發(fā)電機(jī)技術(shù)供水管水錘現(xiàn)象分析

顧承慶，林婕宇

（國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江省杭州市 311608）

發(fā)電機(jī)技術(shù)供水管水錘現(xiàn)象分析

顧承慶，林婕宇

（國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江省杭州市 311608）

發(fā)電機(jī)組技術(shù)供水管道中的水錘效應(yīng)是引起技術(shù)供水管路上各設(shè)備故障的重要因素，嚴(yán)重影響著設(shè)備安全運(yùn)行。本文旨在通過(guò)對(duì)新安江電廠技術(shù)供水管路中水錘現(xiàn)象的計(jì)算分析，剖析了影響水錘壓力值的各種因素，找出其中影響故障發(fā)生率的因素。通過(guò)具體計(jì)算以及討論說(shuō)明，提出消除技術(shù)供水管路中水錘危害的最有效辦法就是加裝進(jìn)排氣閥，驗(yàn)證了新安江電廠安裝進(jìn)排氣的必要性。進(jìn)排氣閥技術(shù)目前已十分成熟，多應(yīng)用于長(zhǎng)管路輸水系統(tǒng)，能有效消除各種類型的水錘危害。

水錘；進(jìn)排氣閥；流量；負(fù)壓；管路

進(jìn)排氣閥是有壓輸水管道重要的水錘防護(hù)措施之一，擔(dān)負(fù)著管線的排氣和負(fù)壓控制任務(wù)。通過(guò)在管路中合理的布置進(jìn)排氣閥，既可以在空管道充水時(shí)排放管道里的空氣，又能在管道水排空時(shí)自動(dòng)進(jìn)氣以消除真空，防止水柱分離，避免水錘事故發(fā)生。

新安江水力發(fā)電廠機(jī)組在未安裝技術(shù)供水管道進(jìn)排氣閥前，多次發(fā)生推力、上導(dǎo)冷卻器進(jìn)水水壓表被打壞的故障，甚至出現(xiàn)過(guò)一次推力冷卻器端蓋密封墊圈破損，造成推力冷卻器大量跑水的故障。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行對(duì)故障的初步分析，可以指出上述故障發(fā)生的原因?yàn)椋涸跈C(jī)組技術(shù)供水進(jìn)水閥21DDF開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，技術(shù)供水管內(nèi)產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象，造成的沖擊和負(fù)壓過(guò)高，導(dǎo)致密封墊圈和水壓表的損壞。

1 技術(shù)供水管路水錘現(xiàn)象分析

水錘現(xiàn)象是指在有壓輸水管道中，閥門(mén)等突然開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，由于流速的劇烈變化和水流的慣性引起壓強(qiáng)產(chǎn)生大幅度波動(dòng)。

水錘按產(chǎn)生的外部條件可分為：正水錘和負(fù)水錘，在此也可稱為關(guān)閥水錘和開(kāi)閥水錘。當(dāng)閥門(mén)突然關(guān)閉，水流在慣性的作用下，水力迅速達(dá)到最大，閥體和管壁所受壓力陡增，并于閥后產(chǎn)生負(fù)壓，這就是大多數(shù)時(shí)候討論的 “水錘效應(yīng)”，也就是正水錘。相反，關(guān)閉的閥門(mén)在突然打開(kāi)后，也會(huì)產(chǎn)生水錘，叫負(fù)水錘，此處可稱為開(kāi)閥水錘。

1.1 水錘產(chǎn)生過(guò)程分析

1.1.1 開(kāi)閥水錘

當(dāng)技術(shù)供水閥21DDF（以下簡(jiǎn)稱21DDF）突然開(kāi)啟，幾秒鐘內(nèi)閥后就能達(dá)到額定壓力和流量，管道內(nèi)的壓力和流速急劇增大，管內(nèi)殘留氣體受壓縮后，體積變小，內(nèi)壓升高，閥后的壓力降低，流量增大，氣體的內(nèi)壓升到一定程度后反膨脹，動(dòng)量和沖量交替轉(zhuǎn)換，管道中發(fā)生一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象，并以壓力波的形式在管道中傳遞，引起開(kāi)閥水錘，最終導(dǎo)致管道中的薄弱環(huán)節(jié)遭到破壞。

1.1.2 關(guān)閥水錘

長(zhǎng)管道連續(xù)供水系統(tǒng)的進(jìn)水閥突然關(guān)閉所產(chǎn)生的水錘為一個(gè)先有負(fù)壓波后有正壓波的過(guò)程，在負(fù)壓波傳播過(guò)程中當(dāng)長(zhǎng)距離壓力管道中某些部位特別是凸起部位的壓力降至水的汽化壓力以下時(shí)管道中的水開(kāi)始汽化并形成一個(gè)較大的汽化空間使水柱不連續(xù)這就是所謂的“水柱分離”現(xiàn)象。當(dāng)正壓波反射回該處后，汽化空間中的水汽凝結(jié)，氣泡潰滅，分離的水柱互相撞擊，壓力驟然升高，導(dǎo)致管道破壞。這種大負(fù)壓導(dǎo)致的水錘破壞是長(zhǎng)距離輸水管線中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

新安江電廠安裝進(jìn)排氣閥前對(duì)某臺(tái)機(jī)組的推力水壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)顯示新安江電廠技術(shù)供水管路在21DDF開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)都會(huì)出現(xiàn)水錘效應(yīng)。其中關(guān)閥水錘較為明顯，可能損壞設(shè)備。

1.3 技術(shù)供水管路水錘計(jì)算分析

新安江電廠機(jī)組21DDF關(guān)閉時(shí)在技術(shù)供水管道中會(huì)產(chǎn)生一定水錘壓力。以下將通過(guò)一個(gè)粗略的計(jì)算來(lái)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。

1.3.1 建立計(jì)算所需的管道模型

新安江電廠技術(shù)供水管路如圖1所示。

圖1 技術(shù)供水管路Fig.1 Technical water supply pipeline

1.3.1.1 管路選擇

（1）自動(dòng)濾水器內(nèi)部構(gòu)造較為復(fù)雜，與前后管路差別較大，水錘波不能連續(xù)地通過(guò)濾水器傳播，所以這里選擇其作為管路的起點(diǎn)。濾水器后水壓表顯示壓力為0.65MPa，則可認(rèn)為管路起點(diǎn)水頭為：

（2）當(dāng)水流進(jìn)入各冷卻器，由于管路直徑驟變，流速驟變，水錘波難以通過(guò)冷卻器繼續(xù)傳遞，所以可以將其作為管路的終點(diǎn)。

圖2 所選管路圖Fig.2 Piping diagram

1.3.1.2 管路簡(jiǎn)化

新安江電廠技術(shù)供水系統(tǒng)管路為分岔管形式，可用單管近似法進(jìn)行計(jì)算。即選取總長(zhǎng)為最大的一根支管，將其余的支管截掉，將其看做串聯(lián)管道，然后進(jìn)行計(jì)算：

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，推力冷卻水進(jìn)水管是技術(shù)供水管上最長(zhǎng)的支路，而且故障也多發(fā)生在該支路上，所以選取這段管路作近似計(jì)算

簡(jiǎn)化管道如圖3所示。

圖3 所選管路簡(jiǎn)化圖Fig.3 Simplified piping diagram

1.3.2 以1號(hào)機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查1號(hào)機(jī)技術(shù)供水總管為DN200管，支管為DN100管。按圖3可列表格如表1所示。

根據(jù)管徑和流速可得各管道內(nèi)水流流速：

表1 管路參數(shù)Tab.1 Pipeline parameters

同理可得：

平均流速為：

壓力輸水系統(tǒng)發(fā)生水錘時(shí)，水錘壓力波以速度α沿管道傳播，壓力波傳播速度α可按下式計(jì)算：

式中：E0——水的彈性系數(shù)，一般取2.1×104kg/m2；

D——管道直徑，cm；

δ——管壁計(jì)算厚度，cm，薄壁鋼管（D/δ＞20）的計(jì)算厚度δ等于管壁真實(shí)厚度δ0。

A、B、C段管壓力波傳播速度：

D、E、F段管壓力波傳播速度：

管壓力波平均傳播速度：

為了判別水錘的形式，需要計(jì)算管道特性系數(shù)，反應(yīng)管道特性的兩個(gè)常數(shù)為：

式中：V0——管道中水流初始流速，m/s；

教學(xué)良師。堅(jiān)持正確的政治方向，在事關(guān)政治立場(chǎng)、政治方向、政治原則、政治道路問(wèn)題上與黨中央保持高度一致，熱愛(ài)馬克思主義理論教育事業(yè)。牢固樹(shù)立堅(jiān)定的理想信念，不斷增強(qiáng)為思想政治理論教育事業(yè)服務(wù)的責(zé)任感和使命感。有扎實(shí)的馬克思主義理論基礎(chǔ)、較高教學(xué)水平和較強(qiáng)科研能力。深入學(xué)生、了解學(xué)生，提高教學(xué)藝術(shù)和教學(xué)能力，打造有效課堂。注重道德修養(yǎng)，提升精神境界，為人師表。

α——壓力波傳播速度，m/s；

H0——靜水頭，此處取66.3m；

Ts?——閥門(mén)直線關(guān)閉時(shí)間（s），21DDF 關(guān)閉時(shí)間廠家商業(yè)機(jī)密，不可查。通過(guò)日常操作估計(jì)為小于0.5s。這里取0.2s、0.3s、0.4s分別進(jìn)行粗略估算，結(jié)果顯示0.2s較為符合前期監(jiān)測(cè)數(shù)值。

當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間Ts大于水管反射時(shí)間Tr時(shí)，則發(fā)生間接水錘，由于21DDF線性，可用直線關(guān)閉時(shí)間間接水錘壓力計(jì)算公式進(jìn)行。

在假定閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度τ0與時(shí)間及閥門(mén)過(guò)流相對(duì)流量q呈線性關(guān)系的條件下，間接水錘的壓力變化可用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)hWτ0＞1.5時(shí)，最大水擊壓力變化發(fā)生在末相。τ0為閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度，閥門(mén)全開(kāi)至全關(guān)時(shí)τ0=1。

式中：σ——管道特性常數(shù)；

ξm——末相水錘壓力降低或升高；

閥門(mén)關(guān)閉時(shí)：

閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)：

技術(shù)供水管中的最大壓力升高：

即0.206MPa。

技術(shù)供水管中的最大壓力降低：

即0.327MPa。

1.3.3 結(jié)果分析

通過(guò)以上計(jì)算可以看出1號(hào)機(jī)21DDF開(kāi)啟時(shí)技術(shù)供水管路中最大壓力升高為0.206MPa、21DDF關(guān)閉時(shí)最大壓力降低為0.327MPa，而推力冷卻器額定耐壓值為0.3MPa。顯然本文開(kāi)頭所述故障為關(guān)閥時(shí)技術(shù)供水管路中產(chǎn)生的大負(fù)壓所致。

2 影響管路水錘壓力值的主要因素

從計(jì)算過(guò)程中不難看出，在未加裝進(jìn)排氣閥前，影響21DDF關(guān)閉時(shí)技術(shù)供水管路中水錘壓力值的主要因素有：

（1）技術(shù)供水管道的長(zhǎng)度、管徑、材料；

（2）壩前水頭高度；

（3）機(jī)組技術(shù)供水進(jìn)水閥21DDF的關(guān)閉時(shí)間。

以下針對(duì)這三個(gè)因素結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作進(jìn)行具體分析。

2.1 關(guān)于“技術(shù)供水管道的長(zhǎng)度、管徑、材料”

改變技術(shù)供水管道的長(zhǎng)度、管徑、材料，需要技術(shù)供水管道的整體改造，涉及面太大，且沒(méi)有必要，這里暫且不做討論。

2.2 關(guān)于“壩前水頭高度”的分析

統(tǒng)計(jì)新安江電廠2005～2008年未加裝組合式進(jìn)排氣閥前推力、上導(dǎo)水壓表?yè)p壞情況如圖4所示。

圖4 推力、上導(dǎo)壓力表每月?lián)p壞次數(shù)趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of pressure gauge damage

新安江電廠水庫(kù)為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，水位變化趨勢(shì)每年都大致相同。選取2006年每月12日0點(diǎn)的水位值制成壩前水位趨勢(shì)圖如圖5所示。

圖5 壩前水位趨勢(shì)圖Fig.5 Trend of water level before dam

通過(guò)圖4和圖5的對(duì)比發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)推力水壓表?yè)p壞次數(shù)和水頭高度有一定關(guān)系，6月、7月水位較高時(shí)，水壓表也容易損壞。

但是，壩前水位與來(lái)水量有關(guān)，僅僅可通過(guò)加大發(fā)電量等手段有限調(diào)節(jié)，且作用不明顯。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，水位較低時(shí)也有水壓表被打壞的現(xiàn)象發(fā)生，顯然從水位上來(lái)考慮解決辦法不切實(shí)際。

2.3 關(guān)于“21DDF關(guān)閉時(shí)間”的分析

在2006年，曾與9月和11月兩次對(duì)21DDF關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行微調(diào)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，調(diào)節(jié)后，水壓表頻發(fā)損壞的情況有所緩解，但依舊存在。

由于調(diào)整21DDF的關(guān)閉時(shí)間沒(méi)有一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)，且無(wú)法得知具體時(shí)間，所以并不能確定調(diào)節(jié)后的水錘壓力值，不能保證徹底消除水錘的危害。顯然只通過(guò)調(diào)節(jié)21DDF關(guān)閉時(shí)間雖然有效果，但不能完全消除相關(guān)故障。

3 進(jìn)排氣閥安裝必要性分析

在安裝進(jìn)排氣閥前，新安江電廠已針對(duì)水壓表打壞等故障做了大量工作，但都不能徹底解決故障隱患。作為華東電網(wǎng)第一調(diào)頻廠，新安江電廠機(jī)組啟停頻繁，導(dǎo)致技術(shù)供水管路啟停頻繁，管路內(nèi)水錘沖擊頻繁，所以故障也較容易出現(xiàn)，從而對(duì)安全生產(chǎn)造成了不可忽視的威脅。

在安裝進(jìn)排氣閥之前4年里，新安江電廠推力、上導(dǎo)水壓表共損壞49次，甚至出現(xiàn)過(guò)一次推力冷卻器端蓋密封墊圈破損，造成推力冷卻器大量跑水的故障。這些故障嚴(yán)重影響設(shè)備的健康運(yùn)行。

4 進(jìn)排氣閥原理及安裝后效果

進(jìn)排氣閥是是有壓輸水管道重要的水錘防護(hù)措施之一，擔(dān)負(fù)著管線的排氣和負(fù)壓控制任務(wù)。任何時(shí)候，只要系統(tǒng)內(nèi)壓低于大氣壓如發(fā)生水柱分離現(xiàn)象時(shí)進(jìn)排氣閥就會(huì)立即打開(kāi)向系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)氣，防止系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生真空，徹底消除水錘危害，杜絕故障隱患。

新安江電廠安裝的進(jìn)排氣閥具備高壓微量自動(dòng)排氣和低壓進(jìn)排氣功能——可在管道有壓狀態(tài)下自動(dòng)排放內(nèi)部積聚的少量空氣；也可在空管道充水時(shí)排放管道內(nèi)的空氣，在管道排空時(shí)自動(dòng)進(jìn)氣。尤其是在水柱分離工況下自動(dòng)打開(kāi)，向管道內(nèi)進(jìn)氣以消除真空。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，安裝進(jìn)排氣閥后，至今未發(fā)生過(guò)水壓表?yè)p壞故障。同時(shí)，推力冷卻器端蓋密封墊圈破損故障也已解決。說(shuō)明新安江電廠技術(shù)供水管路中21DDF關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的真空已被減小至安全范圍，不構(gòu)成安全隱患。

5 結(jié)束語(yǔ)

供水管道中的水錘效應(yīng)是影響設(shè)備安全運(yùn)行的重要因素。本文通過(guò)計(jì)算具體剖析了影響水錘壓力值的各種因素，通過(guò)討論說(shuō)明新安江電廠技術(shù)供水管路中水錘危害消除的最有效辦法就是加裝進(jìn)排氣閥，驗(yàn)證了新安江電廠安裝進(jìn)排氣的必要性。進(jìn)排氣閥技術(shù)目前已十分成熟，多應(yīng)用于長(zhǎng)管路輸水系統(tǒng)，能有效消除各種類型的水錘危害。

[1]胡建永，張健，索麗生.長(zhǎng)距離輸水工程中空氣閥的進(jìn)排氣特性研究[J].水利學(xué)報(bào)，2007，增刊：340-345.HU Jianyong，ZHANG Jian，SUO Lisheng.Long distance water diversion project of the air valve inlet and exhaust characteristics of [J].Journal of hydraulic engineering，2007，supplement：340-345.

[2]于玲紅，武盛，張琦.啟泵水錘事故的分析及對(duì)策[J].包鋼科技，2000，26（4）：84-86.YU Linghong，WU Sheng，ZHANG Qi.Kai pump water hammer accident analysis and Countermeasures of [J].steel technology，2000，26（4）：84-86.

[3]水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組，水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)-水利機(jī)械[M].水利電力出版社，1983.Hydropower station mechanical and electrical design manual compilation group，hydropower station Electromechanical Design Manual-water conservancy machinery[M].water conservancy and electric power press，1983.

[4]新安江水力發(fā)電廠，3號(hào)機(jī)上導(dǎo)推力進(jìn)排水管安裝進(jìn)排氣閥施工措施[Z].Xin'An River hydropower plant，3 on the guide thrust into the drainage pipe installation of intake and exhaust valves construction measures[Z].

[5]劉俊蕾.發(fā)電機(jī)定子線棒電暈腐蝕灼傷原因分析處理試驗(yàn)[J].水電與抽水蓄能，2015，1（3）：52-57.LIU Junlei.Cause Analysis and Treatment Test of Corona Corrosion Burn of the Stator Bars in the Generators[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（3）：52-57.

[6]付朝霞.大型抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子局部放電的研究[J].水電與抽水蓄能，2016，2（3）：4-12.FU Zhaoxia.Studies of Partial Discharge for Generator-motor Stator in Large Pumped Storage Unit[J].Hydropower and Pumped Storage，2016，2（3）：4-12.

[7]高蘇杰.抽水蓄能的責(zé)任[J].水電與抽水蓄能.2015，1（1）：1-7.Gao Sujie.The responsibility of pumped storage[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（1）：1-7.

Analysis on Water Hammer Phenomenon of Generator Technology Water Supply Pipe

GU Chengqing，LIN Jieyu
（State Grid Xin Yuan hydropower limited Xin’An river hydroelectric power plant，Hangzhou 311608，China）

The water hammer effect is an important factor that causes the failure of the equipment in the technical water supply pipeline，which seriously affects the safe operation of the equipment.This paper aims to analyze the various factors that affect the pressure value of the water hammer through the calculation and analysis of the water hammer in the technical water supply pipeline of Xin’An river power plant，and find out the factors affecting the failure rate.According to the calculation and discussion，the most effective way to eliminate the water hammer hazard in water supply pipeline is to install the intake and exhaust valve，which verifies the necessity of installing the inlet and outlet of the Xin’An river power plant.Intake and exhaust valve technology has been very mature，and more applied to the long pipeline water system，can effectively eliminate the various types of water hammer hazard.

Water hammer； inlet and outlet valve ； flow ；negative pressure； pipeline

TV741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 學(xué)科代碼：570 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.009

2016-07-26

顧承慶（1988—），男，大學(xué)本科，助理工程師，技術(shù)員，主要從事發(fā)電機(jī)檢修工作。E_mail：jl03835799@163.com

林婕宇（1991—），女，大學(xué)本科，助理工程師，值班工程師，主要從事水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行值班工作。