余 軍
摘要:水擊（水錘）是指有壓管道中由于水流流速的突然改變，造成管道壓力急劇波動的現(xiàn)象。本文就發(fā)電廠運(yùn)行中的可能出現(xiàn)的情況，對水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、水擊現(xiàn)象的防護(hù)及安全操作流程做簡單的介紹及分析。
關(guān)鍵詞:水擊   水擊波　閘閥   調(diào)壓室  止回閥
Abstract: water attack (water hammer) is to the pressure pipeline flow velocity because a sudden change of pipe pressure caused drastic fluctuations phenomenon. This paper the operation of the power plant may appear to water attack causes, water and the protective and safety operation phenomenon process do simple introduction and analysis.
Keywords: water and water wave surge chamber gate valve check


中圖分類號：TM6         文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A         文章編號：
前言:水擊（水錘）是指有壓管道中由于水流流速的突然改變，造成管道壓力急劇波動的現(xiàn)象。在生產(chǎn)生活過程中，水擊事故常有發(fā)生，尤其在有壓管路設(shè)計和運(yùn)行過程中，水擊是不可忽略的重要因素，如水電站引水發(fā)電系統(tǒng)、熱電站汽輪機(jī)、鍋爐、蒸汽管路等，一旦發(fā)生水擊，往往會造成極為嚴(yán)重的后果。如位于廣西壯族自治區(qū)的卡馬水庫大壩，由于導(dǎo)流底孔出口被滑塌的巨石突然堵塞，形成水擊，巨大的沖擊力使壩體出現(xiàn)滑塌[1]；又如2007年7月，紐約曼哈頓地下蒸汽管道由于水擊導(dǎo)致爆炸，沖出地面的蒸汽比附近77層高的克斯勒大廈還高 [2]；此外，1985年11月，美國南加州圣俄諾費(fèi)爾核電站由于電短路導(dǎo)致二回路中主給水泵停泵斷水，止回閥故障沒有關(guān)閉，致使蒸汽倒流至主給水管，此時值班工人出現(xiàn)操作失誤向充滿蒸汽的主給水管供冷卻水導(dǎo)致水擊，水擊產(chǎn)生的爆炸力使主給水管破口達(dá)2m，十幾根鋼架支撐全部拉斷[3]；另有報道稱1996年日本四國電力伊方核電廠3號機(jī)組蒸汽噴出事故，經(jīng)證實也是由水擊所致[4]。由此可見水擊事故的危害之大。對發(fā)電企業(yè)而言，無論是水力發(fā)電還是火力發(fā)電，水擊都是安全生產(chǎn)必須予以重視的問題。
1 水擊的成因
1.1 水擊的產(chǎn)生
如圖1所示的管路系統(tǒng)，管路上部與水池相通，下部裝有一閥門。若t=0時刻閥門突然關(guān)閉，則閥門處水流流速由降為0，緊接著與此相鄰的水流流速也會迅速改變，從而引發(fā)連鎖反應(yīng)，管道內(nèi)水流流速不斷變?yōu)?并以波的形式向上游傳播，這個波就叫做水擊波，其傳播速度叫水擊波速，以表示。由于水流的慣性作用，流速變小、壓強(qiáng)相應(yīng)增大，設(shè)壓強(qiáng)增量為，根據(jù)動量定理進(jìn)行推導(dǎo)，可得到直接水擊的表達(dá)式[5]：
            （1）

圖1 水擊產(chǎn)生示意圖

式中，表示水的密度，表示水擊波速，表示水流初始速度，表示水流改變后的流速。對于閥門瞬間完全關(guān)閉的情況，有。需要指出的是，此時的壓強(qiáng)變化是很大的，文獻(xiàn)[5]中列舉了一根長管道，當(dāng)管內(nèi)流速m/s時，若取=1000m/s，按式（1）進(jìn)行計算，可得到水擊壓強(qiáng)，相當(dāng)于100m水頭，足見水擊的破壞力之大。
1.2 水擊的傳播
以閥門突然關(guān)閉為例，討論水擊沿管道的傳播過程，一般可將其分為先后4個階段：①減速增壓（圖2(a)）、②減速減壓（圖2(b)）、③增速減壓（圖2(c)）、④增速增壓（圖2(d)）階段。
（1）減速增壓階段。設(shè)t=0時刻閥門突然關(guān)閉，則緊靠閥門的微小流段首先停止流動，由于慣性作用，其它段水流仍以初始速度向閥門運(yùn)動，這時微段流體被壓縮，壓強(qiáng)增大，同時管壁膨脹。接著緊鄰微段的一小段流體也會停止流動，并類似地出現(xiàn)密度和壓強(qiáng)增大的現(xiàn)象。這種減速增壓的狀態(tài)將沿著管道以速度c一直向上游傳播，直到時刻水擊波到達(dá)B點，此時管道中水流流速為0，壓強(qiáng)為。
（2）減速減壓階段。時刻，由于水池中水壓恒為，而管道中水壓為，因此管道中流體將以反向流速向水池運(yùn)動，從而使管道水壓下降為。這種減速減壓的狀態(tài)也會一直向下游傳播，直到時刻到達(dá)A點，此時管道中水流流速為，壓強(qiáng)為。
  
             （a）減速增壓（）                  （b）減速減壓（）
  
            （c）増速減壓（）              （d）増速増壓（）
圖2 水擊傳播示意圖
（3）增速減壓階段。時刻，由于閥門緊閉，管道靠近閥門處流段流速由變?yōu)?，壓強(qiáng)將由變?yōu)�，并連鎖式地影響與其相鄰的流段，使這種增速減壓的狀態(tài)一直向上游傳播，直到時刻到達(dá)B點，此時管道中水流流速為0，壓強(qiáng)為。
（4）增速增壓階段。時刻，由于水池中水壓恒為，而管道中水壓為，因此水池中流體將以流速向管道運(yùn)動，并使管道壓強(qiáng)上升為。這種減速減壓的狀態(tài)也會一直向下游傳播，直到時刻到達(dá)A點，此時管道中水流流速為，壓強(qiáng)為，重新回到t=0時刻的流速與壓強(qiáng)狀態(tài)，完成一個周期循環(huán)。
2 水擊事故的防范
對發(fā)電廠而言，熱電站復(fù)雜的蒸汽管路系統(tǒng)和水電站的長引水發(fā)電系統(tǒng)是水擊事故防范的重點。歸納水擊事故的原因，無外乎兩種：（1）設(shè)備的原因，管路中沒有設(shè)置有效防止水擊產(chǎn)生和發(fā)展的裝置或出現(xiàn)設(shè)備故障；（2）工作人員的判斷或操作失誤，導(dǎo)致事故產(chǎn)生或擴(kuò)大。因此，本著“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的安全方針，對水擊事故的防范也應(yīng)從這兩方面著手。
2.1 水擊防護(hù)裝置
對于水擊防護(hù)裝置與設(shè)備，根據(jù)其作用方式的不同主要可以分為以下幾種類型[6,7]：
（1）閥門裝置。作為控制介質(zhì)流動的管路附件，合理選擇閥門種類，延長啟閉時間，對防范水擊事故的發(fā)生具有重要意義，如水電站水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，對開啟和關(guān)閉時間進(jìn)行優(yōu)化，從而降低水流流速的變化速率，進(jìn)而使水擊壓力變化幅度得以減緩。此外，管道中疏水閥、調(diào)節(jié)閥、減壓閥、安全閥等閥門裝置，對于防范水擊事故也有重要作用。
（2）調(diào)壓裝置。如設(shè)置在水電站引水管道和尾水管上的調(diào)壓室（井），以及蒸汽管道上的安全閥和安全水封、減壓閥、調(diào)壓閥等，通過向管路系統(tǒng)中注水或注氣進(jìn)行穩(wěn)壓，從而控制管路系統(tǒng)中的水擊壓力振蕩。
（3）疏水止回裝置。蒸汽管路中容易積水形成汽-水兩相流動，由于蒸汽流速快，推動管道底部的液體呈波浪狀流動，當(dāng)汽相流速增大到能推動水波沖擊到管道頂部時，就會造成管道的突然堵塞形成水擊，因此在蒸汽管路中設(shè)置疏水裝置如疏水閥非常必要。此外，在蒸汽管路（容器）和供（回）水管路之間，應(yīng)設(shè)置止回閥防止水管路竄汽后形成局部“真空”造成水擊，美國南加州圣俄諾費(fèi)爾核電站1985年所發(fā)生的事故就是因為止回閥失靈造成的。
2.2 安全操作和事故處理
隨著技術(shù)的發(fā)展，水擊事故日益呈現(xiàn)出復(fù)雜化、非典型化的趨勢，如火電站就有可能在鍋爐、蒸汽管道、給水管道、省煤器等設(shè)備處發(fā)生水擊事故，使得安全操作和事故處理也變得更加復(fù)雜，這對電廠運(yùn)行人員的素質(zhì)提出了更高的要求。
（1）安全操作。①開機(jī)啟動應(yīng)避免過急過快，對于汽輪機(jī)、蒸汽管路來說，啟動前應(yīng)對供汽管道進(jìn)行充分暖管和疏水排泄，同時檢查確保鍋爐沒有滿水；水輪機(jī)則應(yīng)慢慢轉(zhuǎn)動調(diào)速手輪，逐步加快轉(zhuǎn)速直到達(dá)到額定出力。②運(yùn)行階段，汽輪機(jī)的鍋爐必須均勻加熱，且保證水質(zhì)，防止汽-水共騰；水輪機(jī)應(yīng)防止出現(xiàn)事故而緊急停機(jī)。③停機(jī)操作也應(yīng)避免過急過快，對汽輪機(jī)而言，必須控制溫降不能變化過快，當(dāng)切換備用氣源時，必須保證備用系統(tǒng)積水疏排充分；對水輪機(jī)而言，一般先緩慢關(guān)閉導(dǎo)葉，帶轉(zhuǎn)速降至某一額度時再進(jìn)行剎車。
（2）事故處理。出現(xiàn)事故后，運(yùn)行人員必須迅速、準(zhǔn)確地判斷是否發(fā)生水擊，通過對一些事故進(jìn)行歸納，水擊時一般會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：①管道壓力出現(xiàn)劇烈的升降變化；②管道一脹一縮的發(fā)生振動，并可能發(fā)出有一定節(jié)律的錘擊聲，機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音和振動也會出現(xiàn)異常；③管路中某些部位由于壓力過大會出現(xiàn)損壞，產(chǎn)生漏水漏汽等；④對蒸汽管道而言，還會出現(xiàn)主蒸汽溫度急劇下降的現(xiàn)象。事故確認(rèn)后，應(yīng)立即采取措施，對于汽輪機(jī)而言，其處理原則是破壞真空、減少供汽，同時進(jìn)行充分疏水，確認(rèn)止回閥是否工作正常以防止水管路竄汽；水輪機(jī)則迅速按下解列按鈕與電網(wǎng)斷開，同時投入水阻器。
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