缓闭核泵断流弥合水锤的产生原因及处理

缓闭核泵断流弥合水锤的产生原因及处理

厦门天水塘的取水系统由经过审计的水源站和废水管道组成。站内安装3台离心泵,其中2台功率为280kW,扬程为350kPa,流量为2016m3/h;1台功率为220kW,扬程为310kPa,流量为1872m3/h;1个预留空机位,其进、出水管分别用封板封住。机组出水阀为液控缓闭止回阀。泵房布置如图1所示。输水管管径为DN800,全长为2km。开机时先启动水泵,待转速稳定后再打开液控缓闭止回阀,关机则先关闭液控缓闭止回阀,待其全关后再停水泵。在生产运行中,该站多次发生正常停机时管系被破坏的事故,包括泵房外消防栓,闸阀,预留空机位封板,2#、3#止回阀等。1不同管路特征的断流根治工艺分析现场观察3#机阀后安装的指针式压力表,正常停机时压力表指针先下降至零,然后快速升高至1.1MPa。因为系统最高点高程为29m,水泵实际扬程(HR)为0.29MPa,计算得到该系统的最大水锤压力相对值(Δhmax)为2.79,最大水锤压力增值(ΔHmax)为1.1-0.29=0.81MPa。水锤升压产生的振荡荷载,其破坏力为静压力的2倍,据此可求出总破坏力相当于静压力为1.91MPa,远远高于管材公称压力(0.8MPa)及试验压力(1.2MPa)。可见该系统的水锤升压远高于设计允许值,运行中存在严重的安全隐患,必须加以整改。统观该系统可看出,输水管符合“长距离、大管径、向高处供水且有驼峰”的管路特征,系统中除液控缓闭止回阀外,无任何水锤防护措施。结合管路特征,判断水锤升压值如此之高必定是由弥合水锤引起的(后来安装的数字式压力表所记录数据和关阀时空气呼吸阀强烈的吸气动作印证了这一点)。断流弥合水锤增压值的计算如下:ΔH=aυRmaxg(1)ΔΗ=aυRmaxg(1)式中ΔH——断流弥合水锤增压,MPaυRmax——断流后弥合水柱的最大逆流速度,m/sa——水击波在水中的传播速度,本例为1014.7m/s显然,ΔH取决于υRmax。假设水柱在液控缓闭止回阀处发生分离但水柱仍继续正向流动,并假设水柱在脱离阀板瞬间的流速仍为稳态时的流速,采用刚性水柱理论,运用牛顿第二定律,计算得出本例υRmax=1.049m/s,则ΔH≈1.086MPa,与现场观测值基本吻合。这也从另一个侧面证实关阀时管道中发生了断流弥合水锤。系统中已经安装了液控缓闭止回阀,但仍发生如此剧烈的水锤升压,经分析其原因有两方面。①液控缓闭止回阀引起断流弥合。该阀的关闭程序是:前65°快关后25°慢关。设阀门关闭角度为θ,阀径为d,则关阀时阀板在管道截面上的投影为一长径a=d、短径b=dsinθ的正椭圆,其面积为A=πab=πd2sinθ。当θ=65°时阀门已关闭面积为0.91πd2,即管道横截面的91%已经被关闭。这样的设计是为了当事故停电时阀门可以快速截断大部分水流,防止倒流引起水泵反转。但是如果慢关过程太快,阀前来水流量补充不及,而阀后水柱由于惯性继续向前流动,可能在阀瓣附近形成低压,若此低压低于所输水体水温所对应的饱和蒸汽压,则水汽化在阀后产生空穴,导致水柱中断。阀后水柱流速逐渐减慢,当水流速度为零时空穴长度最大,水柱随即逆向加速流动填补空穴,产生断流弥合引起水击增压。②驼峰引起断流弥合。系统中由于有驼峰,阀门关闭过程中来水量减少,管道各点压力下降,首先在驼峰点产生低压及断流空穴。实际的水锤发生过程可能比上述分析复杂得多。可见即使在正常关机停泵过程中,由于液控蝶阀的关阀特性和管路特征,造成水力运行的复杂状态,必然引起水锤现象。如果是事故停电,水泵和液控缓闭止回阀同时失电,则阀前来水量更少,更易造成低压及水锤压力升高,其破坏力更强。2调整关阀系统水锤的防护有两种思路:一是消除水锤产生的条件。只要管路中的最低压力不低于饱和水蒸气压力,水流就不会中断。消除了低压也就消除了高压产生的条件。这方面的措施可以有几种,如避免管路设计上的“驼峰”,设置调压塔、补水塔,安装空气呼吸阀;二是缓解水锤压力,对升高的压力进行吸收或泄压,如取消止回阀,安装机械式水锤消除器,设置气囊或安全泄压阀。显然,第一种思路可以从根本上阻止水锤的产生,效果更好。根据以上分析,如果在管路压力降低到饱和蒸汽压力之前对管路进行补气,阻止压力继续降低,则水体不会汽化,没有空穴产生,就不会有断流弥合水锤。考虑现场条件,在3#、4#连通管上安装了1台空气呼吸阀。该阀的作用是当安装点的管内压力降低到大气压以下时,气阀打开吸气,避免水柱分离;当管内压力上升到大气压以上时,排出气体。因此可以有效消除水柱分离,预防断流弥合。同时在4#机封板处安装了1台数字式压力计,以记录压力变化。在关机的同时测量液控缓闭止回阀的关闭过程。2月17日关1#机泵时现场观察,空气呼吸阀先是急剧吸气然后急剧排气,吸气是因为管道内有负压,排气是因为发生了水锤升压。吸气速度非常快以致阀门发出了尖锐的啸叫声,可见压力下降非常迅速,需要大量的气体补充。测量到的数据如图2中曲线1所示。阀门关闭过程为快关5s慢关9s,最高压力为0.749MPa,最低压力为-0.003MPa(20℃时水的汽化压力为0.002383MPa),水锤升压值为0.459MPa,破坏力相当于静压力为1.208MPa,仍超过管道公称压力和试验压力,需要进一步采取措施。由图示数据可以看出,负压产生在第14秒,即阀门全关时,此时发生断流出现空穴,持续数秒后发生水柱弥合,压力急剧升高。可见阀门的关闭过程对空穴的出现有很大影响。若延长慢关时间,允许来水继续补充,应该可以防止管路中出现的低压。调整关阀过程,设置快关4s慢关23～26s,测量到的数据如图2中曲线2所示,最高压力为0.437MPa,最低压力为0.017MPa,没有出现负压,同时水锤升压值只有0.437-0.29=0.147MPa。据此可以得出结论,采用空气呼吸阀进行补气,同时延缓阀门关闭过程,可以避免产生负压,降低水锤升压;关阀过程中产生的负压越低,水锤升压越高,提升低压可以相应降低最高压力,减小水锤破坏力。由于仍有水锤升压,结合现场观察到空气呼吸阀剧烈的吸气动作,在1#、2#出水管上又分别安装了空气呼吸阀,改善补气条件。测量到的关机压力数据如图2中曲线3所示。由于补气充足,最低压力提高到0.124MPa,最高压力为0.3MPa,整个关阀过程中管路压力控制在运行压力之内,改造效果非常满意。同时3台空气呼吸阀动作缓和了许多。改造后经过几次运行发现,系统采用的液控缓闭止回阀存在关阀时间自动漂移的现象,且总是往时间缩短方向漂移,易引起压力升高,因此需定时调整阀门关闭时间。试验表明,设定关阀过程为快关5s慢关20s左右,效果最好。通过采取水锤防护措施及定时调整阀门关闭过程,该系统运行几年来均未出现任何事故且压力稳定。3降低水锤下沉①液控缓闭止回阀被广泛运用于水锤的防护,但是当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时,该阀的作用是非常有限的。此时必须采取补压措施才能有效防止水柱分离,