压力管道规范动力管道汽锤力荷载分析.docVIP

检索号：32-JB-2008-01 编 号：32-JB-2008-01-06 压力管道规范—动力管道 汽锤力荷载的分析 专题报告 江苏省电力设计院 工程咨询工咨甲 21120070013 工程勘察综合类甲级 100001-kj 工程设计甲级 A132015910 2011年月：： 校 核： 编 写： 吴 斌  汽锤力荷载的分析 概述 有流体流动的管道内，当处于下游的阀门快速关闭时，阀门前流体的压力会骤然升高，并以压力波的形式向上游传播，继而发生反射、叠加等复杂过程，管系内压力分布改变，在每段直管上都会产生不平衡力，对管系产生冲击，并有可能造成严重破坏，这种现象称为水（汽）锤现象。在大容量高参数发电机组中，汽机跳闸时将快速关闭主汽阀及再热蒸汽阀，就会在主蒸汽管道及再热热段管道中产生汽锤现象。 与此相反，当处于上游的阀门快速关闭时，流体由于惯性继续流动，阀后流体压力骤减，并形成压力波以音速向下游传递，也会改变管系内的压力分布，在直管段上形成不平衡力，冲击管系。这也是水（汽）锤现象。火力发电厂中，汽机跳闸时，再热冷段管道中就会发生此现象。 汽锤力荷载属于冲击荷载，虽然其作用时间较短，但瞬时冲击力可能达到很大的数值，对管系可能造成比较严重的破坏，必须加以防范。汽锤力的大小主要取决于蒸汽压力、流量及阀门关闭时间；汽锤力对管系破坏作用的程度主要取决于汽锤力的大小及管系的质量、刚度。 电厂内主汽、热段、冷段管道都需要考虑汽锤力的影响。相对说来，主汽、热段管道蒸汽温度高，正常工作状态时应力水平已较高，快关影响直接（主汽门关闭后，压力衰减波是经过高压缸再传递到冷段管道），更需重点考虑。 进行汽锤力荷载分析，应得出动态下管系各处的应力水平、约束力的大小，满足应力合格、约束力合理的要求；同时给出阻尼器需要承担的冲击荷载及不影响静力状态时阻尼器应能满足的行程。 目前在600MW以上机组中，一般都考虑汽锤力荷载；而300MW及以下等级的机组则很少计算。600MW以上机组一般为超临界以上参数，加上蒸汽流量又大，粗略估算，在主汽管道上其汽锤力荷载一般为300MW机组的3倍以上，而再热管道上也为2倍以上。对于300MW以下等级机组，汽锤力荷载则更小。 汽锤力荷载分析可分为两步：(1)计算汽锤力荷载的大小；(2)计算管系对汽锤力荷载的响应。分别采用专门的软件来进行数值计算是比较快捷而准确的。在适用的动力计算软件出现之前，也曾有人采用较为简化的方法进行计算。现在这种方法仍有一定的价值。采用软件进行数值计算，计算者对于计算过程的干预较少；但某些边界条件和计算参数的设定，对计算结果有着很大的影响。如果设定有误，会造成较大的偏差，导致计算结果的准确性反不及简化方法。 汽锤力荷载的计算－简化计算方法 在文献6中，给出了汽锤力计算的简化公式。文献1亦采用相近的方法来计算汽锤力荷载。 阀门关闭后，阀门前后形成的压力骤变，以压力波的形式在管系中传递。管道两端的压差，既与压力波幅值的大小有关，也跟管段长度、压力波在管段上的相对位置有关。 (1) 压力波幅值的计算： 其中： dP －压力增量； v －流体速度； vs －音速； ρ －流体密度。 音速的计算如下： 不考虑管道弹性时 其中：k－流体的体积模量。 考虑管道弹性时 其中： Do －管道外径； e －管道壁厚； E －管道弹性模量。 (2) 汽锤力的计算 在长度为L的直管段上，汽锤力的峰值F如下： 对刚性管道 对柔性管道 其中： M －最大的阀门流通面积关闭速率； A －阀门关闭的平均速率，即阀门流通面积除以阀门关闭时间； λ －压力波的波长，即音速乘以阀门关闭时间； Di －管道内径。 且应满足 ，否则上面F的计算式中以1取代。 汽锤力荷载的计算－使用流体计算软件 汽锤力是一种动态力，在管道上各时、各地的力的大小及方向都各不相同。采用手算，要想达到较高的精度，计算量是很大的。目前已经有多种流体计算软件，可以很方便的求解汽锤力荷载，如PIPENET、flowmaster、AFT等。PIPENET目前在国内电力行业应用较广，但flowmaster、AFT等在其他行业也有较多的应用。AFT在电力行业也已开始应用。 PIPENET是英国SUNRISE公司开发的流体计算软件，含几个模块，其中的TRANSIENT模块可用来进行一维流体的暂态分析。 针对下图所示管道， 动量方程为： 连续性方程为： 其中： p －流体压力； u －流体速度； x －沿管长的坐标； t －时间； A －管道截面积； d －管道直径； ρ －流体密度； α －管道相对于水平面的倾斜角度； f －摩擦系数。 依据上述动量方程及连续性方程，采用数值计算方法求解各时、各处的流量、压力，就可进而得出管段