水溫變化對(duì)壓力管道壓力波動(dòng)影響研究

孫家誠(chéng) 林子恒

（哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引言

實(shí)際工業(yè)中常常遇到同一壓力管道系統(tǒng)中不同區(qū)段管道內(nèi)流體溫度不同的現(xiàn)象，比如核電廠二回路系統(tǒng)中凝結(jié)水在冷凝器出口溫度為24℃左右，當(dāng)其到達(dá)蒸汽發(fā)生器入口時(shí)水溫已經(jīng)接近230℃，水溫變化巨大。研究水溫變化對(duì)壓力系統(tǒng)中壓力瞬變過(guò)程的影響對(duì)于提高壓力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性都有積極意義。

彈性壓力波動(dòng)理論表明水體的彈性會(huì)導(dǎo)致壓力波動(dòng)波速發(fā)生變化（如公式1所示），而連續(xù)瞬變流理論則表明壓力波動(dòng)波速對(duì)壓力波動(dòng)升壓有很重要的影響[1-2]。國(guó)內(nèi)研究壓力管道系統(tǒng)內(nèi)壓力波動(dòng)現(xiàn)象的相關(guān)文獻(xiàn)中基本未討論管道內(nèi)流體溫度的變化對(duì)壓力波動(dòng)效應(yīng)的影響[3-6]。

利用Flowmaster（FM）軟件強(qiáng)大的仿真計(jì)算能力，本文建立了一個(gè)非恒定水溫壓力管道系統(tǒng)，并詳細(xì)研究了溫度變化過(guò)程中壓力波動(dòng)現(xiàn)象的響應(yīng)情況，由此給出了相應(yīng)工況中的壓力波動(dòng)改進(jìn)措施，對(duì)于相關(guān)工業(yè)實(shí)踐中的管路設(shè)計(jì)運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

其中，K為水的體積模量，量級(jí)GPa（約為2GPa，與水的溫度和壓力有關(guān)系）；ρ為水的密度；d為管道半徑，單位m；E為管壁的彈性模量，量級(jí)GPa（多為200GPa）；s為管壁厚度，單位m。

1 系統(tǒng)建模

如圖1所示，非恒定水溫壓力系統(tǒng)包含水池、水泵、管道、加熱器、相關(guān)閥門等設(shè)備，系統(tǒng)的工作過(guò)程如下[7]：

并列運(yùn)行的兩臺(tái)泵從水池1抽水，經(jīng)過(guò)加熱器加熱后分別供給不同的水池。水池1、離心泵（2臺(tái)）、止回閥（2個(gè)）均位于參考平面，水池2所在平面位于參考平面50m高處，水池3所在平面位于參考平面40m高處，向水池3供水的支路供水量受閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)仿真時(shí)間為15s，仿真開(kāi)始時(shí)兩臺(tái)泵均處于正常運(yùn)行狀態(tài)、閥門完全打開(kāi)，閥門10在0~2s內(nèi)由全開(kāi)變成全閉，水泵2則在之后的2s后電機(jī)停轉(zhuǎn)。水池1的給水溫度為默認(rèn)（20℃），加熱器則保證其出口水溫分別為20℃和100℃。系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)均采用不可壓縮鏈接，節(jié)點(diǎn)9參數(shù)則設(shè)定為“Autovapourisation”。

2 計(jì)算及結(jié)果分析

系統(tǒng)仿真時(shí)間為15s，仿真開(kāi)始時(shí)兩臺(tái)泵均處于正常運(yùn)行狀態(tài)、閥門完全打開(kāi)，閥門10在0~2s內(nèi)由全開(kāi)變成全閉，水泵2則在之后的2s后電機(jī)停轉(zhuǎn)。由于調(diào)節(jié)閥管壁將導(dǎo)致閥前/后的管路中出現(xiàn)壓力波動(dòng)現(xiàn)象，下面根據(jù)Flowmaster軟件計(jì)算結(jié)果分析了水溫變化前后管路內(nèi)流體的壓力波動(dòng)響應(yīng)。

圖2給出的是節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)為6處水的壓力隨時(shí)間的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)由于水溫增加導(dǎo)致流體波速增加，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后閥前管路中的水錘現(xiàn)象出現(xiàn)了一定程度的加?。汗艿纼?nèi)水溫度升高后6號(hào)節(jié)點(diǎn)處水的水錘壓力最值存在一定程度的提高，且該節(jié)點(diǎn)處的水錘壓力最值出現(xiàn)的時(shí)間明顯提前（如圖2紅色曲線示）。

圖2 6號(hào)節(jié)點(diǎn)處流體壓力隨時(shí)間的變化曲線

圖3 給出的是節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)為9處水的壓力隨時(shí)間變化的情況，可以發(fā)現(xiàn)水溫增加對(duì)于閥后壓力波動(dòng)的嚴(yán)重程度影響不大，但是壓力波動(dòng)明顯加劇，而且該節(jié)點(diǎn)處的水錘壓力最值出現(xiàn)的時(shí)間明顯提前（如圖3中紅色曲線所示），這同樣是由于水溫增加導(dǎo)致水的波速出現(xiàn)了一定程度的增加。

圖4和圖5分別給出了傳熱器出口水溫為20℃和100℃時(shí)，調(diào)節(jié)閥之前的管道中流體的壓力沿管長(zhǎng)方向隨時(shí)間的變化曲線。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：沿管長(zhǎng)方向，靠近調(diào)節(jié)閥的壓力波動(dòng)現(xiàn)象較嚴(yán)重；水溫升高后壓力波動(dòng)影響的管長(zhǎng)范圍有較大增加，水溫20℃時(shí)出現(xiàn)明顯水錘現(xiàn)象的管長(zhǎng)大概為50m~80m，水溫100℃時(shí)出現(xiàn)明顯水錘現(xiàn)象的管長(zhǎng)則為30m~80m；隨時(shí)間增加，兩種情況下管道內(nèi)部壓力趨于穩(wěn)定的時(shí)間基本相同。

圖4 換熱器出口水溫20℃時(shí)6號(hào)管道內(nèi)部壓力隨管長(zhǎng)及時(shí)間的分布

圖5 換熱器出口水溫100℃時(shí)6號(hào)管道內(nèi)部壓力隨管長(zhǎng)及時(shí)間的分布

3 結(jié)論

利用FM軟件強(qiáng)大的計(jì)算仿真能力，管道長(zhǎng)度不是很長(zhǎng)的壓力系統(tǒng)中流體水溫發(fā)生較大變化時(shí)，分析了關(guān)閥引起的壓力波動(dòng)在壓力管道中的分布情況。對(duì)比換熱器出口處的水溫不同時(shí)，關(guān)閥引起的壓力波動(dòng)在壓力管道中的分布可知，壓力管道內(nèi)水溫的從20℃增加到100℃時(shí)，將會(huì)對(duì)壓力管道內(nèi)由于關(guān)閥引起的壓力波動(dòng)產(chǎn)生以下影響：

1）在一定程度上影響壓力瞬變的峰值，導(dǎo)致壓力波動(dòng)峰值增加；

2）影響壓力波動(dòng)涉及的范圍，導(dǎo)致受壓力波動(dòng)影響范圍增加；

3）影響壓力波動(dòng)峰值在管路內(nèi)的分布密度及峰值大小。

在實(shí)際工業(yè)實(shí)踐中，許多壓力系統(tǒng)同時(shí)滿足系統(tǒng)管路長(zhǎng)度不大，但是管路中流體的溫度變化比較大（如核電廠二回路系統(tǒng)中的凝給水系統(tǒng)），根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本文提出以下建議：

1）對(duì)于水溫恒定的壓力管路系統(tǒng)，可以采用設(shè)計(jì)壓力相同的管道，即可滿足需求；

2）對(duì)于水溫發(fā)生變化的壓力管路系統(tǒng)，可以先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的壓力瞬變情況進(jìn)行分析，對(duì)于壓力波動(dòng)影響不到的管道可以采用設(shè)計(jì)壓力較小的管道，對(duì)于受壓力波動(dòng)影響較大的管道可以采用設(shè)計(jì)壓力較大的管道，以達(dá)到滿足系統(tǒng)安全性能同時(shí)節(jié)省系統(tǒng)建造成本的目的。

［1］馬小云.波速對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道水力過(guò)渡過(guò)程的影響與研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2012：2-23.

［2］張彥光.壓力管道水錘波速影響因素的分析及其對(duì)距離輸水管道中水錘計(jì)算的影響研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2011：6-27.

［3］林紅玉.水錘波速對(duì)長(zhǎng)距離泵站輸水管路中斷流水錘的影響與研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2010：8-18.