直径以降低管中流速 从而使水击发生时速度的变化量降低 相应地减小水击压力的数值 如在管道上装设安全阀及抗水击的 专用阀门 当管中压力升高值超过允许数值时 安全阀开启泄压 使管中压力不致有过大的升高等一系列防范措施 运行时对于发 生给水管道发生水击时 也能采取适当处理措施控制防范水击的 产生与扩大 第一章 火电厂中各类水击现象的规定 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 7 页 共 34 页 1 1 给水管道中的水击 热力发电厂主要的水管道如给水管道 循环水管道的水 冲击一般较少发生 破坏性也不大 但是 一旦出现 则管道与 支吊架容易发生 嘣嘣 的振动 发出尖锐的金属敲击声 对管道 阀门 焊口 支吊架亦会造成不同程度的损坏 水管道的水击现 象主要有以下几种 1 水管道内存有蒸汽或空气 而启动给水泵或循环水泵 没有关闭出口阀时 因管道内流体流速突然变化易发生水击现象 2 水泵运行不正常 如汽蚀 叶轮损坏等 或水泵出 口阀工作失效 如阀芯的损坏脱落 出口逆止阀摇摆不稳定 及管道内流体流量不稳 波动大等情况时比较容易引起管道内给 水压力波动和惯性冲击 3 管道内水温度剧烈变化时易发生水击 4 水管道上阀关闭 或开启 时动作过快过猛 管道内 流体的流动速度的水突然受阻或增大 管道内压力易发生反复急 剧的变化 造成对管道的强烈冲击 1 2 蒸汽管道中的水击 在热力发电厂中水击现象最容易在蒸汽管道中发生 以下几 种情况蒸汽管道水击现象比较普遍 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 8 页 共 34 页 1 蒸汽管道由冷态备用状态投入运行 因进汽阀门开 启过快或过大致使管道暖管不足 或是管道疏水未开启及疏水管 堵塞时 管道比较容易发生水击 2 汽轮机或锅炉负荷增加速度过快 或是锅炉汽包发 生满水 汽水共腾等事故 使蒸汽带水进入管道 3 运行的蒸汽管道停运后相应疏水没有及时开启或开 度不足 在相关联的进汽阀门未关闭严密情况下 漏入停运管道 内的蒸汽逐渐冷却为水并积聚在管道中 在一定时间后 管道将 发生水击 蒸汽管道发生上列水击现象时 主要的征象一是管道系 统发生振动 管道本体 支 吊 架及管道穿墙处均有振动 水 击越强烈振动也越强烈 二是管道内发出刺耳的声响 但不同情 况下的水击时发出的声响各有特点 如投运时暖管或疏水不足的 管道多阶段性地发出 咚咚 的声响 而蒸汽带水进入管道则多发 出类似空袭警报声的连续啸叫声 停运后的蒸汽管道如前述发生 水击时多阶段性的发出如金属敲击般的尖锐声响 第三种征象是 蒸汽带水进入管道时 在管道的法兰结合处易发生冒汽现象 水 击严重时 法兰垫被冲坏致使大量漏汽 第二章 水击现象的分析 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 9 页 共 34 页 2 1 水击的概述 2 11 水击是压力管道中一种非恒定流 当管道中的介质在压 力的作用下流动时 突遇关闭或开启阀门 水泵突然停机或启动 液体的流动速度会发生突然变化 由于流体的惯性和压缩性 引 起管道中流动的液体压力发生反复的 急剧的周期性变化 这种 现象称为水击又名水锤 发生水击现象时管道内压力会有一个急剧的波动 其数值可 能达到额定工作压力的几十倍甚至几百倍 使管壁材料及管道上 的设备及附件承受很大的压力 并伴随着管壁的扩张和收缩 发 出强烈的振动和噪音 有如管道受到锤击的声音 同时 高频交 变压力作用在管壁上 加之强烈的振动和流体的冲击 使金属表 面打击出许多麻点 如果此时管道系统存在缺陷 则有可能对管 系或设备造成破坏 导致事故的发生 所以水击不仅增加流体的 流动阻力 而且也严重危及到管道系统及有关设备的安全运行 特别是大流量 高流速的长管中以及输送水温高 流量大的水泵 中更为严重 2 12 水击现象 Water hammer Phenomena 在有压管道 系统中 由于某一管路中的部件工作状态的突然改变 就会引起 管内液体流速的急剧变化 同时引起液体压强大幅度波动 这种 现象称为水击现象 一般分为 直接水击 Rapid Closure 当关闭阀门时间小于或 等于一个相长时 最早由阀门处产生的向上传播而后又反射回来 的减压顺行波 在阀门全部关闭时还未到达阀门断面 在阀门断 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 10 页 共 34 页 面处产生的可能最大水击压强将不受其影响 这种水击称直接水 击 间接水击 Slow Closure 当关闭阀门时间大于一个 相长时 从上游反射回来的减压波会部分抵消水击增压 使阀门 断面处不致达到最大的水击压强 这种水击称为间接水击 正水击 Positive Water hammer 当管道阀门迅速 关闭时 管中流速迅速减小 压强显著增大 这种水击称为正水 击 负水击 Suction Water hammer 当管道阀门迅速开 启时 管中流速迅速增大 压强显著减小 这种水击称为负水击 2 2 水击现象的实验演示 一 演示目的一 演示目的 1 观察有压管道上水击的发生及水击发生时的现象 加深 对水击的理解 2 了解水击压强的测量 水击现象的利用和水击危害的消 除方法 二 演示设备二 演示设备 自循环水击综合实验仪如下图所示 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 11 页 共 34 页 1 恒压供水箱 2 水击扬水机出水管 3 气压表 4 扬水机截止阀 5 压力室 6 调压筒 7 水泵 8 水泵吸水管 9 供水管 10 调压筒截止阀 11 水击发生阀 12 逆止阀 13 水击室 14 集水箱 15 底座 三 演示工作原理三 演示工作原理 水泵 7 能把集水箱 14 中的水送入恒压供水箱 1 中 水箱 1 设有溢流板和回水管 能使水箱中的 水位保持恒定 工作水流自水箱 1 经供水管 9 和水击室 13 再 通过水击发生阀 11 的阀孔流出 回到集水箱 14 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 12 页 共 34 页 实验时 先全关阀 10 和 4 触发起动阀 11 当水流通过阀 11 时 水的冲击力使阀 11 向上运动 而瞬时关闭截止水流 因而在供水管 9 的末端首先产生最大的水 击升压 并使水击室 13 同时达到这一水击压强 水击升压以水 击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播 到达进口以后 由进 口反射回来一个减压波 使管 9 末端和水击室 13 内发生负的水 击压强 通过阀 11 和 12 的操作过程观察到水击波的来回传播变化现 象 即阀 11 关闭 产生水击升压 使逆止阀 12 克服压力室 5 的 压力而瞬时开启 水也随即注入压力室内 并可看到气压表 3 随 着 产生压力搏动 然后 在进口传来的负水击作用下 水击室 13 的压强低于压力室 5 使逆止阀 12 关闭 同时水击阀 11 在负水 击和阀体自重的共同作用下 向下运动而自动开启 这 一动作既观察到水击波的传播变化现象 又能使本实验仪保持往 复的自动工作状态 即阀 11 开启 水自阀孔流出 又回到这一动作的初始状态 这样周而复 始 阀 11 不断地启闭 水击现象也就不断地重复发生 通过逆止阀 12 压力室 5 和气压表 3 组成水击压强的定量 观察装置 随水击的每次升降压 通 过逆止阀 12 都向压力室 5 注入一定的水流 而压力室 5 是密闭 的 这样就可从与压力室 5 相连的气压表 3 上测量压力室 5 空腔 中的压强 如是逆止阀 12 不开启时的压强就是产生的最大水击 压强值 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 13 页 共 34 页 水击的利用是由图中 1 9 11 12 13 5 4 2 等组成的 水击扬水机来演示的 当打开阀 4 时 由于压力室 5 内的空腔气压大于大气压 在水击升降压作用 下 通过逆止阀 12 向压力室 注水后形成的压力室空腔气压的作用 水流经水击扬水机出水管 2 流出 这样就可利用水 击实现提水 本扬水机扬水高度为 37 cm 超过恒压供水箱的液 面达 1 5 倍的作用水头 通过调压筒 井 的开启可以消除水击的危害 当阀 11 全开 下的恒定流动时 调压筒中维持低 于库水位的固定自由水面 当阀 11 突然关闭时 供水管 9 中的 水流因惯性作用继续向下流动 流入调压筒 使其水位上升 一 直上升到高出库水位的某一高度后才停止上升 这时全管 流速等于零 流动处于暂时停止状态 止时调压筒中水位达到最 高点 由于调压筒最高水位高于库水位 水体作反向流动 从调 压筒流向水箱 调压筒中水位逐渐下降 直到反向流速 等于零为止 此时调压筒中水位降到最低点 此后 供水管中的 水流又开始流向调压筒 调 压筒中水位回升 这样通过调压筒中水位往返上下波动 由于供 水管调压管的阻力作用逐渐衰减 直至最后调压筒水位稳定在库 水位 从而消除水击的危害 四 演示步骤四 演示步骤 1 接通电源 打开可调级电源开关 顺时针方向逐渐减小 调节开关 使恒压供水箱内水面平稳 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 14 页 共 34 页 2 关闭阀 10 和 4 用手触动水击发生阀 11 观察水击现象 3 打开阀 4 观察扬水机工作情况 4 打开阀 10 观察调压井消除水击的情况 5 逆时针方向关闭电源开关 五 注意事项 五 注意事项 1 注意电源开关的开启 关闭的方向 2 注意水源的清洁 保护逆止阀 2 3 水击现象产生的原因 水击是由于压力水管道中水的流量不稳导致水流速度发生急 剧变化而产生的引起这种变化的原因有 阀门正常的快速开启 和关闭 阀门正常的快速调节 阀门的事故开或关 阀芯 的损坏脱落 泵的正常或事故启停 泵的汽蚀或其叶轮 叶 片不稳而发生的振动 管道的事故泄漏 机组负荷的快速调 节 在发电厂实际的生产运行过程中 上述现象均有可能发生并 导致水击 尤其在机组事故甩负荷或紧急停机时 发生水击的可 能及其产生的危害性更大 2 4 水击的传播以及水击波速 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 15 页 共 34 页 水击是以压力波的形式在有限的管道边界内进行传播和反射 的 水击波的传播分为四个阶段 从伐门突然开启或关闭 使水 流流速改变产生水击波 这是水击的第一个阶段 也是直接波 水击波所到之处 管道内的流速和压强也随之发生变化 当水击波传播到水库或水池或者回到伐门处 水击波将产生 反射 这种反射的水击波称为间接波 当水击波传播到水库或水池 水击波将发生反射 这种反射 波是等值异号反射 即入射的是增压波 反射将减压波 反之亦 然 水击波传播到阀门处将产生等值同号反射 即入射的是增 减 压波 反射的也是增 减 压波 由于摩擦阻力的作用 水击波在管道内的传播将逐渐衰减 最后达到平衡状态 水击波在阀门和水库之间往返一次所需的时间 称为一 个相长 往返两次的时间 称为一个周期 式中 a 为水击 波的波速 L 为管道的长度 发生水击后 管内的压力数值是周期性变化的 压力变化的 时间间隔即为相长 T 两倍相长为一个周期 当阀门关闭时间 T T 时 即阀门最初关闭时所产生的水击 波由管道入口反射回阀门时 阀门已全部关闭 这种水击称为直 接水击 反之 T T 时称为间接水击 直接水击时产生的水击 压力 ph 由公式 1 计算 间接水击时的水击压力一般由下面 经验公式确定 间接水击时产生的水击压力要低于直接水击时的 水击压力 c L T 2 T c L 2 4 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 16 页 共 34 页 水击波传播过程的物理特性见表 2 1 表 2 1 水击过程的物理特性 阶 段 时段 流 速变化 流速 方向 压 强变化 水击 波 传播 方向 运 动状态 液 体状态 一 cLt 00 0 v 水库 阀门 即 B A 增 高p 阀门 水库 即 A B 减 速增压 压 缩 二 cLtcL2 0 0v 阀门 水库 即 A B 恢 复原状 水库 阀门 即 B A 减 速减压 恢 复原状 三 cLtcL32 0 0 v 阀门 水库 即 A B 降 低p 阀门 水库 即 A B 增 速减压 膨 胀 四 cLtcL43 0 0v 水库 阀门 即 B 恢 复原状 水库 阀门 即 B 增 速增压 恢 复原状 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 17 页 共 34 页 A A 在弹性管道中水击波的传播速度为 m s 2 1 式中 k 水的弹性体积系数 约为 19 6 108N m2 E 管道材料的弹性系数 钢管为 19 6 1010N m2 D 管径 管壁厚度 当 时 水击波速约为 c 1000 m s 根据质量守恒 略去高阶无穷小量 由虎克定律可得 式中 E 管壁的弹性系数 钢管的 E 196 109 N m2 s 管子的壁厚 m 又根据流体的膨胀性和压缩性 式中 Kp 为液体的体积弹性系数 水的 Kp 2 06 109 N m2 所以 可见 在某一状态工作下的流体处在一定的管系中时 发生 水击时其水击压力波的传播速度为一定值 因此 水击时产生的 水击压力 p h 只与管道中流速的变化量成正比 与管中流体原 正常工作压力无关 2 5 水击的压力计算 D E k c 1 1435 100 D 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 18 页 共 34 页 计算水管末端各相水击压力的公式 图 2 2 工程中最关心的是最大水击压力 由于水击压力产生于阀门 处 从上游反射回来的降压波也是最后才达到阀门 因此最大水 击力总是发生在紧邻阀门的断面上 应用前面的水击连锁方程 及管道边界条件 推求阀门处各相水击压力计算公式 计算公式 阀门关闭情况 第一相末的水击压力 第二相末的水击压力 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 19 页 共 34 页 第 n 相末的水击压力 阀门或导叶开启 管道中压力降低 产生负水击 其相对值用 y 表示 利用上述公式 可以依次解出各相末的阀门处的水击压力 得出水击压力随时间的变化关系 开度依直线变化的水击 进行水击计算 最重要的是求出最大值 在开度依直线规律 变化情况下 不必用连锁方程求出各相末水击 再从中找出最大 值 可用简化方法直接求出 开度依直线变化的水击简化计算 1 第一相水击计算的简化公式 关闭阀门时开启阀门时 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 20 页 共 34 页 发生第一相水击的条件 2 极限水击计算简化公式 当水击压强 0 5 时 可得到更为简化的近似公式 3 间接水击类型的判别条件 仅用大于还是小于 1 作为判别水击类型的条件是近似的 水击的类型除与 有关 还与有关 水击类型判别图中 曲线表示极限水击和第一相水击的分界 线 直线表示第一相水击和直接水击的分界线 起始开度对水击的影响 水电站可能在各种不同的负荷情况下运行 当机组满负荷运行时 起始开度 1 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 21 页 共 34 页 当机组只担任部分负荷运行时 l 因此机组由于事 故丢弃负荷时的起始开度可能有各种数值 水电站可能在各种不 同的负荷情况下运行 当机组满负荷运行时 起始开度 1 当机组只担任部分负荷运行时 l 因此机组由 于事故丢弃负荷时的起始开度可能有各种数值 由极限水击只与有关 而与无关 图中 是一根平行于 轴的水平线 对第一相水击 随着的减小而增大 所以在 图中表示为一根曲线 起始开度对水击的影响 对直接水击 为一通过坐标轴原点的直 线 其斜率为 2 图中三条曲线的交点 为 1 直接水击和第一相水击 令 和 相等 可以解出 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 22 页 共 34 页 2 第一相水击和末相水击 令和相等 可以解出 起始开度对水击的影响 因此可得出以下结论 l 当起始开度 1 时 最大水 击压强发生在阀门关闭的终了 即极限 水击 2 当起始开度 时 最大水击压强 发生在第一相末 3 当起始开度 时 发生直接水击 但非最大 的水击值 4 当阀门起始开度为临界开度 时 发生最大直 接水击 开度变化规律对水击压力的影响 前面有关第一相或极限水击的一些概念及计算公式是在假定 阀门开度按直线变化条件推得的 在水电站运行实践中 阀门的 启闭规律不完全是直线而往往采用非直线的 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 23 页 共 34 页 注 阀门启闭时间相同 但启闭规律不同 水击压强变化过 程也不相同 曲线 表示开始阶段关闭速度较快 因此水击压强迅速上升 到最大值 而后关闭速度减慢 水击压强逐渐减小 曲线 的规 律与曲线 相反 关闭速度是先慢后快 而水击压强是先小后大 水击压强的上升速度随阀门的关闭速度的加快而加快 最大压强 出现在关闭速度较快的那一时段末尾 从图中可以看出 关闭规 律 较为合理 最不利的是规律 由此可见 通过调速器或针阀等设备 采取比较合理的启闭 规律 可以作为减小水击压力和解决调节保证问题的措施之一 在高水头电站中常发生第一相水击 可以采取先慢后快的非 直线关闭规律 以降低第一相水击值 在低水头水电站中常发生 极限水击 可采取先快后慢的非直线关闭规律 以降低末相水击 值 水击压力沿管长的分布 在进行压力管道强度设计时 不仅需要计算管道末端的压强 而且需要管道沿线各点的最大正水击压力和最大负水击压力的分 布情况 以便进行管道的强度设计及检验管道内部是否有发生真 空的可能 一 极限水击压力的分布规律 理论研究证明 极限水击无论是正 负水击 管道沿线线的 最大水击压强均按直线规律分布 如图中实线所示 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 24 页 共 34 页 若管道末端 A 点的最大水击为和 则任意点 C 点的 最大水击为 二 第一相水击压力的分布规律 第一相水击压力沿管线不依直线规律分布 正水击压力分布 曲线是向上凸的 负水击压力分布曲线是往下凹的 任意点 C 近似表达式为 式中 上面的两式可以看出 等号右端的第一项为管长为 L 时 A 点第一相末 A 点的水击压强 第二项为管长为 L l 相当于水库 移至 C 点 时 A 点第一相末 A 点的水击压强 C 点最大水击压强 为两者之差 对于第一相负水击 任意点 C 的最大水击降压为 式中 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 25 页 共 34 页 绘制水击压力沿管线分布图时 应根据管线的布置情况 选 择几个代表性的断面 求出各断面上的最在正 负水击压力 当丢弃负荷时可不计管路的水损失 在上游最高静水位上绘 制水击压力分布图 当增加负荷时 必须计算开启终了时管路的水头损失与流速 水头 在上游最低水位线以下 考虑水头损失 流速水头与负水 击压力 绘制水击压力分布图 水击压力的确定 水击发生时 管壁承受的压力要大大高于其正常的工作压力 这个压力的升高值称作水击压力 用 ph 表示 水击压力 p h 的确定 压力为 p 速度为 c 的管道中某阀门突然关闭后 发生了水 击 靠近阀门处的水受到阀门关闭的作用力 压力骤然升高到 p ph 水受到这个突然升高的压力作用体积压缩 同时管壁膨 胀 腾出极少的空间 使靠近 N N 断面的水以速度继续向阀门 流动 在阀门突然关闭的极短时间 dt 内 过流段面 N N 与 N N 之间停止流动的液体厚度为 dl 以过流段面 N N 与 N N 之间的一段管道内的空间为控制体 在 N N 断面上的水 的压力为正常工作压力 p 而在断面 N N 上水的压力升高到 p ph 由于水受到压缩 控制体内水的密度由原来 的升高到 d 管道断面面积也由 A 变为 A dA 此时控制体内液体的 质量为 d A dA dl 控制体动量的变化量为 d A dA dl 0 c 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 26 页 共 34 页 dt 时间内沿管轴流动方向外力合力的冲量为 A dA p p p h dt 根据动量定理 控制体内液体动量的变化量等于合外力的冲 量 那么 d A dA dl 0 c A dA p p ph dt 水击可导致管道系统的强烈震动 间接水击的计算需要知 道流速随时间变化的关系 产生噪声和气穴 掌握水击压强的变 化规律对输水管道的设计 对消减水击的破坏作用 有很大的实 际意义 水击的基本问题是最大压强的计算 最大压强一般出现 在发射波断面 如阀门处 第三章 水击现象产生的危害 3 1 主要产生的危害现象 水在压力管道中流动时 当遇到阀门突然关闭 或开启 水泵突然停机 或启动 水的流速会发生突然地急剧变化 由 于流体的惯性和压缩性 引起管道中流动的液体压力发生反复的 急剧的周期性变化 此时压力会有一个急剧的升高 其数值将大 大超过正常工作压力 并伴随着管壁的扩张和收缩 发出强烈的 振动和噪音 有如管道受到锤击的声音 这种现象称为水击或水 锤 水击现象发生时 会产生一个很大的压力跃升 使管壁材料 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 27 页 共 34 页 及管道上的设备及附件承受很大的压力而可能产生严重的变形以 致破坏 同时 高频交变压力作用在管壁上 加之强烈的振动和 流体的冲击 使金属表面打击出许多麻点 所以水击不仅增加流 体的流动阻力 而且也严重危及到管道系统及有关设备的安全运 行 特别是大流量 高流速的长管中以及输送水温高 流量大的 水泵中更为严重 所以 探讨水击产生的机理和其发生 发展 对防止水击的产生和减小水击带来的灾害 保证水系统的安全运 行具有重要意义 3 2 水击现象的危害具体体现在哪些方面 动静部分碰磨 汽轮机进水或冷蒸汽 使处于高温下的金属部件突然 冷却而急剧收缩 产生很大的热应力和热变形 使相对膨胀急剧 变化 机组强烈振动 动静部分轴向和径向碰磨 径向碰磨严重 时会产生大轴弯曲事故 叶片的损伤及断裂 当进入汽轮机通流部分的水量较大时 会使叶片损伤和 断裂 特别是对较长的叶片 推力瓦烧毁 进入汽轮机的水或冷蒸汽的密度比蒸汽的密度大得多 因而在喷嘴内不能获得与蒸汽同样的加速度 出喷嘴时的绝对速 度比蒸汽小得多 使其相对速度的进汽角远大于蒸汽相对速度进 汽角 汽流不能按正确方向进入动叶通道 而对动叶进口边的背 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 28 页 共 34 页 弧进行冲击 这除了对动叶产生制动力外 还产生一个轴向力 使汽轮机轴向推力增大 实际运行中 轴向推力甚至可增大到正 常情况时的 10 倍 使推力轴承超载而导致乌金烧毁 阀门或汽缸接合面漏汽 若阀门和汽缸受到急剧冷却 会使金属产生永久变形 导致阀门或汽缸接合面漏汽 引起金属裂纹 机组启停时 如经常出现进水或冷蒸汽 金属在频繁 交变的热应力作用下 会出现裂纹 如汽封处的转子表面受到汽 封供汽系统来的水或冷蒸汽的反复急剧冷却 就会出现裂纹并不 断扩大 第四章 水击现象的预防措施 4 1 在给水管道中的预防 无论是正水击 还是负水击 它的发生对管道及其连接的有 关设备的正常工作都是有害的 为了避免或者减轻水击带来的危 害 从设计和实际运行中应从以下方面着手 1 减小相长 T 尽量地避免直接水击 如尽量缩短管道长 度或保证阀门一定的启闭时间 如保定热电厂 CC125 MW 机组 给水泵出口门最小开关时间为 54 s 和 55 s 凝结水泵出口门最 小开关时间均为 67 s 循环水泵出口蝶阀最小开关时间为 14 s 和 11 s 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 29 页 共 34 页 2 增大管道直径以降低管中流速 从而使水击发生时速度 的变化量降低 相应地减小水击压力的数值 3 在管道上装设安全阀 当管中压力升高值超过允许数值 时 安全阀开启泄压 使管中压力不致有过大的升高 4 管系在启停过程中注意管中不能有空气或产生汽泡 否 则汽泡的溃灭和产生将会对阀门造成空蚀破坏 此外 采用正确的阀门操作方法 水泵的启停过程应严格控 制阀门的开关顺序 并打开管系中的连通阀 在管系中设置抗水 击的专用阀门 如泵出口的逆止阀 在泵开启后能迅速打开 而 且在全开位置稳定不摇摆 在关闭时产生的水击最小 从而有效 地保护水泵 在热力发电厂各类给水管道设计中 已经采取相当多的技 术措施 如尽量缩短管道长度或保证阀门一定的启闭时间 如增 大管道直径以降低管中流速 从而使水击发生时速度的变化量降 低 相应地减小水击压力的数值 如在管道上装设安全阀及抗水 击的专用阀门 当管中压力升高值超过允许数值时 安全阀开启 泄压 使管中压力不致有过大的升高等一系列防范措施 运行时 对于发生给水管道发生水击时 也能采取适当处理措施控制防范 水击的产生与扩大 1 发生前列第一种水击时 可暂将水泵停运 停止管道 内水击的能量的来源 并同时开启管道上的空气阀 排出空气 此类水击一般容易发生在循环水管道系统 最易形成水 击的运行工况是循环水泵启 停 出口蝶阀开 关过程时 避免 发生水击的措施是 水泵出口蝶阀开 关行程的时间曲线应符合 山西电力职业技术学院毕业设计论文 第 30 页 共 34 页 设计要求进行调整 启泵前应设法向管道系统内灌水 排尽空气 启泵后再排出剩余的空气 2 水泵或出口逆止阀工作不正常而发生水击时 应及时 切换为备用泵运行 检查水泵及逆止阀 若是流量不稳 波动大 引起的 则应设法调整相关水泵或阀门以保持流量稳