发电厂水击事故的成因及防护

发电厂水击事故的成因及防护发电厂水击事故的成因及防护 1 前言前言 水击 水锤 是指有压管道中由于水流流速的突然改变 造成管道压力急剧波动的现象 在生产生活过程中 水击事故 常有发生 尤其在有压管路设计和运行过程中 水击是不可忽 略的重要因素 如水电站引水发电系统 热电站汽轮机 锅炉 蒸汽管路等 一旦发生水击 往往会造成极为严重的后果 如 位于广西壮族自治区的卡马水库大坝 由于导流底孔出口被滑 塌的巨石突然堵塞 形成水击 巨大的冲击力使坝体出现滑塌 1 又如 2007 年 7 月 纽约曼哈顿地下蒸汽管道由于水击导致 爆炸 冲出地面的蒸汽比附近 77 层高的克斯勒大厦还高 2 此外 1985 年 11 月 美国南加州圣俄诺费尔核电站由于电短 路导致二回路中主给水泵停泵断水 止回阀故障没有关闭 致 使蒸汽倒流至主给水管 此时值班工人出现操作失误向充满蒸 汽的主给水管供冷却水导致水击 水击产生的爆炸力使主给水 管破口达 2m 十几根钢架支撑全部拉断 3 另有报道称 1996 年日本四国电力伊方核电厂 3 号机组蒸汽喷出事故 经证实也 是由水击所致 4 由此可见水击事故的危害之大 对发电企业 而言 无论是水力发电还是火力发电 水击都是安全生产必须 予以重视的问题 2 水击的成因水击的成因 2 1 水击的产生 如图 1 所示的管路系统 管路上部与水池相通 下部装有 一阀门 若 t 0 时刻阀门突然关闭 则阀门处水流流速由 降为 0 紧接着与此相邻的水流流速也会迅速改变 从而引发连锁反 应 管道内水流流速不断变为 0 并以波的形式向上游传播 这 个波就叫做水击波 其传播速度 叫水击波速 以 表示 由于 水流的惯性作用 流速变小 压强相应增大 设压强增量为 根据动量定理进行推导 可得到直接水击的表达式 5 式中 表示水的密度 表示水击波速 表示水流初始速 度 表示水流改变后的流速 对于阀门瞬间完全关闭的情况 有 需要指出的是 此时的压强变化 是很大的 文献 5 中列 举了一根长管道 当管内流速 m s 时 若取 1000m s 按式 1 进行计算 可得到水击压强 相当于 100m 水头 足见 水击的破坏力之大 2 2 水击的传播水击的传播 以阀门突然关闭为例 讨论水击沿管道的传播过程 一般 可将其分为先后 4 个阶段 减速增压 图 2 a 减速减 压 图 2 b 增速减压 图 2 c 增速增压 图 2 d 阶段 1 减速增压阶段 设 t 0 时刻阀门突然关闭 则紧靠 阀门的 微小流段首先停止流动 由于惯性作用 其它段水流仍 以初始速度 向阀门运动 这时 微段流体被压缩 压强增大 同时管壁膨胀 接着紧邻 微段的一小段流体也会停止流动 并 类似地出现密度和压强增大的现象 这种减速增压的状态将沿 着管道以速度 c 一直向上游传播 直到 时刻水击波到达 b 点 此时管道中水流流速为 0 压强为 2 减速减压阶段 时刻 由于水池中水压恒为 而 管道中水压为 因此管道中流体将以反向流速 向水池运动 从而使管道水压下降为 这种减速减压的状态也会一直向下游 传播 直到 时刻到达 a 点 此时管道中水流流速为 压强为 a 减速增压 b 减速减压 c 速减压 d 速 压 3 增速减压阶段 时刻 由于阀门紧闭 管道靠近阀 门处流段流速由 变为 0 压强将由 变为 并连锁式地影响与 其相邻的流段 使这种增速减压的状态一直向上游传播 直到 时刻到达 b 点 此时管道中水流流速为 0 压强为 4 增速增压阶段 时刻 由于水池中水压恒为 而 管道中水压为 因此水池中流体将以流速 向管道运动 并使 管道压强上升为 这种减速减压的状态也会一直向下游传播 直到 时刻到达 a 点 此时管道中水流流速为 压强为 重新 回到 t 0 时刻的流速与压强状态 完成一个周期循环 3 水击事故的防范水击事故的防范 对发电厂而言 热电站复杂的蒸汽管路系统和水电站的长 引水发电系统是水击事故防范的重点 归纳水击事故的原因 无外乎两种 1 设备的原因 管路中没有设置有效防止水击 产生和发展的装置或出现设备故障 2 工作人员的判断或操 作失误 导致事故产生或扩大 因此 本着安全第一 预防为 主 综合治理的安全方针 对水击事故的防范也应从这两方面 着手 3 1 水击防护装置 对于水击防护装置与设备 根据其作用方式的不同主要可 以分为以下几种类型 6 7 1 阀门装置 作为控制介质流动的管路附件 合理选 择阀门种类 延长启闭时间 对防范水击事故的发生具有重要 意义 如水电站水轮机调速系统 对开启和关闭时间进行优化 从而降低水流流速的变化速率 进而使水击压力变化幅度得以 减缓 此外 管道中疏水阀 调节阀 减压阀 安全阀等阀门 装置 对于防范水击事故也有重要作用 2 调压装置 如设置在水电站引水管道和尾水管上的 调压室 井 以及蒸汽管道上的安全阀和安全水封 减压阀 调压阀等 通过向管路系统中注水或注气进行稳压 从而控制 管路系统中的水击压力振荡 3 疏水止回装置 蒸汽管路中容易积水形成汽 水两相 流动 由于蒸汽流速快 推动管道底部的液体呈波浪状流动 当汽相流速增大到能推动水波冲击到管道顶部时 就会造成管 道的突然堵塞形成水击 因此在蒸汽管路中设置疏水装置如疏 水阀非常必要 此外 在蒸汽管路 容器 和供 回 水管路 之间 应设置止回阀防止水管路窜汽后形成局部真空造成水击 美国南加州圣俄诺费尔核电站 1985 年所发生的事故就是因为止 回阀失灵造成的 3 2 安全操作和事故处理 随着技术的发展 水击事故日益呈现出复杂化 非典型化 的趋势 如火电站就有可能在锅炉 蒸汽管道 给水管道 省 煤器等设备处发生水击事故 使得安全操作和事故处理也变得 更加复杂 这对电厂运行人员的素质提出了更高的要求 1 安全操作 开机启动应避免过急过快 对于汽轮 机 蒸汽管路来说 启动前应对供汽管道进行充分暖管和疏水 排泄 同时检查确保锅炉没有满水 水轮机则应慢慢转动调速 手轮 逐步加快转速直到达到额定出力 运行阶段 汽轮机 的锅炉必须均匀加热 且保证水质 防止汽 水共腾 水轮机应 防止出现事故而紧急停机 停机操作也应避免过急过快 对 汽轮机而言 必须控制温降不能变化过快 当切换备用气源时 必须保证备用系统积水疏排充分 对水轮机而言 一般先缓慢 关闭导叶 带转速降至某一额度时再进行刹车 2 事故处理 出现事故后 运行人员必须迅速 准确 地判断是否发生水击 通过对一些事故进行归纳 水击时一般 会出现以下现象 管道压力出现剧烈的升降变化 管道一 胀一缩的发生振动 并可能发出有一定节律的锤击声 机组的 运转声音和振动也会出现异常 管路中