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08 | 气锤计算方法(汽轮机跳闸负荷分析)

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发表时间:2019-11-05 03:33作者:LIANG YOUHAI来源:管道的世界网址:http://www.pipeworld.cn

气锤分析原理.png


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汽轮机跳闸指的是由于机组主要保护动作,造成机组主汽门和调门关闭,切断进气停止运行的过程。汽轮机跳闸主要原因有:电气引起跳闸因该有报警;出现接地还有外界信号干扰等导致保护误动跳机;误动作以及电气的发电机主保护;外网引起的甩负荷超速等。通常正常的启动和关机过程中,负荷的增加或减少是逐渐进行的,这样可以避免管道系统蒸汽或者电路产生瞬间的变化。然而,当电路因为某种情况跳闸,负荷会瞬间消失,这种情况下,汽轮机的主进气口阀门会瞬间关闭,不然汽轮机会高速运转,这相当危险。即使是蒸汽箱和进气管道的残余蒸汽,也有足够的动力将汽轮机驱动到危险的速度。


当主汽口阀门关闭瞬间,蒸汽流动减慢甚至停止,此时会产生压力波。这其实就是水锤产生的基本原理,对于蒸汽管线来说,我们习惯把这种现象称为气锤现象。压力波会在整个管道系统中传递,产生冲击力,同时管道内的压力上升。冲击力会让蒸汽管线产生振动和巨大的噪声。因为蒸汽具有很高的可压缩性,所以汽机阀关闭产生的冲击力没有液体管道那么严重。直到1960年,出现了蒸汽管线的支架被气锤破坏的现象,气锤才开始引起重视。气锤的理论研究文章最早发表于1966年,从那时开始,气锤分析正式包括在管道设计以内。


根据水锤理论,管道内流体速度的突然降低,由于惯性的作用,导致压力突然升高。这个压力的升高会产生压力波,压力波以声速往管道的上游传播。速度的降低与压力的上升有一个关系,如下:

 是介质密度,a是管道内介质的声速。


   流体速度虽然降低幅度很大,但它并不是真正在瞬间发生的,变化的快慢取决于关阀的时间。因此,如图12.21所示,在整个关阀过程中,可以将速度和压力的变化分成一系列的时间段, 对应  对应 等等。总的压力变化发生在阀门完全关闭的瞬间:

汽轮机跳闸典型的压力升高在运行压力的10%15%。高压主蒸汽的压力升高率较低,低压再热蒸汽的比例较高。尽管阀门完全关闭后,压力还有升高的趋势,如图虚线。但通常计算时会把这部分忽略掉。因为这部分的值不通过详细的水力学计算是很难得到的。


还有一点要说一下,压力波以声速在管道内部传播,当压力上升,流体的密度和温度也会上升,这也使流体中的声速增大,最终导致压力波头波的堆积。不管怎样,这些变化都是很小的,忽略掉密度和温度的变化,声速按照流体的正常值考虑。在蒸汽管线的分析中,也通常略掉因为流速变化产生的动量变化影响。因此,冲击力纯粹的来源于压力的变化。这样冲击力的计算就很简单了,就是PA

密度可以根据压力和温度求得,流速由质量流量和密度求得,声速在前面讲过,可以根据比热比k=1.28求得。


  冲击力的时间历程跟压力变化的时间历程一致。跟安全阀的排气反力一样,只不过蒸汽锤的力是 ,安全阀是开阀过程,气锤是关阀而已。有效关阀时间 可取阀门厂商提供的时间的75%。原因在安全阀文章中已做过介绍。由于阀门关闭时间决定了每个管段的净冲击力,因此准确的关阀时间对于准确估计管段冲击力至关重要

要计算气锤的冲击力,相当于我们要找出每段管子两端的冲击力,然后由两端冲击力之差得到不平衡载荷,这与封闭式安全阀排气系统计算是类似的。差别在于,安全阀的冲击力是实际流体冲击产生的,而气锤力是压力波产生的。压力波的特征是向前传输遇到障碍会反弹,每次反弹,能量减少,冲击力变小,来回反弹多次直至衰减到0。我们在分析时只考虑第一次反弹的压力波,其它的都忽略。


我们还是用理想的冲击曲线来计算,如图12.22。图中表述了每个点压力波的时间历程曲线。拿1点举例,压力线性升高直到阀门完全关闭,在 的时候达到最大,最大值持续到反弹回来的压力波头到达1点。压力波到达锅炉的时间是 。然后反射波就产生了,由于摩擦和出口损失,反射波以略小于原始波大小的负压反弹,再经过 到达1点。然后1点的压力开始降低,最终1点的冲击力时间历程曲线如实线所示。当然,越往后的点,冲击波作用的时间是越靠后的。如4点,正向冲击波还没达到最大,反射波已经回来了,相互抵消的情况下,4点冲击力从没达到最大。


接下来就是找出同一管段的两个端点冲击力的差值,如图中的阴影部分,这就是我们要找的不平衡力。它让管道发生振动。最大的不平衡力 还是取决于管段的长度,如果管段长度长到声速传播时间大于关阀时间,最大冲击力就为 。如果管段长度短于声速与关阀时间之积,最大不平衡力计算如下:

 ij之间的管段。这跟安全阀计算一样。从上面的式子可以看出, 的大小取决于 的大小,如果管段很短,不平衡冲击力就很小,分析的时候可能就会不考虑了。


得到不平衡力,我们就可以选择两种方式来对管道进行分析了。一是用静态分析方法,找到DLF进行分析,但是必须注意,选择静态分析方法必须假定所有管段上的不平衡冲击载荷同时发生。也可以通过时间历程分析方法,将每点的实际冲击力时间历程添加进去进行分析,具体分析方法将在下文中慢慢展开。


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