作者：刘 政１，李 进１，桂 波２，李晓一１，赵 凯１ （１．中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 ４３００７１；２．电力规划设计总院，北京 １０００３２）

摘要：结合高位收水冷却塔循环水系统的特点，从水锤问题的数学模型及相关理论出发，对某电厂高位收水冷却塔循环水系 统进行了水力过渡过程仿真计算，对比分析不同的液控蝶阀动作方案对循环水系统过渡过程的影响，得到各种工况下液控蝶 阀安全可靠的运行操作方案，可减小循环水泵的倒流倒转、控制高位水池的水位波动，为高位收水冷却塔的循环水系统安全 运行提供了理论依据和技术支持。

关键词：高位收水冷却塔；高位水池；水锤；液控蝶阀

０ 引言 高位收水冷却塔最早由比利时哈蒙公司于２０ 世纪７０年代末提出，在法国境内的几个１３００ＭＷ 内陆核电站中投入使用。近年来高位收水冷却塔 技术在我国广泛应用，已经逐步实现国产化。高位 收水冷却塔与常规塔的最大区别在于：取消了常规 塔底部的集水池，经过冷却后的循环水在淋水填料 底部被收水装置收集，输送到循环水泵房，从而大 幅减小循环水泵扬程，降低噪声污染［１２］。 本文所采用的高位收水冷却塔循环水系统依 托中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公 司某扩建工程，采用该公司首创的高位水池加循 环水泵房布置，循环水泵也首次采用大口径低转 速的卧式离心泵。 在循环水系统布置中，凝汽器所处位置较高， 循环水管道较长，且管道存在分叉与汇合，在水力 过渡过程中可能出现水锤现象，进而引发系统供 水中断的事故。此外，在系统过渡过程中，瞬间的 压力波动会造成高位水池的水位波动，从而影响 循环水系统的安全运行。为 确 保 系 统 的 安 全 运 行，结合高位收水冷却塔循环水系统的停泵和启 泵过渡过程分析，选择最安全可靠的液控蝶阀动 作方案［３６］。本文对高位收水冷却塔循环水系统进 行稳态计算和系统停泵过渡过程进行仿真计算，提 出不同启泵工况阀门可采用的不同启动方案。

１ 数学模型

１．１ 水锤计算方法 描述循环水系统水锤的基本方程是根据流体 的动量定理和质量守恒原理得出的２个方程：运动 方程和连续性方程。通过水锤基本方程可以对流 体在水力过渡过程中的运动特性进行完整描述［


2 过渡过程仿真计算

２．１ 系统介绍 本工程循环冷却水系统采用带自然通风高位 收水冷却塔（１机１塔）的单元制循环供水系统，每 台机组配置３台卧式离心循环水泵及１座自然通 风高位收水冷却塔。工程循环水高程图见图３。
循环水泵额定流量５．９９ｍ３／ｓ，额定扬程２０．７ ｍ，循环水泵电机功率１．６ＭＷ，水泵额定转速３７０ ｒ／ｍｉｎ，高位水池为钢筋混凝土圆柱形结构，地上 布置，直径２６．３ｍ，池顶水位１２．７５ｍ。 ２．２ 稳态计算 对系统 进 行 夏 季 正 常 运 行 状 态 下 的 校 核 计 算：３台循环水泵并联运行，水泵扬程２０．７ ｍ，单 泵流 量 ５．９９ ｍ３／ｓ，转 速 ６．１７ｒ／ｓ，系 统 总 流 量 １７．９７ｍ３／ｓ。水泵出口处为系统最大压力点，压 力水头为３５．１２ｍ，高位水池运行水位１０．３９ｍ。

２．３ 停泵工况计算

２．３．１ 阀门无动作 正常工况下，３台循环水泵并联运行。当３台泵同时事故停机后，若泵出口蝶阀没有动作，计算 结果显示：系统最大压力水头３５．１１ｍ，最小压力 水头６．６１ｍ，整个过渡过程中系统没有负压；事故 发生 １８．３ｓ 后 开 始 出 现 倒 流，最 大 倒 流 流 量 －２．２９ｍ３／ｓ，事故发生２２．８ｓ后水泵开始出现倒 转，最大倒转转速－２．３０ｒ／ｓ。高位水池最高水位 １０．９７ｍ，低于池顶水位１２．７５ｍ，在过渡过程中没 有溢流。停泵过程中系统压力值见图 ４，水泵流 量、转速及出口压力随时间变化曲线见图５。


２．３．２ 停泵关阀 在水泵事故停机后，泵出口阀门未动作，水泵 将在水体倒流作用下发生倒转，长时间的倒流倒 转将损坏电动机或水泵，并且将影响水泵的再次 启动。事故停泵发生后，选择合适的泵后阀门关 闭方案可以有效控制水泵的倒流倒转，也可以有 效减小高位水池的水位波动［８］。 在事故停泵的基础上，对不同的阀门关闭方 案进行仿真计算，重点分析停泵过渡过程中水泵 的参数变化、高位水池水位的波动。

２．３．２．１ 一阶段关阀 ３台泵同时事故停机后，泵出口液控蝶阀一阶 段线性关闭：０～３０ｓ全关。停泵关阀过程中的系 统压力水头、水泵流量及转速随时间变化曲线见 图６、图７。 　　

计算结果显示：系统最大压力水头３９．１０ｍ，最 小压力水头６．７０ｍ，系统中没有出现负压；水泵最 大倒流流量－１．３０ｍ３／ｓ，最大倒转转速－０．５４ｒ／ｓ， 倒转量和倒转时间得到了有效控制；高位水池最高 水位１０．８６ｍ，较停泵不关阀工况有所降低。 ２．３．２．２ 两阶段关阀 根据循环水系统在一阶段关阀过渡过程中存在 的问题，当３台泵同时事故停机后，对泵后阀门采用 两阶段线性关闭方案：０～１５ｓ关闭７５°，１５～４０ｓ关 剩余的１５°。计算结果显示系统最大压力水头３５．２５ ｍ，最小压力水头６．７０ｍ，系统中没有出现负压。 区别于一阶段关阀方案，采用两阶段关阀方 案后，水泵最大倒流流量仅为－０．２４ ｍ３／ｓ，且水 泵未发生倒转；液控蝶阀出口未出现较大的压力 波动；高位水池最高水位１０．８３ｍ，水位波动得到 了更好的控制。不同停泵工况时对应的机组参数 见图８、图９及表１。

２．４ 启泵工况计算 　　启泵过程中系统内各部分的变化情况可以描 述为：３台泵依次启动，启动开始前，中央竖井水位 较低，启动过程中竖井水位缓慢上升，高位水池水 位开始下降。当竖井水位高于配水管后，循环水通 过配水管流向集水槽，在配水过程中循环水不会立 即流入高位集水池；且当循环水开始流入高位集水 池后的一段时间内，流进高位集水池的流量仍小于 流出高位集水池的流量；此后流入高位集水池的流 量开始增大直至与流出流量相等。本节分别对循 环水系统进行闭阀启动和开阀启动的仿真计算，以 循环水系统在启泵过渡过程中的压力、高位水池水 位变化为依据，确定合适的启泵方案。

２．４．１ 闭阀启动 水泵的启动流程为：１号水泵经过１０ｓ匀速 上升到额定转速，随后其出口蝶阀经过４５ｓ完全 打开。下一台泵在上一台泵蝶阀完全打开３０ｓ后 开始启动，启动程序同上台水泵。 计算结果显示系统最大压力水头５２．７０ｍ，出 现在泵后，最小压力水头９．５７ｍ，出现在泵前，系 统中没有出现负压。高位水池最低水位１０．３２ｍ。 系统稳定后流量１８．０１ｍ３／ｓ。

２．４．２ 开阀启动 水泵的启动流程为：１号泵出口蝶阀经过１０ｓ 打开到１５°，然后１号泵启动，水泵经过１０ｓ匀速 上升到额定转速；１号泵启动的同时泵出口蝶阀继 续开启，再经过３５ｓ完全打开。下一台泵在上一 台泵后蝶阀完全打开３０ｓ后开始启动，启动程序 同上台水泵。 计算结果显示系统最大压力３９．７６ｍ，出现在泵 后，最小压力９．５７ｍ，出现在泵前，系统中没有出现负 压。高位水池最低水位１０．３１ｍ，系统稳定后流量１８ ｍ３／ｓ。不同启泵工况对应的机组参数见表２。 ３ 结论 本文首先对高位收水冷却塔循环水系统进行 稳态计算，得到了系统各部分的额定运行参数；然 后对系统的停泵（包括单泵停机工况以及三泵全 停工况）过渡过程进行仿真计算，并针对不同的关 阀方案做分析对比；最后对系统在不同启泵工况 时阀门采用不同的启动方案进行计算分析，通过 研究可以得到以下结论 。 （１）单台循环水泵发生事故停机时，该水泵会 出现倒流及倒转现象，但未超过额定转速的 １．２ 倍，且通过两阶段关阀方案可有效控制水泵倒流 倒转；与此同时，另外２台水泵继续工作，单泵流 量增加以保证整个系统的运行。 （２）３台循环水泵同时发生事故停机时，同样 会出现较严重的倒流和倒转现象，且系统内将出 现最不利的流量瞬变工况；与３０ｓ全关的关阀方 案相比，采用两阶段关阀方案后，高位水池的水位 波动更小，水泵的倒流得到了更好的控制，且在整 个关阀过渡过程中水泵未发生倒转；故推荐两阶 段关阀方案。 （３）分别采用闭阀启动和开阀启动的启泵方 案时，系统的总流量变化及高位水池水位波动基 本一致，但前者的系统最大压力远大于后者，故推 荐开阀启泵方案。