王 勇，趙永俊，丁文浩，趙金簫，徐世凱，羅俐雅，王文康

（1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.水利部太湖流域水治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；4.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，南京 210029）

虹吸井是火電廠冷卻水系統(tǒng)中重要的構(gòu)筑物。虹吸井的堰頂高程可提高凝汽器冷端壓力， 從而防止空化發(fā)生。 利用虹吸原理來(lái)降低循環(huán)水泵的工作水頭，從而減少水泵的耗電費(fèi)用，增加水泵揚(yáng)程。 虹吸井結(jié)構(gòu)尺寸的合理選取應(yīng)綜合考慮工程投資和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等因素。 如果火電廠冷卻水系統(tǒng)水泵突然開啟，將引起水流動(dòng)量的急劇變化，管道水流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的沖量， 使管道中的壓力產(chǎn)生急劇變化。由沖量產(chǎn)生的沖擊力作用在管道、虹吸井、泵房、閥門上，可以導(dǎo)致虹吸井內(nèi)水流大量的上涌及水泵、閥門或管道的破壞，這就是水錘現(xiàn)象。水泵機(jī)組容量越大、管道越長(zhǎng)、揚(yáng)程越高，水錘問(wèn)題越突出。隨著火力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，供水系統(tǒng)日趨復(fù)雜， 系統(tǒng)的可靠性及其水錘問(wèn)題引起工程界與學(xué)術(shù)界的高度重視［1，2］。 為確?；痣姀S冷卻水系統(tǒng)的安全運(yùn)行， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的水錘計(jì)算與過(guò)渡過(guò)程分析，并選擇合適的防護(hù)措施、編制合理的運(yùn)行方案是十分必要的［3，4］。 國(guó)外對(duì)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算進(jìn)行長(zhǎng)期研究，推動(dòng)了瞬變流動(dòng)的研究工作，為過(guò)渡過(guò)程數(shù)值分析打下了良好基礎(chǔ)。 國(guó)內(nèi)的楊開林、董興林、葉宏開等人也對(duì)過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了研究。 目前關(guān)于虹吸井動(dòng)態(tài)水力性能及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究成果還很較少。 本文建立了火電廠冷卻水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型［5，6］，針對(duì)水泵開啟時(shí)虹吸井內(nèi)水流大量上涌的水錘問(wèn)題，通過(guò)不同開泵、開閥門工況計(jì)算分析，提出了解決問(wèn)題的建議。

1 火電廠冷卻水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型

火電廠冷卻水系統(tǒng)主要包含取水口、引水管道、泵房前池、水泵、蝶閥、凝汽器、虹吸井、排水管道、排水口，布置形式如圖1。 本發(fā)電廠機(jī)組工程引水管道長(zhǎng)達(dá)930m， 排水管道長(zhǎng)3300m。 冷卻水系統(tǒng)管道較長(zhǎng)，系統(tǒng)的水錘問(wèn)題突出［7，8］。

圖1 火電廠冷卻水系統(tǒng)縱剖面圖

1.1 基本方程

火電廠冷卻水系統(tǒng)的水流運(yùn)動(dòng)可以用一維圣維南方程組來(lái)描述，其基本方程為：

式中 H 為循環(huán)水系統(tǒng)管道的壓力水頭 （m）；v為循環(huán)水系統(tǒng)管道的流速 （m/s）；d為循環(huán)水系統(tǒng)管道的直徑（m）；a為水擊波傳播速度（m/s）；θ為引水管道與水平面夾角（°）；s為管道沿程長(zhǎng)度（m）；t為時(shí)間（s）。

式（1）和式（2）屬于一階擬線性雙曲型偏微分方程組，可以采用特征線法求解［9］。

1.2 邊界條件

水泵方程除了水流運(yùn)動(dòng)方程以外， 還有水泵工作水頭方程、 蝶閥開度過(guò)程描述方程及力矩平衡方程等組成。 泵的無(wú)量綱全特性曲線采用SUTER方法處理。

水泵工作水頭方程：

式中 MR=NRωR為額定轉(zhuǎn)矩；NR為額定功率。

采用Newton-Raphson方法對(duì)水泵方程進(jìn)行迭代求解。虹吸井作為溢流堰處理，可以利用溢流堰的水位流量關(guān)系迭代求解。

假定Hp=H0（初始值），由（8）式可以求出Qp。 利用溢流堰的水位流量關(guān)系進(jìn)行插值， 由Qp可得H＇p。不斷進(jìn)行迭代，直到H＇p-Hp≤ε時(shí)，這時(shí)的Qp、Hp為所求值。

2 火電廠冷卻水系統(tǒng)虹吸井水錘計(jì)算成果

2.1 水錘計(jì)算工況

水泵的額定轉(zhuǎn)速為425rpm， 額定功率為2818.3kW，額定流量為10.27m3/s，額定揚(yáng)程23.9m。 水泵啟動(dòng)時(shí)，泵、閥同時(shí)動(dòng)作，開閥時(shí)間為20～50s。 根據(jù)設(shè)計(jì)書及物理模型試驗(yàn)結(jié)果， 引水系統(tǒng)管道糙率為0.012～0.014。 凝 氣 器 參 數(shù)： 凝 汽 器 冷 卻 面 積 為34500m2、單流程、清潔系數(shù)0.9。 虹吸井頂高程9.0m。計(jì)算工況如表1。

表1 計(jì)算工況

2.2 水錘計(jì)算成果（虹吸井敞口布置）

火電廠冷卻水系統(tǒng)虹吸井敞口布置時(shí)， 各計(jì)算工況虹吸井最高水位如下：

（1）虹吸井水位最高11.68m，已經(jīng)超過(guò)虹吸井頂高程9m。 每單元3臺(tái)泵同時(shí)開啟時(shí)，虹吸井內(nèi)水流會(huì)大量上涌，超過(guò)虹吸井頂高程，產(chǎn)生溢流。

（2）虹吸井水位最高9.42m，已經(jīng)超過(guò)虹吸井頂高程9m。每單元3臺(tái)泵間隔90s依次開啟，虹吸井內(nèi)水流上涌高度明顯降低，但仍然超過(guò)虹吸井頂高程，產(chǎn)生溢流。

（3）虹吸井水位最高8.95m，離虹吸井頂高程9m差0.05m。 每單元3臺(tái)泵間隔120s依次開啟，虹吸井內(nèi)水流上涌高度低于虹吸井頂高程，不會(huì)產(chǎn)生溢流。

（4）虹吸井水位最高8.64m，離虹吸井頂高程9m差0.36m。 每單元3臺(tái)泵間隔120s依次開啟，虹吸井內(nèi)水流上涌高度低于虹吸井頂高程，不會(huì)產(chǎn)生溢流。并且泵出口閥慢開， 虹吸井內(nèi)水流上涌高度會(huì)進(jìn)一步下降。

由計(jì)算結(jié)果可見，火電廠冷卻水系統(tǒng)虹吸井敞口布置時(shí)，工況C和D中虹吸井最高水位都低于虹吸井頂高程， 可以解決虹吸井內(nèi)水流大量上涌的水錘問(wèn)題。

2.3 水錘計(jì)算成果（虹吸井頂閉口布置）

虹吸井頂閉口布置時(shí)虹吸井平面尺寸不變，井頂高程降至7.0m，堰前堰后頂部分別設(shè)置一個(gè)2.5m×2.5m的敞口式檢查孔。

每單元3臺(tái)泵間隔2min依次開啟（0，120， 240s），（泵 出 口 閥20s 開 到15°，50s 開 到90°）， 共 計(jì) 算 到1200s。 計(jì)算水位條件：5.02m（P=0.5%高潮位）。 虹吸井水位最高10.43m， 敞口式檢查孔的高程不能低于此高程10.43m。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)火電廠冷卻水系統(tǒng)的概化，建立火電廠冷卻水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型。 針對(duì)火電廠水泵開啟時(shí)虹吸井內(nèi)水流大量上涌的水錘問(wèn)題， 通過(guò)冷卻水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算，不同開泵、開閥門工況的分析，找到了減小或消除水錘危害的方法。

（2）運(yùn)用有壓流水力瞬變基本理論，結(jié)合電廠實(shí)際資料，對(duì)火電廠冷卻水系統(tǒng)虹吸井水錘計(jì)算分析，結(jié)果表明： 采用特征線法對(duì)火電廠冷卻水系統(tǒng)的水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行計(jì)算是切實(shí)可行的， 得到較為精確的結(jié)果。 采用每單元3臺(tái)泵間隔開啟、快慢兩階段關(guān)閉蝶閥的優(yōu)化方案， 可有效解決火電廠冷卻水系統(tǒng)虹吸井水錘問(wèn)題。 火電廠冷卻水系統(tǒng)虹吸井水錘數(shù)值模擬結(jié)果，可供設(shè)計(jì)單位和有關(guān)部門參考使用，并為今后同類的工程布置設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供有益借鑒。