楊 軍，吳 飛，余剛峰，石 剛，吳 凡

（中廣核工程有限公司調(diào)試中心，深圳 518124）

1 背景

臺(tái)山核電廠是第三代核電EPR機(jī)組，其發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱定冷水系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)采用節(jié)流孔板來(lái)調(diào)整各管路的流量，節(jié)流孔板決定了系統(tǒng)的流量及壓力分布。此設(shè)計(jì)給電廠的日常運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)方便，但在調(diào)試階段的流量調(diào)整試驗(yàn)卻要準(zhǔn)確地調(diào)整節(jié)流孔板的孔徑，以達(dá)到設(shè)計(jì)流量要求。

由于單個(gè)孔板調(diào)整對(duì)各管路的流量都產(chǎn)生影響，調(diào)試試驗(yàn)中很難快速地確定孔板孔徑，試驗(yàn)中往往采用以下方法：（1）先采用同類型機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)孔板加工以獲得接近設(shè)計(jì)值的流量，然后結(jié)合下述方法進(jìn)一步微調(diào)孔板孔徑；（2）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合，用線性差值的方法逐步逼近，通過(guò)多次嘗試調(diào)整孔板以使流量滿足設(shè)計(jì)要求。

無(wú)論有無(wú)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考，試驗(yàn)均要多次嘗試。調(diào)試過(guò)程往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅需要不斷拆裝及加工孔板，而且要反復(fù)進(jìn)行類似的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

由于臺(tái)山核電廠的系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首臺(tái)三代EPR核電機(jī)組，對(duì)于目前世界上最大單機(jī)容量的發(fā)電機(jī)，其定冷水系統(tǒng)的參數(shù)值與現(xiàn)有核電機(jī)組完全不同，無(wú)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這給調(diào)試工作帶來(lái)挑戰(zhàn)。

本文研究通過(guò)建立物理的數(shù)值模型，運(yùn)用仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流網(wǎng)計(jì)算來(lái)確定各孔板孔徑，以使定冷水系統(tǒng)流量調(diào)整試驗(yàn)快速方便地達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量的要求。

2 建模

物理模型的建立運(yùn)用集總參數(shù)模型方式，并主要依據(jù)三大平衡定律（即質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律）以及水蒸氣表。

對(duì)于流網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)（集總參數(shù)模型），滿足質(zhì)量守恒規(guī)律，即進(jìn)出口流量相等，建立：

式中Fi——入口流量；F0——出口流量。

且各節(jié)點(diǎn)滿足能量守恒規(guī)律，即進(jìn)出口能量相等，建立：

式中hi——液體入口焓道；h0——液體出口焓道；

Q——交換的熱量。

且各節(jié)點(diǎn)滿足動(dòng)量守恒規(guī)律，即使用伯努里方程，簡(jiǎn)化后

式中F——流量；Cv——流體的流阻系數(shù)；△P——壓差。

同時(shí)，為了得到各節(jié)點(diǎn)相關(guān)熱力參數(shù)，可通過(guò)水蒸氣表進(jìn)行計(jì)算或者查值。

因定冷水系統(tǒng)流量調(diào)整試驗(yàn)在溫度較恒定的情況下進(jìn)行的，故為了減少計(jì)算的方程組，可忽略系統(tǒng)的能量交換因素，式（2）及水蒸氣表在建模時(shí)可不予采用。

對(duì)于流網(wǎng)中的特殊節(jié)點(diǎn)（定冷水泵）的模擬仿真，采用以下經(jīng)驗(yàn)公式（對(duì)于定速泵，相當(dāng)于采用二次曲線擬合泵的流量壓力曲線）：

式中P——泵的壓頭；n——泵的轉(zhuǎn)速；Q——泵的流量；

C1，C2，C3——系數(shù)。

為方便調(diào)整孔板，對(duì)孔板可以建立方程式：

式中F——通過(guò)孔板的流量；C——孔板的流阻系數(shù)；d——孔板開(kāi)孔直徑；△P——孔板前后壓差。

由式（1）～式（5），建立數(shù)值方程組，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程，采用迭代逼近法或者解方程組的矩陣法等手段可以方便的計(jì)算出結(jié)果。本文利用了某仿真軟件進(jìn)行建模，因其具有較好的人機(jī)界面，對(duì)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整十分便利，大大提高了調(diào)整孔板的模擬計(jì)算效率。

3 應(yīng)用

定冷水系統(tǒng)流量調(diào)整試驗(yàn)調(diào)試中，實(shí)際應(yīng)用采用以下步驟進(jìn)行：

（1）根據(jù)定冷水系統(tǒng)流程圖（如圖1所示），將主要設(shè)備視為集總參數(shù)模型的各節(jié)點(diǎn)，建立流網(wǎng)仿真模型。

（2）由系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的管路及設(shè)備流量壓力計(jì)算書及泵的流量壓力曲線（即PQ曲線），計(jì)算出各方程式中的系數(shù)作為仿真模型的常數(shù)。運(yùn)行仿真模型，各壓力與流量計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)是一致的。此步驟的目的不僅檢驗(yàn)了建模的正確性，而且為后續(xù)步驟建立了調(diào)整建模常數(shù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)，進(jìn)行流量及壓力的測(cè)量記錄，并整理現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。而后調(diào)整流網(wǎng)仿真模型中各常數(shù)，使流量壓力的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)保持一致。

（4）運(yùn)行仿真模型，調(diào)整仿真模型中各孔板直徑值，即式（5）中的d值，反復(fù)嘗試使模型的計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值一致。此時(shí)，各孔板的直徑值即為所求。

（5）根據(jù)計(jì)算的孔徑值加工孔板后復(fù)裝，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)，試驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證。若有偏差，分析原因，重復(fù)第3、4步驟。

圖1 臺(tái)山核電廠發(fā)電機(jī)定冷水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

實(shí)際調(diào)試工作中進(jìn)行了一次模擬計(jì)算，同時(shí)調(diào)整了4塊孔板的孔徑。流量調(diào)整試驗(yàn)即滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則（即各流量與設(shè)計(jì)值偏差不大于正負(fù)5%）。調(diào)試試驗(yàn)情況參見(jiàn)表1及表2。

表1 孔板調(diào)整對(duì)照表 mm

表2 流量數(shù)據(jù)對(duì)照表 m3／h

實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵是要提高模擬精度，準(zhǔn)確計(jì)算孔板孔徑，相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲得尤為重要。而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件是有限的，實(shí)測(cè)往往無(wú)法獲得全部建模數(shù)據(jù)。實(shí)踐中要把建模所需數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件結(jié)合起來(lái)考慮，采用一定技巧和方法來(lái)提高模擬的準(zhǔn)確度，故需要做好以下工作：

（1）做適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡(jiǎn)化。采用集總參數(shù)模型，假設(shè)某些管段流阻集中到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如將連接閥門管段的沿途阻力假設(shè)到閥門這個(gè)節(jié)點(diǎn)上。同時(shí)為突出重點(diǎn)要簡(jiǎn)化建模，比如將系統(tǒng)中兩臺(tái)定冷水泵簡(jiǎn)化成一臺(tái)。應(yīng)用中將現(xiàn)場(chǎng)定冷水系統(tǒng)按照?qǐng)D1所示簡(jiǎn)圖進(jìn)行仿真模型的建立。

（2）不可忽略系統(tǒng)安裝高差。定冷水系統(tǒng)設(shè)備安裝位置最大高差約20m，位于系統(tǒng)中間的某個(gè)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)用伯努里方程式時(shí)，不能忽略高差，否則仿真計(jì)算時(shí)系統(tǒng)的壓力無(wú)法與實(shí)際保持一致。

（3）泵的方程式中常數(shù)的確定要注重選取泵具有代表性的運(yùn)行點(diǎn)。在上述第三步驟中確定式（4）中的C1、C2及C3時(shí)，為準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)泵的實(shí)際運(yùn)行情況，需要用實(shí)測(cè)值來(lái)計(jì)算。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通過(guò)操作相應(yīng)的閥門開(kāi)度，測(cè)量運(yùn)行中泵的三組流量壓力數(shù)據(jù)：一般包括流量為零時(shí)，泵進(jìn)出口壓力；以及在泵額定工況附近的兩組流量壓力數(shù)據(jù)。

（4）孔板壓差要準(zhǔn)確取值模擬?？装迨顷P(guān)鍵的研究對(duì)象，每個(gè)需要調(diào)整的孔板必須作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)考慮，重要的是其前后壓差一定要盡量準(zhǔn)確模擬。然而，現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)壓力測(cè)點(diǎn)有限，往往無(wú)法獲得其準(zhǔn)確壓差。這時(shí)，可以利用設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)中的以下經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)取值模擬：

式中 Q——流量（m3／h）；ε——可壓縮系數(shù)；α——流量系數(shù)；d——孔 板 孔 徑 （mm）；P——壓 力 （Pa）；ρ——流體密度（Kg／m3）。

在進(jìn)行上文第4步時(shí)，調(diào)整孔板的流阻系數(shù)，使孔板壓差維持在由式（6）計(jì)算的壓差值，這將提高后續(xù)步驟中調(diào)整孔徑計(jì)算的準(zhǔn)確度。

4 比較分析

定冷水系統(tǒng)流量調(diào)整試驗(yàn)的常規(guī)方法是利用在流量一定范圍內(nèi)變化時(shí)，特定管道流量與其孔板孔徑的平方成近似的正比例關(guān)系來(lái)計(jì)算，即

式中 Q——流量；K——比例系數(shù)；d——孔板孔徑。

利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出K值，而后根據(jù)流量的設(shè)計(jì)值，計(jì)算需要調(diào)整的孔徑。因式（7）為比較粗略的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算雖然便捷，但是不準(zhǔn)確。以中性點(diǎn)短路管處的孔板計(jì)算為例：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為：流量14.5m3／h，孔板孔徑19.0mm，而設(shè)計(jì)流量為12.0m3／h。根據(jù)式（7）計(jì)算，為達(dá)到設(shè)計(jì)流量，孔板孔徑應(yīng)調(diào)整為17.3mm，而實(shí)際上孔徑調(diào)整到15.5mm才能滿足設(shè)計(jì)要求。即使采用線性差值逐漸逼近的方法，為了得到滿足要求的孔徑，至少也需要2～3次的嘗試后才能試驗(yàn)合格，這還是在沒(méi)有考慮其他支路流量調(diào)整對(duì)其影響的情況下。

究其原因，參照式（6），經(jīng)驗(yàn)公式式（7）忽略了孔板前后壓差變化的影響，而且在流網(wǎng)中，任何支路的流量壓力變化的影響都是全局的，即某一支路的變化會(huì)影響其他支路的流量壓力。故常規(guī)的方法不僅比較粗略，而且無(wú)法兼顧全局影響，故調(diào)試中往往需要多次嘗試，并憑調(diào)試經(jīng)驗(yàn)反復(fù)試驗(yàn)才能使孔板調(diào)整到滿足要求的孔徑。而采用流網(wǎng)仿真計(jì)算，物理模型不僅模擬了設(shè)備壓差的影響，而且模型本身具有全局性，考慮了需要調(diào)整的孔板對(duì)整個(gè)系統(tǒng)壓力流量的相互影響，故模型的計(jì)算更能客觀地反映現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況。

5 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用仿真技術(shù)，在發(fā)電機(jī)定冷水系統(tǒng)的流量調(diào)整試驗(yàn)中采用流網(wǎng)仿真計(jì)算的方法，在較短的調(diào)試時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)并計(jì)算出系統(tǒng)中孔板的孔徑，一次性使試驗(yàn)結(jié)果滿足了試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)際應(yīng)用取得了良好結(jié)果。本文的研究嘗試說(shuō)明對(duì)于具有復(fù)雜流量壓力關(guān)系的系統(tǒng)調(diào)試工作，流網(wǎng)仿真計(jì)算具有極大的推廣價(jià)值。推而廣之，仿真技術(shù)由于可以事先在模型上進(jìn)行模擬研究，減少了實(shí)體工作，省時(shí)省力，節(jié)約成本，對(duì)實(shí)際調(diào)試工作具有很大的指導(dǎo)作用。