带冷却塔的循环冷却水系统泵房前池涌波分析_赵开伟.pdf

23带冷却塔的循环冷却水系统泵房前池涌波分析http:/ 火力发电 第7期 DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.07.005带冷却塔的循环冷却水系统泵房前池涌波分析赵开伟，罗成春(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)摘要：对带冷却塔的循环冷却水系统事故停泵工况下，冷却塔集水池水位变化对泵房前池涌波的影响进行研究，推导循环冷却水系统非恒定流方程，求得水泵完全停泵下泵房前池波涌最高水位及第二振幅的解析解，并采用有限差分法对进行泵房前池波涌的历时过程进行分析研究。计算结果表明:常规设计情况下，不可忽略冷却塔集水池内水位变化对泵房前池涌波的影响;冷却塔内集水池中的水位波动降低了泵房前池的最高涌波值，增加了第二振幅值，减小了波动周期。关键词：循环冷却水系统；集水池；泵房前池；涌波；有限差分法中图分类号：TM621 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)07-23-03Surge Analysis of Pump House Forebay in Circulating Cooling Water System with Cooling TowerZHAOKaiwei,LUOChengchun(East China Electric Power Design Institute Co.,Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Shanghai 200063,China)Abstract:Inthispaper,theinfluenceofthewaterlevelchangeofthecoolingtowersumponthesurgeintheforebayofthepumphouseisstudiedundertheconditionofpumpshutdowninthecirculatingcoolingwatersystemwithcoolingtower.Theunsteadyflowequationofthecirculatingwatersupplysystemisdeduced,andtheanalyticalsolutionofthemaximumwaterlevelandthesecondamplitudeofthesurgeintheforebayofthepumphouseundertheconditionofcompletepumpshutdownisobtainedhascarriedontheanalysisresearch.Theresultsshowthat:intheconventionaldesign,theinfluenceofthewaterlevelchangeinthecoolingtowersumponthesurgeintheforebaycannotbeignored;thewaterlevelfluctuationinthesumpreducesthemaximumsurgevalueintheforebayofthepumphouse,increasesthesecondamplitudevalue,andreducesthefluctuationperiod.Keywords:circulatingcoolingwatersystem;collectingbasin;pumphouseforebay;surgewave;FDM*收稿日期：2021-06-18 第一作者简介：赵开伟(1988)，男，硕士，工程师，研究方向为电厂给排水系统。0 引言非恒定流条件下循环冷却水系统运行中可能会出现泵机事故工况等，泵房前池的水位波动分析计算已受到设计人员的重视。闫文周1等人已提出相应的理论分析，也有部分文章中把吸水前池简化为水电站引水系统中的简单式调压室模型，冷却塔集水池简化为水库2-4。简24http:/电 力 勘 测 设 计第7期单式调压室模型中，由于水电站中的水库面积远大于调压室的面积，因此在分析过程中忽略了水库水位的变化。上述文章中参照水电站引水系统，在循环冷却水系统非恒定流分析中把冷却塔集水池类比为水库，忽略了集水池中水位的变化。根据相关规范，对冷却塔淋水密度及吸水池秒换水系数的规定，实际工程中泵房前池面积约为冷却塔集水池面积的 10%左右，故在循环冷却水系统事故停泵下，冷却塔集水池内的水位也会有一定的波动，与泵房前池涌波相互影响。本文在推导循环冷却水系统非恒定流方程时考虑了集水池水位波动，并采用有限差分法4更准确地分析了非恒定流条件下前池涌波变化过程，得到了相关结论。1 研究方法常见的带冷却塔的循环冷却水系统引水道示意图，如图 1 所示，当水泵启停及调整流量时，引水系统产生非恒定流动，引起泵房前池及冷却塔集水池的水位波动，由于冷却塔集水池面积较大，通常水位波动较小，并且对房前池内水位波动过程产生影响。图1 常见的电厂循环冷却水系统引水道示意图根据进出泵房前池的水量平衡方程，任意时刻，离开泵房前池的水量，即水泵吸水量 Q等于通过引水管(沟)进入前池的水量 Vf 与前池内水位变化引起的水量2ddZAt之和，即：2dd=+ZQVfAt(1)式中：f 为引水管(沟)截面积，m2；V 为管(沟)水流速，m/s；A2为泵房前池面积，m2；Q 为水泵流量，m3/s；t 为时间，s；Z 为泵房前池水位，m，以恒定流条件下冷却塔集水池水位为基准，向下为正。在引水系统为非恒定流情况下，由于引水系统压力变化不大，可以忽略引水管和水的弹性变形及泵房前池中水体惯性，根据牛顿第二定律可以得出水流的动力方程(2)：gtLVdd1wZ-Z=h+(2)式中：Z1为冷却塔集水池水位，m，以恒定流条件下冷却塔集水池水位为基准，向下为正；hw为引水管内通过流量 Q 时水头损失，m；L 为引水道长度，m；g 为重力加速度，m/s2。根据循环冷却水系统中的管道系统、冷却塔集水池及泵房前池三者水体总体积为恒定值，非恒定流情况下冷却塔集水池水位 Z1与泵房前池水位 Z 的变化关系如下：1120wZ AA hZ=-（）(3)25带冷却塔的循环冷却水系统泵房前池涌波分析http:/ 火力发电 第7期 令 a=A2/A1，式(3)改写为：Z=a h -Z1w0（）(4)式中：A1为冷却塔集水池面积，m2；hw0为恒定流状态下引水系统水头损失，m。在式(3)中当集水池面积足够大时，A2/A1趋近于 0，可以忽略集水池内水位 Z1的变化，类似水电站引水系统中的水库，但电厂循环冷却水系统中一般不可忽略集水池水位变化的 影响。1.1 解析法当 全 部 停 泵 时，Q=0，令0/V=yV、hw=hw0y|y|、/S=XZ、()001wX=h/S+a、2020/(2 )=wSLfVgA h2020/(2 )=wSLfVgA h，当 y 0 时，由式(1)、(2)并结合波动初始条件可得：y=-aX-a0X0011e（1+）-2X+XX(5)上式可以得出前池水位对应的引水道流速，但不能求出水位及流速对于时间 t 的关系，故不能求出水位波动的过程。最高水位计算：当水位达到最高时，y=0，通过式(5)可得：ln=XX -aXXamaxmax001（1+）（）+-(6)试算可解得 Xmax的值，进而求得 Z 的值。第二振幅计算：此时水从泵房前池流出，当 y 0 时，hw的符号与前面相反，同理由式(1)、(2)可得：+aXaXmax2max200ln=ln11（）（）-XXXX(7)式(7)中 Xmax为负值，X2为正值，根据求得 Xmax可求得 X2，进而求得对应的水位。1.2 有限差分法求解将式(4)代入式(2)，并将式(1)和式(2)改为有限差分的形式，采用有限差分法求解：2()tZQVfA=-(8)()00201=+-|-|wwgVa ZahtV VVLh(9)式中：a=A2/A1，为时间间隔，取值如下。联立式(1)、(2)、(3)消去 dV，得运动微分方程如下：-+-|()222022022202=0dd1ddwwh ALAZQZa Zahgftf VAt (10)式(10)为二阶非线性微分方程，参考有阻尼的振动方程，当阻尼较小时，波动周期近似取为：22(1)=+LATgfa(11)实际过程中由于阻尼的存在，周期将会比式(11)计算值要大，计算时段 t 可取30 25TT。2 工程案例某电厂带冷却塔的循环冷却水系统参数如下：冷却塔集水池面积 A1=680 m2，冷却塔集水池到泵房前池的引水道长度 L=75 m，循环冷却水流量 Q0=2.667 m3/s，引水道面积 f=1.766 m2，引水道恒定流工况下的流速 V0=1.51 m/s，泵房前池面积 A2=56 m2，恒定流工况下引水道的水力损失 hw0=0.431 m，泵房前池面积与冷却塔集水池面积的比值 a=A2/A1=8.24%。全部停泵工况下，利用有限差分法对比分析集水池水位波动对泵房前池涌波影响，泵房前池内水位波动如图 2 所示。水位Z/m条件1条件2t/s9008007006005004003002001000.5000.4000.3000.2000.100-0.1000.000-0.200-0.300-0.400-0.500-0.6000注：图中条件1为考虑集水池水位波动，条件2为考虑集水池水位恒定，面积比a=8.24%。图2 前池水位波动时程图计算结果对比，见表 1 所列。表1 计算结果对比表条件最高涌波/m第二振幅/m第一周期/s1-0.4430.342932-0.4850.31499相对差值-9.48%8.19%-6.45%(下转第47页)471000MW二次再热机组双机回热系统研究http:/ 火力发电 第7期 只在机组部分负荷时投运。2)双机十二级回热系统能够进一步降低蒸汽再热后的回热加热蒸汽的过热度和平均换热温差，相比于高效十二级回热系统，整套高加系统的效率均有所提高，特别是 0 号高加、2 号高加、3 号高加、除氧器、5 号低压加热器的效率提高了约 2%及以上，并能降低机组回热加热器的损系数。采用双机回热系统后，由于主蒸汽流量增加，两级再热器蒸汽流量减少，将带来锅炉再热器和过热器吸热量比例的变化，需要锅炉受热面设计时进行相应调整，确保受热面的安全性。3)对 于 1 000 MW 超 超 临 界 二 次 再 热机组采用双机回热系统，机组热耗可以降低 20 kJ/kWh，约可以节省 0.73 g/kWh 的煤耗，每年带来的经济收益超过 280 万元，经济效益提升明显。从机组运行经济性、厂房布置空间、投资造价和安全可靠性等多个角度考虑，双机十二级回热系统比高效十二级回热系统均有一定的优势。参考文献1 杨勇平，杨志平，徐钢，等.中国火力发电能耗状况及展望J.中国电机工程学报，2013，33(23)：1-11.2 张方炜，刘原一，谭厚章，等.超临界火力发电机组二次再热技术研究J.电力勘测设计，2013(2)：34-393 王月明，牟春华，姚明宇，等.二次再热技术发展与应用现状J，热力发电，2017，46(8)：1-104 蒋寻寒.超超临界汽轮机的初参数和冷端参数选择问题J.热力透平，2014，43(4)：249-2525 乔加飞，张磊，刘颖华，等.二次再热机组双机回热系统热力性能分析J.热力发电，2017，46(8)：58-60.6 郑体宽.热力发电厂M.北京：中国电力出版，2008.7 张思瑞.1 000 MW二次再热双机回热系统设计及优化D.北京：华北电力大学，2019.(编辑 刘旭)(上接第25页)从图 2 及表 1 中可知：1)集水池中的水位波动降低了前池的最高涌波值，降幅约9.5%；2)集水池中的水位波动增加了第二振幅值，增幅约 8%；3)集水池中的水位波动减小了波动周期，降幅约 6%；4)随着时长增加，两种条件下的泵房前池水位的相位差值增大；5)由于阻尼的存在两种条件下波动周期 T 随着时间推移而增大，第一周期比 式(11)的计算值稍大些。3 结论采用有限差分法对带冷却塔的循环冷却水系统中冷却塔集水池中水位的波动对泵房前池涌波的影响进行了对比分析，主要得出以下结论：1)考虑冷却塔集水池内的水位波动后，泵房前池涌波的最高涌波有所减小，周期也有所减小；2)前池与集水池的面积比值大小对泵房前池的最高波涌影响较大，第二振幅次之，对周期影响相对较小，但都不能忽略影响。参考文献1 闫文周，楚国铮.电厂循环水系统引水非恒定流分析计算J.电力建设，1997(7)：19-21.2 侯付彬，贲岳，马新红，等.电厂泵房前池壅水高度计算研究J.供水技术，2011，5(1)：52-56.3 胡建永，杨飞.城市供水泵站启停机对前池涌浪的影响J.水利水电技术，2013，44(12)：116-118.4 刘启钊.水电站M.北京：中国水利水电出版社，2006(编辑 刘旭)