(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 問題研究的總體技術(shù)路線

由于RRI系統(tǒng)龐大、冷卻的熱負(fù)荷眾多，廠房中的管線布置復(fù)雜，為重點(diǎn)研究機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)較嚴(yán)重超壓?jiǎn)栴}的管線，對(duì)這些負(fù)荷用戶做詳細(xì)的分析計(jì)算，通過阻力等效的原則將一些對(duì)計(jì)算分析影響較小的管線適當(dāng)簡(jiǎn)化。制定了該項(xiàng)目的總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目總體技術(shù)路線

2 RRI系統(tǒng)仿真計(jì)算分析

本文采用目前行業(yè)內(nèi)常用的系統(tǒng)仿真軟件Flowmaster進(jìn)行RRI系統(tǒng)管道超壓?jiǎn)栴}的分析，F(xiàn)lowmaster是當(dāng)今全球最為著名的熱流體系統(tǒng)仿真分析平臺(tái)，已在核電相關(guān)系統(tǒng)的仿真中得到了廣泛應(yīng)用與成功驗(yàn)證，幫助解決了很多復(fù)雜的系統(tǒng)問題。在核電行業(yè)流體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，流量、壓力、溫度、流速等參數(shù)是影響整個(gè)系統(tǒng)安全性與可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。Flowmaster可以從概念設(shè)計(jì)到維護(hù)階段的全生命周期中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且對(duì)運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控。通過對(duì)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的預(yù)測(cè)與監(jiān)控，工程師能正確的做出分析和判斷，進(jìn)而優(yōu)化改進(jìn)系統(tǒng)，從而最大程度的避免水錘與氣穴等不利現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

2.1 Flowmaster數(shù)值計(jì)算方法

在求解管道中的水錘問題時(shí)，通常將流動(dòng)看作一維非恒定流動(dòng)。 一維非恒定流動(dòng)的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程形式為：

(1)運(yùn)動(dòng)方程

(1)

(2)連續(xù)性方程

(2)

式中，H為壓力水頭，m；v為流速，m/s；f為摩擦阻力系數(shù)；D為管道直徑，m；α為管道傾角，°；a為水錘波傳播速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；x為管長(zhǎng)，m；t為時(shí)間，s。

利用數(shù)值模擬計(jì)算求解水錘問題，目前主要有特征線法和有限差分法兩種，其中特征線法是國內(nèi)外長(zhǎng)期研究并相對(duì)成熟。本文應(yīng)用特征線法進(jìn)行求解，其原理是：將偏微分方程組轉(zhuǎn)化為特殊的全微分方程(特征方程)，然后再通過有限差分進(jìn)行離散得到有限差分方程。正向波特征線C+和逆向波特征線C-的有限差分方程的形式為：

沿

C+：HPi=CP-BQPi

(3)

沿

C-：HPi=CM-BQPi

(4)

CP=Hi-1+BQi-1-RQi-1|Qi-1|

(5)

CM=Hi+1-BQi+1+RQi+1|Qi+1|

(6)

圖2 特征線時(shí)間—空間網(wǎng)格圖

2.2 計(jì)算模型及基本參數(shù)

圖3為分析RRI系統(tǒng)局部超壓?jiǎn)栴}的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，通過阻力等效的方法，將RRI系統(tǒng)中的所有支路簡(jiǎn)化成了圖3中的上中下三條支路，RRI泵運(yùn)行的額定流量為2 500 m3/h，其中中間支路為EAS熱交換器所在回路，中間支路為EAS安全殼噴淋熱交換器設(shè)計(jì)流量1 920 m3/h，閥門2為RRI系統(tǒng)中的閥門RRI035VN(A列)或RRI036VN(B列)，模型中閥門2前端的管道長(zhǎng)度取值為20 m，后端管道長(zhǎng)度10 m，管道直徑0.597 m。具體設(shè)置參數(shù)見表1。

圖3 分析RRI系統(tǒng)局部超壓?jiǎn)栴}的Flowmaster模型

計(jì)算設(shè)置參照對(duì)RRI系統(tǒng)倒列操作主控關(guān)閉氣動(dòng)隔離閥的過程：初始時(shí)刻EAS熱交換器冷卻水管線氣動(dòng)隔離閥全開，系統(tǒng)壓力為0.75 MPa，氣動(dòng)隔離閥在1～5 s內(nèi)快速關(guān)閉，計(jì)算時(shí)間共20 s。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

2.3 模型計(jì)算結(jié)果分析

模型計(jì)算EAS熱交換器冷卻水管線隔離閥不同關(guān)閉時(shí)間下的壓力波動(dòng)情況，圖4～圖6分別給出了控制閥關(guān)閉時(shí)間為1 s、3 s、5 s時(shí)的EAS殼側(cè)氣動(dòng)隔離閥前的壓力變化曲線，圖7～圖9分別給出了控制閥關(guān)閉時(shí)間為1 s、3 s、5 s時(shí)支路1的壓力變化曲線。

圖4 閥門關(guān)閉時(shí)間1 s時(shí)EAS氣動(dòng)隔離閥前壓力變化曲線(1 s)

圖5 閥門關(guān)閉時(shí)間3 s時(shí)EAS氣動(dòng)隔離閥前壓力變化曲線(3 s)

圖6 閥門關(guān)閉時(shí)間5s時(shí)EAS氣動(dòng)隔離閥前壓力變化曲線(5 s)

圖7 閥門關(guān)閉時(shí)間1s時(shí)支路1的壓力變化曲線(1 s)

圖8 閥門關(guān)閉時(shí)間3s時(shí)支路1的壓力變化曲線(3 s)

圖9 閥門關(guān)閉時(shí)間5s時(shí)支路1的壓力變化曲線(5 s)

根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果可以看出，閥門關(guān)閉的過程中，閥前壓力會(huì)逐漸上升，在閥門完全關(guān)閉的瞬間其前端壓力會(huì)達(dá)到峰值，然后壓力開始波動(dòng)并逐漸減小，該計(jì)算結(jié)果與項(xiàng)目前期試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致；同時(shí)其他的管線的壓力也會(huì)波動(dòng)，但是波動(dòng)的幅度小于中間的支路。

根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果分析，主控在關(guān)閉隔離閥過程中系統(tǒng)發(fā)生了水錘效應(yīng)導(dǎo)致壓力峰值超過了管道的設(shè)計(jì)壓力，即在某些工況下系統(tǒng)內(nèi)的流體流速發(fā)生急劇變化，引起了管道壓力的瞬變過程。水錘效應(yīng)是指當(dāng)打開的閥門突然關(guān)閉或給水泵停止，水流對(duì)閥門及管壁會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力，由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，水力迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用，即水力學(xué)中的“水錘效應(yīng)”，管道內(nèi)水錘具有很大的破壞性。

3 解決方案的分析以及在Flowmaster模型中的試驗(yàn)

3.1 適當(dāng)調(diào)整延長(zhǎng)氣動(dòng)隔離閥的關(guān)閉時(shí)間

比較圖4～圖6，閥門不同關(guān)閉時(shí)間下的壓力變化趨勢(shì)，隨著閥門關(guān)閉時(shí)間的延長(zhǎng)，管道的壓力峰值有明顯下降，從閥門關(guān)閉時(shí)間1 s時(shí)的壓力峰值1.3 MPa降到閥門關(guān)閉時(shí)間5 s時(shí)0.85 MPa。同時(shí)壓力波動(dòng)的頻率減緩，水錘效應(yīng)減弱。并且隨著閥門關(guān)閉時(shí)間的延長(zhǎng)，其余支路管道的壓力波動(dòng)峰值也有明顯下降，如圖7～圖9。

因此，延長(zhǎng)閥門的關(guān)閉時(shí)間是降低水錘引起管道壓力峰值的措施之一。

3.2 在支路2加裝穩(wěn)壓裝置

在支路2采取注水或者注空氣穩(wěn)壓，從而控制住系統(tǒng)中的水錘壓力震蕩，比如增設(shè)注空氣閥及空氣灌等。系統(tǒng)中安裝緩沖罐的Flowmaster計(jì)算模型，如圖10所示。安裝緩沖罐后計(jì)算得到的隔離閥前(節(jié)點(diǎn)1處)壓力隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖11所示。

可以看出：安裝緩沖罐后管道的壓力峰值降低到了0.83 MPa，能夠有效的減緩中間支路的壓力波動(dòng)，大幅降低系統(tǒng)的壓力波動(dòng)峰值。

4 解決方案的分析、選擇及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

對(duì)于3.1節(jié)方案，適當(dāng)調(diào)整延長(zhǎng)氣動(dòng)隔離閥的關(guān)閉時(shí)間。該方案無需在系統(tǒng)中增加任何設(shè)備，無需對(duì)系統(tǒng)管道布置做出任何調(diào)整，僅需要試驗(yàn)調(diào)節(jié)延長(zhǎng)氣動(dòng)閥RRI035VN(RRI A列)、RRI036VN(RRI B列)的關(guān)閉時(shí)間。

對(duì)于3.2節(jié)方案，在支路2采取注水或者注空氣穩(wěn)壓，從而控制減緩系統(tǒng)中的水錘壓力震蕩，比如增設(shè)注空氣閥及空氣灌等。但具體的穩(wěn)壓、減緩效果與所安裝緩沖罐的容積、結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)有關(guān)，該方案設(shè)計(jì)復(fù)雜。RRI系統(tǒng)為專設(shè)安全設(shè)施相關(guān)系統(tǒng)，屬核級(jí)系統(tǒng)，在EAS熱交換器殼側(cè)冷卻水管線上增設(shè)穩(wěn)壓裝置，需經(jīng)過詳細(xì)的抗震計(jì)算等論證工作，并且可能需對(duì)所增設(shè)的穩(wěn)壓灌進(jìn)行定期補(bǔ)水、補(bǔ)氣使得RRI系統(tǒng)的運(yùn)行變得復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的布置更為復(fù)雜。

綜上分析，鑒于核電站運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書未對(duì)RRI035VN