王 濤 李國(guó)棟 劉 謙

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百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電廠重要廠用水系統(tǒng)(SEC)的主要功能是對(duì)設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)進(jìn)行冷卻,將一回路的熱負(fù)荷輸送至海水中[1]。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,采用二階緩閉止回閥后,系統(tǒng)仍多次發(fā)生停泵關(guān)閥水錘現(xiàn)象,使止回閥后壓力開(kāi)關(guān)頻繁閃發(fā)高壓信號(hào),系統(tǒng)出現(xiàn)壓力波動(dòng)。水錘現(xiàn)象的發(fā)生使SEC設(shè)備存在破損風(fēng)險(xiǎn),機(jī)組存在熱損傷風(fēng)險(xiǎn),因此有必要對(duì)停泵關(guān)閥水錘多發(fā)的原因進(jìn)行分析。

1 分析方法

水錘是壓力管道內(nèi),因介質(zhì)流速的劇烈變化而引起的一系列急劇的流速－壓力交替變化的水力沖擊現(xiàn) 象[2]。根據(jù)水錘的運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律和連續(xù)原理通過(guò)微積分方法對(duì)其進(jìn)行描述,即水錘的基本方程：運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程。

運(yùn)動(dòng)方程為：

連續(xù)方程為：

式中：H 為系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)因水錘而產(chǎn)生的瞬態(tài)壓頭,m;V 為系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)因水錘而產(chǎn)生的瞬態(tài)流速,m/s;f為系統(tǒng)介質(zhì)的沿程阻力系數(shù);D 為管道直徑,m;a為水錘波速,m/s;g為重力加速度,m/s2;x為水錘波傳播的距離,m;t為水錘波傳播的時(shí)間,s。

采用PIPENET 管網(wǎng)流體分析軟件的瞬態(tài)模塊,將水錘基本方程轉(zhuǎn)化為一定條件下的常微分方程,運(yùn)用特征線積分得到有限差分方程后再進(jìn)行水錘方程求解。

根據(jù)系統(tǒng)流程建立PIPENET 軟件分析模型,在分析模型中模擬SEC在二階緩閉止回閥不同關(guān)閉時(shí)間的壓力變化情況,二階緩閉止回閥不同的運(yùn)行工況見(jiàn)表1。二階緩閉止回閥可分別設(shè)定一階和二階關(guān)閉時(shí)間,總關(guān)閉時(shí)間不超過(guò)5 s。

表1 止回閥運(yùn)行工況表

2 工況分析

(1)工況1。工況1對(duì)應(yīng)止回閥無(wú)關(guān)閉時(shí)泵內(nèi)流量及轉(zhuǎn)速變化情況。根據(jù)設(shè)定泵在第10 s停運(yùn),停泵約7.5 s后(即第17.5 s后)系統(tǒng)流體開(kāi)始倒流、停泵約11 s后(即第21 s后)泵開(kāi)始出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

(2)工況2。采用PIPENET 軟件分析止回閥運(yùn)行工況2,系統(tǒng)停泵關(guān)閥后13 s左右,標(biāo)高＋8.5 m 的壓力測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)首個(gè)高壓力波動(dòng),壓力值為127.5 k Pa,超出測(cè)壓開(kāi)關(guān)的觸發(fā)值。

(3)工況3。采用PIPENET 軟件分析止回閥運(yùn)行工況3,系統(tǒng)停泵關(guān)閥后10.5 s左右,標(biāo)高＋8.5 m 壓力測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)首個(gè)高壓力波動(dòng),壓力值達(dá)250.1 kPa,超出測(cè)壓開(kāi)關(guān)的觸發(fā)值。

(4)工況4。采用PIPENET 軟件分析止回閥運(yùn)行工況4,系統(tǒng)停泵關(guān)閥后11.5 s左右,標(biāo)高＋8.5 m 壓力測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)首個(gè)高壓力波動(dòng),壓力值達(dá)49 k Pa左右,略超出測(cè)壓開(kāi)關(guān)的觸發(fā)值。

(5)工況5。采用PIPENET 軟件分析止回閥運(yùn)行工況5,系統(tǒng)停泵關(guān)閥后12 s左右,標(biāo)高＋8.5 m 壓力測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)首個(gè)高壓力波動(dòng),壓力值達(dá)39.2 kPa左右,略低于測(cè)壓開(kāi)關(guān)的觸發(fā)值。

3 結(jié)果分析

二階緩閉止回閥在系統(tǒng)流體倒流后開(kāi)始關(guān)閉,結(jié)合止回閥在不同關(guān)閉時(shí)間下的壓力變化情況,SEC 停泵后系統(tǒng)流態(tài)變化過(guò)程和閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程如圖1所示。

系統(tǒng)內(nèi)水錘的根本原因是流體流態(tài)的突變進(jìn)而造成的動(dòng)量改變。

閥門(mén)關(guān)閉第1個(gè)階段,止回閥在系統(tǒng)內(nèi)主要起減小倒流流量的作用,一般要求其快關(guān)以減少后續(xù)流體倒流,防止泵設(shè)備飛逸反轉(zhuǎn)破壞,并且希望其在停泵后系統(tǒng)流體正流過(guò)程中即開(kāi)始動(dòng)作,目的是減小第二階關(guān)閥時(shí)流體倒流的起始速度,進(jìn)而降低第二階關(guān)閉引起的流體動(dòng)量突變量;閥門(mén)關(guān)閉第2個(gè)階段,止回閥在系統(tǒng)內(nèi)主要起減小系統(tǒng)內(nèi)流體流態(tài)突變降低系統(tǒng)水錘的作用,因此希望閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間盡可能延長(zhǎng)而達(dá)到系統(tǒng)水錘壓力波最低的目的。

圖1 模擬無(wú)閥條件下停泵后的系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上分析,SEC出現(xiàn)停泵關(guān)閥水錘的原因?yàn)椋憾A緩閉止回閥在系統(tǒng)流體倒流后開(kāi)始關(guān)閉,同時(shí)第二階分配時(shí)間調(diào)節(jié)不合理造成流體動(dòng)量變化大,形成了明顯的停泵關(guān)閥水錘。據(jù)此制定預(yù)防措施如下：

(1)計(jì)算系統(tǒng)管路承壓能力,調(diào)整止回閥第一階動(dòng)作起始時(shí)間。

(2)調(diào)整止回閥二階動(dòng)作分配時(shí)間：延長(zhǎng)第二階關(guān)閉時(shí)長(zhǎng),同時(shí)分析倒流反轉(zhuǎn)和系統(tǒng)瞬態(tài)壓力的關(guān)系,合理設(shè)置第一階的關(guān)閉時(shí)間。