一种电厂循环冷却水防水锤系统及方法和设计方法与流程

1.本发明涉及一种电厂循环冷却水防水锤系统及方法和设计方法，是一种水工系统和设计方法，是一种火核电厂冷却水循环系统的防水锤的系统和防水锤方法以及该系统的设计方法。


背景技术：

2.循环冷却水系统是火核电厂的重要组成部分，主要功能是为凝汽器提供充足的冷却水，将汽轮机排入凝汽器的乏汽冷却成凝结水，以维持系统蒸汽循环和热力平衡。循环冷却水系统设计好坏不但直接影响到火电厂的造价，而且关系到火电厂的安全运行。一些电厂在原设计时由于考虑不周，致使在运行过程中发生了严重的水锤事故，造成凝汽器、水冷器、阀门损坏，管道爆裂，停电停水等，影响居民和企业正常的生产生活。因此，如何对循环冷却水系统进行水锤防护，确保事故断电、正常启停过程的系统安全，是工程设计和运行管理需要解决的关键问题。
3.现有的循环冷却水系统水锤防护目的是使反转速度、压力波动不超过水泵、阀门、管道等设备限值及规范要求，通常还会增加一些专门的设备，常用的防护设施有液控缓闭阀门、空气阀、调压塔、虹吸破坏阀等。液控缓闭阀门一般两阶段关闭，限制正反向流量变化的速率和极值，以控制水泵最大反转速度、凝汽器失水量等。空气阀则通过负压吸气，避免局部管段出现较大负压而产生液柱分离和继发的弥合水锤。但需要注意的是，大口径空气阀排气过快也易产生破坏性水锤事故。调压塔一般设置在水泵出口处，直径和高度一般在4～6m和20～30m。尽管调压塔的防护效果很好，但考虑增加占地、机电设备、建造费用等因素，火核电厂较少采用。虹吸破坏阀一般是真空破坏阀或空气阀，主要是在倒流时破坏凝汽器位置的真空，使其断流，避免水泵快速反转或出现液柱分离。总结来说，火核电厂循环冷却水系统的水锤防护以空气阀或虹吸破坏阀 液控缓闭阀门为主。
4.受限于现阶段空气阀理论模型并不完善，如未考虑快速排气引起的弥合水锤、开启关闭的动态过程以及截留空气的气垫作用，且关键的进排气流量系数并不恒定、供应商无法给出准确值，基于空气阀的水锤防护措施存在一定风险。由于种种原因，现有的火核电厂循环冷却水系统的防水锤设施，或者成本较高，或者无法满足要求，如何设计一种成本低廉而有效的防水锤系统是一个需要解决的问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种电厂循环冷却水防水锤系统及方法和设计方法。所述的系统和方法利用驼峰管和竖管起到了传统防水锤设施的空气阀、泄压阀、调压塔、虹吸中断器等多个设施的作用，结构十分简单，建造和使用成本极低。
6.本发明的目的是这样实现的：一种电厂循环冷却水防水锤系统，包括依次连接的：引水明渠、前池、水泵、供水管、凝汽器、排水管、虹吸井、排水明渠，所述的供水管上设有驼峰管，所述的驼峰管顶端设有竖管，所述的竖管顶端敞开与大气连通。
7.进一步的，所述竖管与驼峰管顶端采用三通或焊接连接与驼峰管两侧倾斜管连通。
8.进一步的，所述的驼峰管顶端高度大于所述虹吸井水位最大值。
9.进一步的，所述的竖管的高度大于等于所述水泵的额定扬程。
10.进一步的，所述的竖管的直径为供水管的1/3～1/5。
11.一种使用上述系统的防水锤方法，所述的方法包括如下防水锤过程：
12.当水泵意外断电时，竖管作为调压塔使用，向凝汽器供水；当竖管中的水流空时，竖管做空气阀使用，大量吸气，防止凝汽器压力降低至蒸汽压力；
13.当水由虹吸井向水泵侧回流时，竖管作为虹吸破坏器使用，由于竖管底高程高于虹吸井最高水位，根据竖管和虹吸井的能量守恒，水流通过竖管将会中断；阻止虹吸井内的水向前池倒流，保证水泵不产生较大的反转速度；
14.当系统首次运行或停运检修后充水时，竖管作为大口径排气阀，排空管路内的气体；
15.当出现误操作、管路产生较大的水锤压力时，水可由竖管流出，竖管起到了泄压阀的功能，保护循环冷取水系统不被水锤高压破坏。
16.一种上述系统的设计方法，所述方法包括如下结构参数的计算和复核：
17.i.驼峰管顶端高度h4的确定：
18.h4≥h219.其中：h2为虹吸井最高水位；
20.ii.竖管高度h5的确定：
21.h5≥h622.其中：h6为水泵的额定扬程；
23.iii.竖管直径d的确定：
[0024][0025]
其中：d1为供水管直径；
[0026]
iv.竖管直径d的复核：竖管及凝汽器前侧的水体总量，要求大于等于半个水击波周期内的凝汽器需水量：
[0027][0028]
式中：h3为凝汽器出口相对于基准面的高度；δh为凝汽器的局部水头损失；λ为沿程水头损失系数；l2为驼峰顶点至凝汽器的管道长度；v为供水管设计流速；g为重力加速度；l1为水泵出口至驼峰点的管道长度；l3为排水管长度；a为水锤波速；
[0029]
若不满足上述条件，则调整竖管直径d和驼峰顶点至凝汽器的管道长度l2，以达到上述不等式的要求。
[0030]
本发明的优点和有益效果是：本发明利用驼峰管和竖管所构成的防水锤设施，均为尺寸固定的构筑物，没有任何运动件，运行过程十分可靠，基本无需过多的日常维护即能够正常运行多时。本发明提出的驼峰点 竖管水锤防护方案和设计方法，同时起到了调压塔、空气阀、泄压阀、虹吸中断器的作用。与调压塔方案相比，不存在占地面积大、建设费用
高、需配套阀门等问题。与空气阀方案相比，不存在阀门排气过快、快速关闭带来的弥合水锤隐患，也没有密封比压、浮球易破损、密封不严漏水等问题，且不管是进排气速率、还是效率，都是空气阀防护方案的数倍至数十倍；本方案具有泄压、虹吸中断的功能，但没有增加额外的机电设备。
附图说明
[0031]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0032]
图1是本发明实施例一所述系统的结构示意图。
具体实施方式
[0033]
实施例一：
[0034]
本实施例是一种电厂循环冷却水防水锤系统，如图1所示。本实施例包括：依次连接的前池1、水泵2、供水管3、凝汽器4、排水管5、虹吸井6，所述的供水管上设有驼峰管7，所述的驼峰管顶端701设有竖管8，所述的竖管顶801端敞开与大气连通。
[0035]
传统的火核电厂循环冷却水系统以海水直流循环冷却水系统为例，其工程布置一般为：取水头部
→
引水沟
→
前池
→
泵站
→
供水管
→
凝汽器
→
排水管
→
虹吸井
→
排水沟
→
外海。前池至虹吸井之间的机电、管道、建筑物部分，是水锤作用影响的关键区域，因此，是本实施例的重点。
[0036]
本实施例所述系统的结构十分简单，结合厂区地形条件，对传统电厂循环冷却水系统的纵剖面进行调整，在局部位置形成驼峰点。具体做法是在传统电厂循环冷却水系统的水泵和凝汽器之间的供水管上增加了驼峰管，在驼峰顶点设置竖直管(见图1)，竖直管下侧通过三通或直接焊接与供水管连接，上侧开敞与大气连通，具有自由表面。
[0037]
本实施例利用所形成的水位高度和对大气敞开的高度，产生了多种效应，使驼峰管和竖管的作用相当于倒流和虹吸破坏阀，用以阻止水泵突然停止工作而造成的虹吸井内的水向前池倒流；而竖管则可以作为储水罐和大口径进气阀，在水泵停电时向管路内补水和补气，对系统进行水锤防护；当误操作使系统产生较大压力时，竖管可向外流水进行泄压，起到了泄压阀的作用；系统首次充水或停运后检修，竖管可快速向外界排气，排气效率高，且没有关阀水锤和密封比压的问题。
[0038]
驼峰管可以有多种形式，包括图1中显示的三角形，以及半圆弧形(两侧的分叉管为带有一定的圆弧)、梯形(两侧倾斜的分叉管顶端有一段很短的水平管)等。不论驼峰管是什么形状，驼峰管顶点的高度应高于虹吸井的最高水位，也就是虹吸井溢流堰的高度加上水流通过该溢流堰的水流高度。考虑工程成本等因素，驼峰管顶点高度应低于凝汽器，同时避免两侧的分叉管叉开的过大，使整体体积增加，增加建造成本。
[0039]
竖管的直径小于系统中管路的一半。由于直径较小，竖管可以采用金属管或其他具有一定强度和刚性的管材。竖管的高度应当大于等于水泵的额定扬程，通常要大于水泵的最高扬程。竖管的顶端处设置防止异物进入的纱网外，无需安装任何设施，完全对大气敞开。
[0040]
两侧的分叉管与竖管之间的连接可以有多种形式，可以是直接焊接连接。但由于两边的倾斜分叉管的直径比竖管的直径大许多，直接焊接效果略差，因此最好使用带有扩
口的三通更为恰当。
[0041]
应当说明的是：本实施例与以下各个实施例所述的高度、扬程等均为水平高度，其具体高度值是相对于一基准面9而确定的，如图1所示。
[0042]
本实施例利用驼峰管和竖管所构成的简单而有效的防水锤设施，与现有的防水锤设施相比有多个优势：
[0043]
(1)这一防水锤设施从确定性角度讲，在供水管上设置驼峰点，并焊接或连接竖管，均为尺寸固定的构筑物。没有采用空气阀、单向阀等制造精度较高的机电设备，这就解决了设备理论模型不完善或关键参数不确定性引起的水锤防护风险问题，同时大大降低了建造成本。
[0044]
(2)从可靠性角度讲，驼峰点和竖管中没有运动或可调节部件，不存在阀瓣卡塞无法运行、孔口密封不严泄漏等问题，由于系统结构极为简单，零部件很少，其零件故障概率极低，可靠性大大增加。
[0045]
(3)从运维角度讲，驼峰点和竖管是固定的构筑物，只需要与供排水管同步检查即可。相反地，不管是空气阀、泄压阀、虹吸破坏阀还是调压塔及配套阀门，均有其单独的运维程序和步骤，维护过程相对于本实施例要复杂得多。
[0046]
(4)最关键的是，从防护效果角度讲，本实施例提出的驼峰点 竖管水锤防护方案，同时起到了调压塔、空气阀、虹吸中断器、泄压阀的作用。与调压塔方案相比，不存在占地面积大、建设费用高、需配套阀门等问题。与空气阀方案相比，不存在阀门排气过快、快速关闭带来的弥合水锤隐患，也没有密封比压、浮球易破损、密封不严漏水等问题，且不管是进排气速率、还是效率，都是空气阀防护方案的数倍至数十倍。以某工程为例，dn3200管道最大可配置dn300空气阀(进排气流量系数不超过0.7)，否则排气过快的弥合水锤会造成爆管。而设置dn1000的竖管，仅排气面积是空气阀方案的11倍，进排气效率大大提升。本方案利用连通器原理中断水流，防护效果与虹吸中断器相同。与泄压阀方案相比，不存在设备特性不明带来的防护效果不确定性，以及关阀水锤问题。
[0047]
实施例二：
[0048]
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于竖管与驼峰管连接方式的细化，本实施例所述竖管与驼峰管顶端采用三通或焊接连接与驼峰管两侧倾斜管连通。
[0049]
由于驼峰管的直径与供水管相同，驼峰管的直径比竖管要大许多，因此，可以采用两个直径较大的管口和一个直径较小管口的三叉形三通，将直径较小的竖管通过一小段扩口管平滑连接直径较大的驼峰管。
[0050]
焊接的工艺较为简单，可以直接将两个不同直径的管子焊接在一起，也可以在两者之间焊接一小段扩口管，实现平滑过渡。
[0051]
实施例三：
[0052]
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于驼峰管的细化，本实施例所述的驼峰管顶端高度大于所述虹吸井水位最大值。
[0053]
驼峰管顶端高度大于所述虹吸井水位最大值是指：驼峰管顶端的水平高度高于虹吸井溢流堰高程加上水流高度。这一要求的作用是，当水泵停转时(这时水泵的扬程为零)，水位较高的凝汽器和虹吸井中的水体会倒流回水泵中，可能会引起水泵的损坏。而驼峰管阻止水流的快速回流，但如果驼峰管的顶点水平高度低于虹吸井的溢流堰高程，水流还是
会不断的回流，直到虹吸井溢流堰的水位低于驼峰管。当水泵再次开启时，就要将虹吸井溢流堰前的水池再次注满，这相当于浪费了许多能源。为避免浪费能源，本实施例将驼峰管顶端的水平高度设计为高于虹吸井溢流堰高程，不但能够节约能源、资源，还能使系统快速恢复工作常态。
[0054]
实施例四：
[0055]
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于竖管的细化，本实施例所述的竖管的高度大于等于所述水泵的额定扬程。
[0056]
对于常规火核电厂循环冷却水系统而言，供水流量大、扬程低，常选用混流泵，额定扬程一般为20～25m。由于凝汽器布置位置较高，与排水管高差一般在10m左右；为了降低循环水泵的扬程，有效利用虹吸作用，通常在凝汽器后设置了虹吸井。虹吸井水位一般比排水管高3～5m，使凝汽器出口保留7～5m真空。根据这些条件，一般情况下，竖管的高度为二十多米。
[0057]
实施例五：
[0058]
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于竖管的细化，本实施例所述的竖管直径为供水管的1/3～1/5，一般不超过1m。
[0059]
影响竖管直径的因素较多，包括：凝汽器出口相对于基准面的高度；凝汽器的局部水头损失；沿程水头损失系数；驼峰点至凝汽器的管道长度；供水管直径；供水管设计流速；驼峰顶点高度；水泵出口至驼峰顶点的管道长度；排水管长度；水锤波速等。
[0060]
本实施例所述的驼峰管的高度也就1～2层楼高度，而竖管的高度也就是20m左右，直径一般不超过1m，相对于传统的调压塔等防水锤设施，方便布置，占地少，施工方便，成本大幅度降低。
[0061]
实施例六：
[0062]
本实施例是一种使用上述实施例所述系统的防水锤方法。循环冷却水出现水锤事故的可能通常为，水泵突然停转、循环水回流、排气阀排气过快、误操作。这几种情况，本实施例都予以解决。本实施例所述驼峰管和竖管防水锤的工作原理是：
[0063]
(1)驼峰顶点高度大于等于虹吸井各种运行条件下的水位最大值。当水泵发生事故断电时，与大气连通的驼峰顶点可作为倒流和虹吸破坏阀使用，阻止虹吸井内的水向前池倒流，既能保证水泵不产生较大的反转速度，也不会使凝汽器部位出现过大的流速变化率，造成真空汽化和继发的破坏性弥合水锤。
[0064]
(2)竖管高度大于等于水泵的额定扬程。当循环冷却水系统正常运行时，水泵向凝汽器供水；冷却水使用后进入虹吸井，并回到海域或河流等水源地。此时，竖管内具有一定的水深。防水锤的过程是：
[0065]
①
当发生事故断电时，竖管可做调压塔使用，向凝汽器供水；当水流空时，竖管可做空气阀使用，大量吸气。
[0066]
②
当水由虹吸井向水泵侧回流时，竖管可作为虹吸破坏器使用；由于竖管底高程高于虹吸井最高水位，根据竖管和虹吸井的能量守恒，水流通过竖管将会中断。
[0067]
③
当系统首次运行或停运检修后充水时，竖管可作为大口径排气阀，排空系统内的气体；竖管位于驼峰顶点，方便排气，且不存在空气阀排气过快的弥合水锤问题。
[0068]
④
当系统出现误操作时，管道中压力较高的水体会从竖管顶部流出，限制系统的
最大水锤升压。
[0069]
所述方法包括如下防水锤过程：
[0070]
当水泵意外断电时，竖管作为调压塔使用，向凝汽器供水；当竖管中的水流空时，竖管做空气阀使用，大量吸气，防止凝汽器压力降低至蒸汽压力；
[0071]
当水由虹吸井向水泵侧回流时，竖管作为虹吸破坏器使用，由于竖管底高程高于虹吸井最高水位，根据竖管和虹吸井的能量守恒，水流通过竖管将会中断；阻止虹吸井内的水向前池倒流，保证水泵不产生较大的反转速度；
[0072]
当系统首次运行或停运检修后充水时，竖管作为大口径排气阀，排空管路内的气体。竖管位于驼峰顶点，方便排气，且不存在空气阀排气过快的弥合水锤问题。
[0073]
当出现误操作、管路产生较大的水锤压力时，水可由竖管流出，竖管起到了泄压阀的功能，保护循环冷取水系统不被水锤高压破坏。
[0074]
实施例七：
[0075]
本实施例是一种上述防水锤系统的设计方法，所述方法包括如下结构参数的计算和复核：
[0076]
i.驼峰管顶端高度h4的确定：
[0077]
h4≥h2[0078]
其中：h2为虹吸井最高水位。
[0079]
驼峰管顶点的高度高于虹吸井在任何情况下的水位高度(这个水位高度是虹吸井溢流堰前的水位高度)，阻止了虹吸井的水体回流。
[0080]
ii.竖管高度h5的确定：
[0081]
h5≥h6[0082]
其中：h6为水泵的额定扬程。
[0083]
竖管的高度实际是驼峰管的高度加上竖管的长度，以免系统中的水体在水泵正常运行时溢出。
[0084]
iii.竖管直径d的确定：
[0085][0086]
其中：d1为供水管直径。
[0087]
竖管的直径受到多种因素的影响，经过工程上材料、强度、结构等条件的考虑之后，需要进行复核，以确定是否符合水力学上的要求，复核如下：
[0088]
iv.竖管直径d的复核：竖管及凝汽器前侧的水体总量，要求大于等于半个水击波周期内的凝汽器需水量：
[0089][0090]
式中：d为竖管直径，m；h3为凝汽器出口相对于基准面的高度，m；δh为凝汽器的局部水头损失，m；λ为沿程水头损失系数；l2为驼峰顶点至凝汽器的管道长度，m；v为供水管设计流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；l1为水泵出口至驼峰点的管道长度，m；l3为排水管长度，m；a为水锤波速，m/s。
[0091]
若不满足上述条件，则调整竖管直径d和驼峰顶点至凝汽器的管道长度l2，以达到
上述不等式的要求。
[0092]
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如驼峰管和竖管的形式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。