劉 政，李 進(jìn)，桂 波，李曉一，趙 凱

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100032）

0 引言

高位收水冷卻塔最早由比利時(shí)哈蒙公司于20世紀(jì)70年代末提出，在法國(guó)境內(nèi)的幾個(gè)1 300 MW內(nèi)陸核電站中投入使用。近年來(lái)高位收水冷卻塔技術(shù)在我國(guó)廣泛應(yīng)用，已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。高位收水冷卻塔與常規(guī)塔的最大區(qū)別在于:取消了常規(guī)塔底部的集水池，經(jīng)過(guò)冷卻后的循環(huán)水在淋水填料底部被收水裝置收集，輸送到循環(huán)水泵房，從而大幅減小循環(huán)水泵揚(yáng)程，降低噪聲污染[12]。

本文所采用的高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)依托中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司某擴(kuò)建工程，采用該公司首創(chuàng)的高位水池加循環(huán)水泵房布置，循環(huán)水泵也首次采用大口徑低轉(zhuǎn)速的臥式離心泵。

在循環(huán)水系統(tǒng)布置中，凝汽器所處位置較高，循環(huán)水管道較長(zhǎng)，且管道存在分叉與匯合，在水力過(guò)渡過(guò)程中可能出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)供水中斷的事故。此外，在系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中，瞬間的壓力波動(dòng)會(huì)造成高位水池的水位波動(dòng)，從而影響循環(huán)水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，結(jié)合高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)的停泵和啟泵過(guò)渡過(guò)程分析，選擇最安全可靠的液控蝶閥動(dòng)作方案[3-6]。本文對(duì)高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算和系統(tǒng)停泵過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，提出不同啟泵工況閥門(mén)可采用的不同啟動(dòng)方案。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 水錘計(jì)算方法

描述循環(huán)水系統(tǒng)水錘的基本方程是根據(jù)流體的動(dòng)量定理和質(zhì)量守恒原理得出的2個(gè)方程:運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程。通過(guò)水錘基本方程可以對(duì)流體在水力過(guò)渡過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行完整描述[3]

式中:H為水頭；v為流速；x為從管道左端起算的距離；g為重力加速度；f為沿程損失系數(shù)；D為管徑；a為水錘波速；t為時(shí)間。

直接求解由運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程組成的非線性雙曲線偏微分方程非常困難。早在20世紀(jì)60年代初美國(guó)的斯特里特VL（V.L.Streeter）等人就提出運(yùn)用特征線法研究水錘問(wèn)題，將基本方程通過(guò)其特征線轉(zhuǎn)變成常微分方程（即特征線方程），再沿特征方程坐標(biāo)平面上的特征線積分，產(chǎn)生便于計(jì)算機(jī)編程計(jì)算的有限差分方程[4，7]。

1.2 水錘計(jì)算模型

1.2.1 高位水池的邊界條件

高位水池可簡(jiǎn)化成如圖1所示的物理模型。

圖1 高位水池邊界條件

高位水池是敞開(kāi)式的，并通過(guò)循環(huán)水壓力溝道與冷卻塔集水槽連通，當(dāng)溝道壓力升高，溝道內(nèi)的水體流入高位水池。在建立高位水池的邊界條件時(shí)，常忽略其彈性的影響，而將池內(nèi)水流視作剛性水流。這種情況建立的邊界條件，可用下式表示

1.2.2 閥門(mén)的邊界條件

對(duì)閥門(mén)作以下假設(shè):閥門(mén)處的水頭損失只取決于閥門(mén)的開(kāi)度及閥門(mén)特性，水流正向和反向時(shí)對(duì)應(yīng)的水頭損失相同。當(dāng)閥門(mén)處于某一固定的開(kāi)度時(shí)，可將其看作局部阻尼器，利用孔口出流公式進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)水體處于如圖2所示的正向流動(dòng)時(shí)，閥門(mén)的邊界條件方程為:

圖2 閥門(mén)的邊界條件示意

式中:τ為閥門(mén)的開(kāi)度；H0為閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的水頭壓力，此時(shí)閥門(mén)處的流量為Q0。

2 過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算

2.1 系統(tǒng)介紹

本工程循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用帶自然通風(fēng)高位收水冷卻塔（1機(jī)1塔）的單元制循環(huán)供水系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)臥式離心循環(huán)水泵及1座自然通風(fēng)高位收水冷卻塔。工程循環(huán)水高程圖見(jiàn)圖3。

圖3 工程循環(huán)水高程示意

循環(huán)水泵額定流量5.99 m3/s，額定揚(yáng)程20.7 m，循環(huán)水泵電機(jī)功率1.6 MW，水泵額定轉(zhuǎn)速370 r/min，高位水池為鋼筋混凝土圓柱形結(jié)構(gòu)，地上布置，直徑26.3 m，池頂水位12.75 m。

2.2 穩(wěn)態(tài)計(jì)算

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行夏季正常運(yùn)行狀態(tài)下的校核計(jì)算:3臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行，水泵揚(yáng)程20.7 m，單泵流量5.99 m3/s，轉(zhuǎn)速6.17 r/s，系統(tǒng)總流量17.97 m3/s。水泵出口處為系統(tǒng)最大壓力點(diǎn)，壓力水頭為35.12 m，高位水池運(yùn)行水位10.39 m。

2.3 停泵工況計(jì)算

2.3.1 閥門(mén)無(wú)動(dòng)作

正常工況下，3臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)3臺(tái)泵同時(shí)事故停機(jī)后，若泵出口蝶閥沒(méi)有動(dòng)作，計(jì)算結(jié)果顯示:系統(tǒng)最大壓力水頭35.11 m，最小壓力水頭6.61 m，整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中系統(tǒng)沒(méi)有負(fù)壓；事故發(fā)生18.3 s 后開(kāi)始出現(xiàn)倒流，最大倒流流量-2.29 m3/s，事故發(fā)生22.8 s后水泵開(kāi)始出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-2.30 r/s。高位水池最高水位10.97 m，低于池頂水位12.75 m，在過(guò)渡過(guò)程中沒(méi)有溢流。停泵過(guò)程中系統(tǒng)壓力值見(jiàn)圖4，水泵流量、轉(zhuǎn)速及出口壓力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖5。

圖4 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的壓力值曲線

圖5 水泵流量、轉(zhuǎn)速及出口壓力隨時(shí)間變化曲線

2.3.2 停泵關(guān)閥

在水泵事故停機(jī)后，泵出口閥門(mén)未動(dòng)作，水泵將在水體倒流作用下發(fā)生倒轉(zhuǎn)，長(zhǎng)時(shí)間的倒流倒轉(zhuǎn)將損壞電動(dòng)機(jī)或水泵，并且將影響水泵的再次啟動(dòng)。事故停泵發(fā)生后，選擇合適的泵后閥門(mén)關(guān)閉方案可以有效控制水泵的倒流倒轉(zhuǎn)，也可以有效減小高位水池的水位波動(dòng)[8]。

在事故停泵的基礎(chǔ)上，對(duì)不同的閥門(mén)關(guān)閉方案進(jìn)行仿真計(jì)算，重點(diǎn)分析停泵過(guò)渡過(guò)程中水泵的參數(shù)變化、高位水池水位的波動(dòng)。

2.3.2.1 一階段關(guān)閥

3臺(tái)泵同時(shí)事故停機(jī)后，泵出口液控蝶閥一階段線性關(guān)閉:0～30 s全關(guān)。停泵關(guān)閥過(guò)程中的系統(tǒng)壓力水頭、水泵流量及轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的壓力值曲線

圖7 水泵流量及轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

計(jì)算結(jié)果顯示:系統(tǒng)最大壓力水頭39.10 m，最小壓力水頭6.70 m，系統(tǒng)中沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓；水泵最大倒流流量-1.30 m3/s，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-0.54 r/s，倒轉(zhuǎn)量和倒轉(zhuǎn)時(shí)間得到了有效控制；高位水池最高水位10.86 m，較停泵不關(guān)閥工況有所降低。

2.3.2.2 兩階段關(guān)閥

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)在一階段關(guān)閥過(guò)渡過(guò)程中存在的問(wèn)題，當(dāng)3臺(tái)泵同時(shí)事故停機(jī)后，對(duì)泵后閥門(mén)采用兩階段線性關(guān)閉方案:0～15 s關(guān)閉75°，15～40 s關(guān)剩余的15°。計(jì)算結(jié)果顯示系統(tǒng)最大壓力水頭35.25 m，最小壓力水頭6.70 m，系統(tǒng)中沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓。

區(qū)別于一階段關(guān)閥方案，采用兩階段關(guān)閥方案后，水泵最大倒流流量?jī)H為-0.24 m3/s，且水泵未發(fā)生倒轉(zhuǎn)；液控蝶閥出口未出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)；高位水池最高水位10.83 m，水位波動(dòng)得到了更好的控制。不同停泵工況時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)組參數(shù)見(jiàn)圖8、圖9及表1。

表1 三泵全停工況匯總

圖8 過(guò)渡過(guò)程中水泵最大倒轉(zhuǎn)量

圖9 過(guò)渡過(guò)程中高位水池最高水位

2.4 啟泵工況計(jì)算

啟泵過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)各部分的變化情況可以描述為:3臺(tái)泵依次啟動(dòng)，啟動(dòng)開(kāi)始前，中央豎井水位較低，啟動(dòng)過(guò)程中豎井水位緩慢上升，高位水池水位開(kāi)始下降。當(dāng)豎井水位高于配水管后，循環(huán)水通過(guò)配水管流向集水槽，在配水過(guò)程中循環(huán)水不會(huì)立即流入高位集水池；且當(dāng)循環(huán)水開(kāi)始流入高位集水池后的一段時(shí)間內(nèi)，流進(jìn)高位集水池的流量仍小于流出高位集水池的流量；此后流入高位集水池的流量開(kāi)始增大直至與流出流量相等。本節(jié)分別對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行閉閥啟動(dòng)和開(kāi)閥啟動(dòng)的仿真計(jì)算，以循環(huán)水系統(tǒng)在啟泵過(guò)渡過(guò)程中的壓力、高位水池水位變化為依據(jù)，確定合適的啟泵方案。

2.4.1 閉閥啟動(dòng)

水泵的啟動(dòng)流程為:1號(hào)水泵經(jīng)過(guò)10 s勻速上升到額定轉(zhuǎn)速，隨后其出口蝶閥經(jīng)過(guò)45 s完全打開(kāi)。下一臺(tái)泵在上一臺(tái)泵蝶閥完全打開(kāi)30 s后開(kāi)始啟動(dòng)，啟動(dòng)程序同上臺(tái)水泵。

計(jì)算結(jié)果顯示系統(tǒng)最大壓力水頭52.70 m，出現(xiàn)在泵后，最小壓力水頭9.57 m，出現(xiàn)在泵前，系統(tǒng)中沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓。高位水池最低水位10.32 m。系統(tǒng)穩(wěn)定后流量18.01 m3/s。

2.4.2 開(kāi)閥啟動(dòng)

水泵的啟動(dòng)流程為:1號(hào)泵出口蝶閥經(jīng)過(guò)10 s打開(kāi)到15°，然后1號(hào)泵啟動(dòng)，水泵經(jīng)過(guò)10 s勻速上升到額定轉(zhuǎn)速；1號(hào)泵啟動(dòng)的同時(shí)泵出口蝶閥繼續(xù)開(kāi)啟，再經(jīng)過(guò)35 s完全打開(kāi)。下一臺(tái)泵在上一臺(tái)泵后蝶閥完全打開(kāi)30 s后開(kāi)始啟動(dòng)，啟動(dòng)程序同上臺(tái)水泵。

計(jì)算結(jié)果顯示系統(tǒng)最大壓力39.76 m，出現(xiàn)在泵后，最小壓力9.57 m，出現(xiàn)在泵前，系統(tǒng)中沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓。高位水池最低水位10.31 m，系統(tǒng)穩(wěn)定后流量18 m3/s。不同啟泵工況對(duì)應(yīng)的機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 啟泵工況參數(shù)

3 結(jié)論

本文首先對(duì)高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得到了系統(tǒng)各部分的額定運(yùn)行參數(shù)；然后對(duì)系統(tǒng)的停泵（包括單泵停機(jī)工況以及三泵全停工況）過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，并針對(duì)不同的關(guān)閥方案做分析對(duì)比；最后對(duì)系統(tǒng)在不同啟泵工況時(shí)閥門(mén)采用不同的啟動(dòng)方案進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)研究可以得到以下結(jié)論。

（1）單臺(tái)循環(huán)水泵發(fā)生事故停機(jī)時(shí)，該水泵會(huì)出現(xiàn)倒流及倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但未超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，且通過(guò)兩階段關(guān)閥方案可有效控制水泵倒流倒轉(zhuǎn)；與此同時(shí)，另外2臺(tái)水泵繼續(xù)工作，單泵流量增加以保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

（2）3臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)發(fā)生事故停機(jī)時(shí)，同樣會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的倒流和倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且系統(tǒng)內(nèi)將出現(xiàn)最不利的流量瞬變工況；與30 s全關(guān)的關(guān)閥方案相比，采用兩階段關(guān)閥方案后，高位水池的水位波動(dòng)更小，水泵的倒流得到了更好的控制，且在整個(gè)關(guān)閥過(guò)渡過(guò)程中水泵未發(fā)生倒轉(zhuǎn)；故推薦兩階段關(guān)閥方案。

（3）分別采用閉閥啟動(dòng)和開(kāi)閥啟動(dòng)的啟泵方案時(shí)，系統(tǒng)的總流量變化及高位水池水位波動(dòng)基本一致，但前者的系統(tǒng)最大壓力遠(yuǎn)大于后者，故推薦開(kāi)閥啟泵方案。