发电厂水击事故的成因及防护

余军
摘要:水击（水锤）是指有压管道中由于水流流速的突然改变，造成管道压力急剧波动的现象。本文就发电厂运行中的可能出现的情况，对水击现象产生的原因、水击现象的防护及安全操作流程做简单的介绍及分析。
关键词:水击   水击波　闸阀   调压室止回阀
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

中图分类号：TM6         文献标识码：A         文章编号：
前言:水击（水锤）是指有压管道中由于水流流速的突然改变，造成管道压力急剧波动的现象。在生产生活过程中，水击事故常有发生，尤其在有压管路设计和运行过程中，水击是不可忽略的重要因素，如水电站引水发电系统、热电站汽轮机、锅炉、蒸汽管路等，一旦发生水击，往往会造成极为严重的后果。如位于广西壮族自治区的卡马水库大坝，由于导流底孔出口被滑塌的巨石突然堵塞，形成水击，巨大的冲击力使坝体出现滑塌[1]；又如2007年7月，纽约曼哈顿地下蒸汽管道由于水击导致爆炸，冲出地面的蒸汽比附近77层高的克斯勒大厦还高 [2]；此外，1985年11月，美国南加州圣俄诺费尔核电站由于电短路导致二回路中主给水泵停泵断水，止回阀故障没有关闭，致使蒸汽倒流至主给水管，此时值班工人出现操作失误向充满蒸汽的主给水管供冷却水导致水击，水击产生的爆炸力使主给水管破口达2m，十几根钢架支撑全部拉断[3]；另有报道称1996年日本四国电力伊方核电厂3号机组蒸汽喷出事故，经证实也是由水击所致[4]。由此可见水击事故的危害之大。对发电企业而言，无论是水力发电还是火力发电，水击都是安全生产必须予以重视的问题。
1 水击的成因
1.1 水击的产生
如图1所示的管路系统，管路上部与水池相通，下部装有一阀门。若t=0时刻阀门突然关闭，则阀门处水流流速由降为0，紧接着与此相邻的水流流速也会迅速改变，从而引发连锁反应，管道内水流流速不断变为0并以波的形式向上游传播，这个波就叫做水击波，其传播速度叫水击波速，以表示。由于水流的惯性作用，流速变小、压强相应增大，设压强增量为，根据动量定理进行推导，可得到直接水击的表达式[5]：
            （1）

图1 水击产生示意图

式中，表示水的密度，表示水击波速，表示水流初始速度，表示水流改变后的流速。对于阀门瞬间完全关闭的情况，有。需要指出的是，此时的压强变化是很大的，文献[5]中列举了一根长管道，当管内流速m/s时，若取=1000m/s，按式（1）进行计算，可得到水击压强，相当于100m水头，足见水击的破坏力之大。
1.2 水击的传播
以阀门突然关闭为例，讨论水击沿管道的传播过程，一般可将其分为先后4个阶段：①减速增压（图2(a)）、②减速减压（图2(b)）、③增速减压（图2(c)）、④增速增压（图2(d)）阶段。
（1）减速增压阶段。设t=0时刻阀门突然关闭，则紧靠阀门的微小流段首先停止流动，由于惯性作用，其它段水流仍以初始速度向阀门运动，这时微段流体被压缩，压强增大，同时管壁膨胀。接着紧邻微段的一小段流体也会停止流动，并类似地出现密度和压强增大的现象。这种减速增压的状态将沿着管道以速度c一直向上游传播，直到时刻水击波到达B点，此时管道中水流流速为0，压强为。
（2）减速减压阶段。时刻，由于水池中水压恒为，而管道中水压为，因此管道中流体将以反向流速向水池运动，从而使管道水压下降为。这种减速减压的状态也会一直向下游传播，直到时刻到达A点，此时管道中水流流速为，压强为。

             （a）减速增压（）                  （b）减速减压（）

            （c）増速减压（）              （d）増速増压（）
图2 水击传播示意图
（3）增速减压阶段。时刻，由于阀门紧闭，管道靠近阀门处流段流速由变为0，压强将由变为，并连锁式地影响与其相邻的流段，使这种增速减压的状态一直向上游传播，直到时刻到达B点，此时管道中水流流速为0，压强为。
（4）增速增压阶段。时刻，由于水池中水压恒为，而管道中水压为，因此水池中流体将以流速向管道运动，并使管道压强上升为。这种减速减压的状态也会一直向下游传播，直到时刻到达A点，此时管道中水流流速为，压强为，重新回到t=0时刻的流速与压强状态，完成一个周期循环。
2 水击事故的防范
对发电厂而言，热电站复杂的蒸汽管路系统和水电站的长引水发电系统是水击事故防范的重点。归纳水击事故的原因，无外乎两种：（1）设备的原因，管路中没有设置有效防止水击产生和发展的装置或出现设备故障；（2）工作人员的判断或操作失误，导致事故产生或扩大。因此，本着“安全第一、预防为主、综合治理”的安全方针，对水击事故的防范也应从这两方面着手。
2.1 水击防护装置
对于水击防护装置与设备，根据其作用方式的不同主要可以分为以下几种类型[6,7]：
（1）阀门装置。作为控制介质流动的管路附件，合理选择阀门种类，延长启闭时间，对防范水击事故的发生具有重要意义，如水电站水轮机调速系统，对开启和关闭时间进行优化，从而降低水流流速的变化速率，进而使水击压力变化幅度得以减缓。此外，管道中疏水阀、调节阀、减压阀、安全阀等阀门装置，对于防范水击事故也有重要作用。
（2）调压装置。如设置在水电站引水管道和尾水管上的调压室（井），以及蒸汽管道上的安全阀和安全水封、减压阀、调压阀等，通过向管路系统中注水或注气进行稳压，从而控制管路系统中的水击压力振荡。
（3）疏水止回装置。蒸汽管路中容易积水形成汽-水两相流动，由于蒸汽流速快，推动管道底部的液体呈波浪状流动，当汽相流速增大到能推动水波冲击到管道顶部时，就会造成管道的突然堵塞形成水击，因此在蒸汽管路中设置疏水装置如疏水阀非常必要。此外，在蒸汽管路（容器）和供（回）水管路之间，应设置止回阀防止水管路窜汽后形成局部“真空”造成水击，美国南加州圣俄诺费尔核电站1985年所发生的事故就是因为止回阀失灵造成的。
2.2 安全操作和事故处理
随着技术的发展，水击事故日益呈现出复杂化、非典型化的趋势，如火电站就有可能在锅炉、蒸汽管道、给水管道、省煤器等设备处发生水击事故，使得安全操作和事故处理也变得更加复杂，这对电厂运行人员的素质提出了更高的要求。
（1）安全操作。①开机启动应避免过急过快，对于汽轮机、蒸汽管路来说，启动前应对供汽管道进行充分暖管和疏水排泄，同时检查确保锅炉没有满水；水轮机则应慢慢转动调速手轮，逐步加快转速直到达到额定出力。②运行阶段，汽轮机的锅炉必须均匀加热，且保证水质，防止汽-水共腾；水轮机应防止出现事故而紧急停机。③停机操作也应避免过急过快，对汽轮机而言，必须控制温降不能变化过快，当切换备用气源时，必须保证备用系统积水疏排充分；对水轮机而言，一般先缓慢关闭导叶，带转速降至某一额度时再进行刹车。
（2）事故处理。出现事故后，运行人员必须迅速、准确地判断是否发生水击，通过对一些事故进行归纳，水击时一般会出现以下现象：①管道压力出现剧烈的升降变化；②管道一胀一缩的发生振动，并可能发出有一定节律的锤击声，机组的运转声音和振动也会出现异常；③管路中某些部位由于压力过大会出现损坏，产生漏水漏汽等；④对蒸汽管道而言，还会出现主蒸汽温度急剧下降的现象。事故确认后，应立即采取措施，对于汽轮机而言，其处理原则是破坏真空、减少供汽，同时进行充分疏水，确认止回阀是否工作正常以防止水管路窜汽；水轮机则迅速按下解列按钮与电网断开，同时投入水阻器。
参考文献
[1] 周克发,龙智飞,王昭升,张士辰.卡马水库大坝滑塌原因分析[J].水利水电科技进展，2010,30（6）:63-66
[2] 杨福东,王振水,胡茂辉.蒸汽输送系统水击事故分析与防范[J].暖通空调,2010,40（6）:150-151
3 王学芳等,工业管道中的水锤[M].北京:水利电力出版社,1993
[4] 人民网,日本滨冈核电厂事故可能是“水击现象”造成.2011
[5] 李炜,徐孝平,水力学[M].武汉：武汉水利电力大学出版社,2000
[6] 金锥,姜乃昌,汪兴华,关兴旺,停泵水锤及其防护[M].北京:中国建筑工业出版社,2004
[7] 施振球等,动力管道设计手册[M].北京:机械工业出版社,2010