火力发电机组水击现象的研究.docx
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火力发电机组水击现象的研究
摘要
火力发电机组发生水击时,会对电厂的安全生产构成严重威胁。
根据水击发生的原因及其现象,采取适当运行技术措施,避免或减小水击的危害,保证火力发电厂汽水系统的安全运行具有重要意义。
本文概述了火力发电机组中的水击现象。
首先介绍了水击现象的基本内容,水击现象的危害,研究水击的目的意义及水击现象的研究现状。
然后简单介绍了水击理论。
主要内容有水击的物理过程、水击压力的确定、水击基本方程、简化的水击计算基本方程、基本计算方法等。
本文着重论述了火力发电机组中蒸汽管道、锅筒内、给水管道内、省煤器内、锅炉(汽包)放水管、分汽缸、蒸锅及加热器等主要部位的水击现象的产生原因,发生水击时的特征,通过详细的原因分析,得出具体的解决方案,避免发生重大事故和损失。
最后对电厂中管路系统中的水击防护措施进行了介绍,主要以安装水击防护装置、优化运行操作、合理布置管道等方面进行了介绍。
关键词:
火电机组;管道;水击;防护措施
Abstract
Whenwaterhammeroccursinthethermalpowerplantunits,theplantwillbesubjecttoaseriousthreattosafety.Accordingtothecausesandphenomenonofwaterhammer,appropriatetechnicalmeasuresshouldbetaken,toavoidorreducethedangerofwaterhammerandensurethesafeoperationofpowerplantwatersystem.
Thisarticlesummarizesthewaterhammerphenomenoninthethermalpowergeneratingunits.Firstitintroducesthebasicelementsandharmsofwaterhammer,ehemeaningofstudyingwaterhammerandthesituationofstudy.Itthenintroducesthetheoryofwaterhammer.Themaincontentisthephysicalprocessofwaterhammer,waterhammerpressure,thebasicequationandcalculationofasimplifiedbasicequationsofwaterhammer,thebasiccalculationmethods.Thisarticlefocusesonthewaterhammerphenomenonandthecharacteristicsofthesteampipe,boilertube,waterpipes,economizer,theboiler(drum)releasepipe,sub-cylinder,steamcookersandheatersandothermajorparts.Throughadetailedanalysisconcretesolutionsaregottoavoidmajoraccidentsandlosses.Finally,thepowerplantpipesystemwaterhammerprotectionmeasureswereintroduced,abouttoinstallingwaterhammerprotectivedevices,optimizationtorunningoperations,areasonablelayoutofpipes,etc.
Keywords:
thermalpowerplantwnit;pipeline;waterhammer;protectivemeasures
目录
绪论1
0.1水击的基本概念1
0.1.1水击现象1
0.1.2水击的危害3
0.2水击分析的目的和意义及研究的现状与分析方法3
0.2.1水击分析的目的和意义3
0.2.2水击研究的现状与分析方法3
第一章水击理论6
1.1水的物理过程6
1.2水击压力的确定7
1.3水击基本方程8
1.4简化的水击计算基本方程9
1.5基本计算方法9
第二章火电厂中的水击现象11
2.1发生水击的原因及现象11
2.1.1阀门的动作11
2.1.2水击过程的描述12
2.2电厂中不同位置水击的原因及解决措施12
2.2.1蒸汽管道水击13
2.2.2锅筒内水冲击13
2.2.3给水管道内的水冲击14
2.2.4省煤器内水冲击14
2.2.5锅炉(汽包)放水管水冲击15
2.2.6分汽缸水冲击及其防范处理15
2.2.7蒸锅及加热器水冲击15
第三章管道水击的防护措施17
3.1安装水击防护装置17
3.1.1设置微阻缓闭静音式止回阀17
3.1.2安装水击消除器17
3.1.3安装多功能水泵控制阀18
3.2优化运行操作19
3.2.1单向注水19
3.2.2避免汽水两相流动20
3.2.3排尽管路内空气21
3.2.4减少操作不当21
3.3合理布置管道22
3.3.1合理布置和设计支吊架22
3.3.2增设节流孔板22
3.3.3设计和修改管路23
结论24
参考文献25
谢辞26
绪论
近年来随着压力管道使用数量的增多和运行时间的增加,压力管道作为一种运输方式已经与公路、铁路、航运以及空运并称为第五大运输方式,在冶金、化工、市政工程、石油天然气输运、电力等行业生产以及城市燃气和供热系统中得到了广泛应用。
因此,管道运行中的问题也逐渐凸现出来。
国内从1994年到1998年间造成人身伤害的管道事故统计情况来看,7年时间内因管道事故造成死亡276人,受伤704人,直接经济损失达1.6亿多元。
因此,针对压力管道的安全性,我国也出台了相应的行业规范等。
1.1水击的基本概念
宏观上讲,管道内液体流动的状态可以分为定常流动和非定常流动两大类。
管道各个截面上的液体平均流速和压力不随时间的变化或变化很小的流动称为定常流动,反之称为非定常流动。
定常流动是管道流动的基本状态,工艺设计和强度计算都是基于这种状态。
非定常流动是由定常流动受到扰动而引起,在管道系统中,当由于某种原因引起管路中流动状态的突然变化,例如阀门的瞬间关闭,断电停泵等,都会在相应管道处引起管道内压力的变化。
当然,在这种非定常状态不会长久地持续下去,要么以达到新的稳态而结束,要么以发生事故而告终。
这样,针对管道水击的研究在工农业生产中具有广泛的意义。
流体在管道输送中,经常会因为水力元件的动作出现水击现象,水击是管道非定常流动中的一种压力波,它的产生是由于管道中某一截面流速或者流量发生了改变,这种改变可能是正常的流量调节,或是因事故而使得流量阻截,从而使该处压力产生一个突然的跃升或下跌,这个压力瞬变波称为水击波。
0.1.1水击现象
在管道水击现象中爆管是最典型的危害之一。
输水管道爆管是一种物理性爆炸现象,是由于内部工作压力、外部荷载超过了管道所能承受的压力,或者轴向应力大于许用应力,引起管道的结构性损坏。
管道的应用是非常广泛的,下面介绍埋在地下的管道和锅炉内管道两种管道的爆管因素[1]。
埋设在地下的钢管,在覆土压力、水压及温度变化等作用下,产生以下几种应力:
环向拉应力、环向弯曲应力、温差纵向拉应力、纵向弯曲应力或接口开裂应力,其中纵向应力的破坏较大。
金属管道对温度变化非常敏感,埋在地下的给水管道既受环境温度变化的影响,又受管中流动着的水体温度变化的影响。
温度变化将使管线产生膨胀或收缩。
当管线是刚性接口时,会产生很大的拉应力。
其大小由管内外温差、受约束程度决定。
爆管更多发生在低温严寒期,这说明低温季节钢管收缩产生轴向拉应力是爆管的重要原因[2]。
在燃煤锅炉中的高温部件如前后屏、对流过热器及高温再热器等是锅炉内部的主要结构件,长期在火焰、烟气、飞灰等十分恶劣的使用环境介质中运行,因而在运行过程中发生一系列材料组织与性能的变化,这些变化涉及蠕变、疲劳、腐蚀、冲蚀等复杂的老化与失效机理。
这些高温部件材料的微观组织会随着运行时间的延长而劣化,产生蠕变损伤,如珠光体的分散,碳化物的球化、在晶界聚集和长大、蠕变孔洞、晶界裂纹的产生;伴随着微观组织的损伤而引起材料性能的劣化,如拉伸性能、持久、蠕变强度、冲击韧性的下降和脆性形貌转变温度的上升(典型的如主蒸汽管道、集汽联箱等);同时伴随着机组的频繁起停,这些部件还会产生疲劳损伤;由于环境因素还会产生腐蚀、磨损等。
有的部件还存在着制造过程中产生的超标缺陷,在机组运行过程中会发生裂纹的扩展,在发生水击时会导致爆管。
除了典型的爆管这一水击危害现象外,水击现象还包括液柱分离。
当边界条件是使管道的上游减压时,液柱分离现象就可能在管道里发生。
减少压力将引起一向管道下游传递的水击波,从而降低流体的速度,两下游的液体在水击波到达以前,仍以其定常速度流动。
管道内这两部分流体速度的差别,势必使得液柱受到拉伸,而液体是不能被拉伸的。
当压力降低到蒸汽压力时,管道内形成蒸汽穴。
在一根不等高的管道罩,液柱分离通常在剖面的一些高点附近形成,此空穴停留在此高点的下游侧(图0-1),同时有液体在穴下流过,在气穴形成以后,其体积继续扩大,直到气穴前后两个液柱的速度相等为止。
根据边界条件,通常上游的液柱会加速而下游的液柱会减速,从而使上游的液柱赶上下游的液柱。
相应产生的水头压力差足够可以大到破坏管道。
除了上述常见现象外,生产中还存在很多因水击而引起的水击事故,本文中不详讨论。
图0-1汽穴在管道中的位置
0.1.2水击的危害
在生活中水击发生时所发出的高分贝的管道噪声可传播到整个建筑物,使人心情烦躁,工作效率降低,难以入睡。
另外管道会强烈振动,使连接零件松动损坏,卫生设备失灵,阀水设备、水龙头等损坏,严重时管道断裂破坏,使整个供水系统中断。
在泵房中水击会损坏泵机,轻者造成跑水、停水重者则会“水漫金山”,造成泵房被淹甚至引起次生灾害。
火力发电厂中发生水击现象时系统内压力会有一个急剧的升高,其数值可能达到正常工作压力的几十倍甚至几百倍,使管壁材料及系统上的设备及附件承受很大的压力,并伴随着管壁的扩张和收缩,发出强烈的振动和噪音,有如系统受到锤击的声音,同时,高频交变压力作用在管壁上,加之强烈的振动和流体的冲击,使金属表面打击出许多麻点。
如果此时系统存在缺陷,则有可能对管系或设备造成破坏,导致事故的发生。
所以水击不仅增加流体的流动阻力,而且也严重危及到系统及有关设备的安全运行。
特别是大流量、高流速的长管中以及输送水温高、流量大的水泵中水击更为严重[3]。
0.2水击分析的目的和意义及研究的现状与分析方法
0.2.1水击分析的目的和意义
在管道系统中,由于某种原因引起的水击现象十分值得关注,因为它可能引起的超压、噪声、振动和液柱分离等现象,比起由定常流动分析所得到结果要严重得多。
事实上,出于水压力瞬间的变化化而产生的问题足以严重到造成系统性能或结构上的破坏。
现代长管道向着大型化、连续化、复杂化及输送介质多样化的方面发展,输送过程日益复杂。
对于长距离输送管线,由于计算了管道的弹性和载流液体的压缩性,水击波通过充满液体的管道需要相当长的时间,由此引起的压力可能大到足以使管道破裂,故水击影响绝对不能忽视。
特别是采用密闭输送的时候,一旦某阀门或泵因停电或操作失误,就会在管路中引起很强的正负水击压力波,其危害不仅会使管道本身破裂,还会损坏阀、泵和其它管道改备;或是形成超低压使管子扁缩和产生汽穴流、液柱分离等现象。
0.2.2水击研究的现状与分析方法
水击引起人们的重视要追溯到十九世纪初期,许多学者在这方面作了大量有益的实验研究和理论分析工作,其代表人物为梅纳布雷亚。
1898年NicolaiJoukousky首次提出压力上升与流速变化、波速、流体密度有关,推导了波速和压力跃升的方程。
1913年LoreuzoAllievi创造了水击分析常上游的液柱会加速而下游的液柱会减速,从而使上游的液柱赶上下游的液柱。
相应产生的水头压力差足够可以太到破坏管道。
美国密歇根州立大学的Wiggert、0twell、Lesmez、Budny、Hatfield等人进行了多年有关管道系统的研究,发表了许多有价值的论文。
他们采用的计算方法主要为特征线法,提出了许多描述管道耦合振动的数学模型。
Hatfie1d首先提出了频域的组件结合法,在该方法中,管道振动使用现代的商业有限元软件进行了模态分析,响应计算时仅仅考虑了计算的几个低阶模态,而流体与固体之间的相互作用通过连接处力的平衡条件实现,该方法经过B1ade等人的实验结果证明是有效的。
Hatfield在文献中的计算结果也分别与Davidson和Samsury的实验结果相符合。
时域的响应值可由频域响应值经过傅立叶逆变换获得。
但是,在实际计算中,尤其在研究管道系统在外激励作用下的瞬间响应时,该方法并不实用。
因此,Wiggert和Hatfield对时频域的组件结合法进行了完善,使用经典水击理论对管道中的流体进行响应分析,而管道结构的振动部分则使用直管的低阶模态来代替在建模中不考虑泊松耦合的影响,采用四方程模型并使用特征线法进行计算。
Otwe1l以及Wiggert等人用该方法模拟计算了单一弯管的振动响应并与实验结果进行了比较,结果吻合很好。
Wiggert将四方程模型拓展为十四方程模型,结构振动管通的轴向、横向以及扭转表示,其横向运动模型与Leonard与Budiansky所建立的Timoshenko梁模型相同,模型中忽略了径向惯性力的影响,可以通过特征线进行求解,计算结果与实验结果吻合良好。
然而对于复杂管系的求解,该方法的数值计算精度和效率还有待提高。
Wiggert使用类似的方法对十四方程模型进行了频域内的求解,其结果得到了U形管实验结果的验证。
其间,Wiggert还与其他学者一同对直管道中的结构阻尼进行了分析,研究结果表明结构阻尼可以使管道中的压力峰值降低[4]。
荷兰代尔夫特水力研究所对流体耦合管道振动的研究始于1984年,从理论和实际应用的方面较为全面地对管道耦合振动现象进行了研究。
研究所开发了名为FLUSTRIN的大型专业软件,期间得到了社会各界的资助与参与。
运用该计算软件取得了大批有意义的成果。
这一软件的开发为管道系统的研究和计算机数值仿真开辟了一条崭新的道路。
运用该软件,Tijsseling与Lavooij得到了第一个三维管道系统的数值解。
Kruisbrink在实验中观察到带有自由阀门的管道中出现了压力波衰减现象,他将其归结为流体与管道相互作用的结果,并对其进行了理论计算,证实了这一点。
Lavooij与Tijsseling分别使用特征线法和特征线一有限元法对管道振动的基本方程进行了时域内的求解,并将两种方法的计算结果分别与Heinsbroek等人的计算结果进行了比较。
为了验证计算方法的正确性,代尔夫特水力学研究所进行了十分复杂的实验研究,其中的一个装置包括六个弯管,允许管道有较大的轴向、横向以及扭转振动。
通过这些研究,Heinsbroek指出:
对于该系统而言,传统的非耦合计算将是不可靠的。
英国邓迪大学的Vardy与Fan等人也同样从1984年开始,一直致力于管道问题的研究。
他们的贡献在予精确地测量了弱约束管道的轴向、侧向波动,研究了分叉管道系统的瞬变振动。
他们研究了分岔管道系统的瞬变振动,并在水击空化等方面取得了重要的成果。
邓迪大学流体力学实验室水击实验装置为一个可以充水或充气的悬挂式钢管,两端均为封闭自出端,可以用来模拟多种水力现象。
该装置形式简单,但对流固耦合效应十分敏感,可以高精度地测量管道在冲击荷载激励下的瞬态响应。
出于实验所关心的时间范围为毫秒级,所以摩擦力与重力的影响在此并不重要。
Vardy与Fan对一直管的轴向和横向波动进行了实验测量,并将结果与理论计算结果比较,吻合较好;还给出了计算模型为一个带有一个弯管与一个T形分岔管道的计算结果。
Vardy等人还对一悬挂的T形充水管道进行了冲击响应实验,其重点是研究流体压力与管道应力波之间的耦合作用以及反射波对系统特性的影响。
自上个世纪七十年代中期以来,随着核反应堆安全性能的要求越来越高,由德国政府授权,卡尔斯鲁厄原子能研究中心开始了一系列较大规模的研究计划,其目的是通过实验等手段来验证各种计算工具和计算方法的可靠性,共有20多个研究机构参与了该项计划。
实验装置由KFK提供,为法兰克福核电站的1:
1模型;而计算部分则由几个研究机构分别完成。
管道布置方式多种多样,包括空管、冲水管、直管、弯管、分叉管等元件,实验研究的内容十分广泛,有静态、动态、周期荷载、瞬变荷载、弹性、塑性以及管道损伤断裂等,其研究成果陆续发表在1977年以来的SMIRT上[1]。
经过几代人的研究水击理论目前已经成为一个成熟的领域,在工程中也广泛的应用了水击理论,来防止水击的发生及造成危害。
第一章水击理论
水击现象是一种特殊的非定常流动,现有的水击基本理论主要是将一维非定常流动的基本微分方程组进行具体化处理后,得到了适用于水击问题的基本方程,即水击分析计算的数学模型,并在此基础上发展了各种水击分析计算方法。
简介如下:
1.1水的物理过程
以图1-1的模型为例:
上游为水库,下游为阀门。
阀门全开时水流速度为v,水压头为h。
t=0时阀门突然全关(忽略节流损失),此时紧靠阀门处第一层水停止运行,下游产生水击增压ΔP,上游以原速v前进,使流体压缩,管壁膨胀。
此后,管中水体依次向上游停止运动,压力P→P+ΔP、水密度ρ→ρ+Δρ、管道截面积A→
A+ΔA,从而形成水击波。
水击波传到上游的时间为t=L/c,全管流速为0,压力普遍升高,称0 但B端受水库水位影响压力维持为P,下游为P+ΔP。 由于上游压差存在,使静止液体产生一个流向水库的反速度v,同时逐渐使管内流体的压力、密度、通流面积复原,这个从水库反射的压力下降波称为膨胀波,传播速度也是c,到达下端阀门处时刻为t=2L/c。 膨胀波在传播过程中将管路中流体的运动分为二段: 上游为膨胀波与压缩波迭加,使流动复原;下游仍维持第一阶段 图1-1水击波的模型图 ,称L/c 在t=2L/c时,全管复原,但流速为-v,由于A端阀门关闭,水流速度由-v→0,此时必反射一个膨胀波,使A端水体-v→0、P→P-ΔP、ρ→ρ-Δρ、A→A-ΔA,其到达B端的时间为t=3L/c,称2L/c 当t=3L/c时,B端下游压力为P-ΔP,上游压力为P,从而产生一个反射的压缩波,其过后,管内流体复原,到达A端时刻为t=4L/c,称3L/c 此时全管流动状态回复t=0时的状态,即水击波完成一个周期T=4L/c。 当阀门全开时其过程相当于阀门全关过程滞后一个相位,即延迟2L/c。 由上可知,水击波产生的反射是因水击波产生的流动状态和管端边界条件不适引起[5]。 1.2水击压力的确定 压力为p、速度为c的管道中某阀门突然关闭后,发生了水击,靠近阀门处的水受到阀门关闭的作用力,压力骤然升高到p+ph,水受到这个突然升高的压力作用体积压缩,同时管壁膨胀,腾出极少的空间,使靠近N-N断面的水以速度继续向阀门流动。 在阀门突然关闭的极短时间dt内,过流段面N'-N'与N-N之间停止流动的液体厚度为dl,以过流段面N'-N'与N-N之间的一段管道内的空间为控制体。 在N'-N'断面上的水的压力为正常工作压力p,而在断面N-N上水的压力升高到p+ph。 由于水受到压缩,控制体内水的密度由原来ρ的升高到ρ+dρ,管道断面面积也由A变为A+dA。 此时控制体内液体的质量为(ρ+dρ)(A+dA)dl,控制体动量的变化量(见图1-2) 图1-2水击压力变化 (ρ+dρ)(A+dA)d(l0-c)dt时间内沿管轴流动方向外力合力的冲量为: (A+dA)[p-(p+ph)]dt 根据动量定理,控制体内液体动量的变化量等于合外力的冲量,那么, (ρ+dρ)(A+dA)dl(0-c)=(A+dA)[p-(p+ph)]dt 化简后得: ph=(ρ+dρ)cdldt由于dρ≤ρ,可忽略dρ。 而dldt表示了水击压力的升高沿管道传播的速度,即水击波的传播速度,用c0表示,即c0=dldt,于是水击压力的计算公式为: ph=ρcc0[6]。 1.3水击基本方程 取如图1—3所示的微管段,运用牛顿第二定律表达公式: (1-1) 推导出来。 图1-3管道中选取的微管段 作用在微元体管段(如图1-3)上的力由三部分组成,即压力差、重力以及摩擦力或粘性阻力。 忽略高阶小量之后,这三部分力在X方向的投影可依次表示为 (1-2) 其中A—管道截面面积, ; —管道沿程损失系数,无量纲; —管道倾斜角度,rad。 可以证明,上述压差力的表达式不仅适用于等截面的管道,对于等表截面管道也是正确的。 微元流体段的质量为: (1-3) 在x方向加速度分量可以表示成 (1-4) 其中 —为本地加速度; —为迁移加速度。 把公式(0—2)、(0—3)和(0—4)代入公式(0—1)中可得: (1-5) 此为管道中非定常流动的运动方程[7][12]。 1.4简化的水击计算基本方程 简化的水击计算基本万程是在基本方程中忽略次要因素后得到的。 在对水击计算要求不是太精确的情况下,用简化的水击方程计算较为方便。 如果忽略水头损失项,可得公式: (1-6) (1-7) 方程(1-6)和(1-7)为忽略水头损失和管道倾斜度影响的简化的水击计算基本方程组。 1.5基本计算方法 水击计算的基本方法有: 解析法、图解法和数值解法,数值解法主要有特征线法等。 解析法: 一般是从简化的水击方程出发,简化的水击方程是一组典型的双曲线型偏微分方程,化为波动方程后可以求其通解,即解析解,结合边界条件和初始条件可逐步求得任意断面在任意时刻的水击压强和流速。 其特点是物理意义明确,方法简便易行。 但只适用于不计阻力损失的简单管道,在此不加赘述。 图解法: 图解法是根据解析法导出的关系式 为依据进行图解的。 能应用于较复杂的边界条件,特别是对于复杂管道,它比解析法简单明了,但是作图较繁,精度较低,目前已基本不用。 数值解法是直接对不加任何简化处理的基本方程和求其数值解。 而且借助于计算机的容量和计算速度,可以不受管道复杂程度的限制,目前几乎已经完全取代了其它的所有方法。 其中特征线法的应用尤为广泛,下面将作简单介绍。 对于考虑水头损失及管道倾斜度影响的基本微分方程组,由于它的非线性,求其精确解是十分困难的。 特征线法是目前求解这类双曲线型方程组较为有效的方法。 特征线法的优点是物理图像清
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