于健 魏凌霄 黃司馬 宋宇 王林濤

【摘 要】在電站發(fā)生破口事故中，循環(huán)管路水處于氣液兩相狀態(tài)。文章針對(duì)泵在輸送氣液兩相水的性能隨著溫度的變化對(duì)含氣量和流量變化的影響進(jìn)行研究。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，泵在輸送低溫低速流體時(shí)能更好地維持其性能變化。

【關(guān)鍵詞】泵;氣液兩相;電站;性能

【中圖分類號(hào)】TH38 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）05-0064-02

0 引言

電站的安全問題是一個(gè)不容忽視的問題，尤其在事故工況下，電站的運(yùn)行狀況成為電站安全方面研究的重點(diǎn)。

當(dāng)管路發(fā)生泄漏故障但泵依然正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，管路內(nèi)流體內(nèi)的氣體比例會(huì)隨時(shí)間的延長逐漸增多，泵的性能會(huì)隨著氣體比例增大而逐漸下降，從上一個(gè)層級(jí)來看，管路內(nèi)的流體會(huì)因?yàn)楣苈沸孤┒饾u減少，冷卻水量逐步降低，但不是驟然下降，此時(shí)泵的性能下降趨勢(shì)直接關(guān)系到管路內(nèi)冷卻水量下降的速度，因此在管路內(nèi)氣體增多的工況下，研究泵的性能尤為重要，分析泵在氣液兩相下的性能，進(jìn)而得出性能曲線，據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)故障下的應(yīng)急時(shí)間余量計(jì)算及備用方案啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算。

由于泵內(nèi)充滿氣體的試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室里通過觀測(cè)和測(cè)量比較困難，而且在三維流動(dòng)環(huán)境下很難估算泵內(nèi)的實(shí)際情況，分析難度很大，在國外的文獻(xiàn)中，Kastner和Seeberger[1]，Narabayashi[2]，Chen等人[3]進(jìn)行了關(guān)于泵在輸送氣液兩相流方面的實(shí)驗(yàn)性研究，但均是針對(duì)通過比例縮放的模型進(jìn)行分析，并且所用的工質(zhì)是普通的水和普通的空氣，無法準(zhǔn)確模擬高溫及汽化水情況下水泵的性能發(fā)揮情況。

本文的水泵工況是在泵內(nèi)溫度、氣體含量、流量發(fā)生變化時(shí)，分析在該工況下泵的性能，據(jù)此判斷整個(gè)系統(tǒng)冷卻水量的變化情況。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 氣液兩相雙流體模型基本方程

1.2 基本假設(shè)

（1）循環(huán)泵在循環(huán)管路中已經(jīng)出現(xiàn)兩相流狀態(tài)下運(yùn)行，液體為不可壓縮液體，氣體為不可壓縮水蒸氣。

（2）假設(shè)氣泡直徑較小，可以忽略氣泡對(duì)流場(chǎng)的影響，氣泡間不發(fā)生破碎。

（3）氣液兩相相間無熱量交換發(fā)生，系統(tǒng)內(nèi)無化學(xué)反應(yīng)。

（4）進(jìn)口處氣體在液相中分布均勻，進(jìn)口氣液兩相具有相同的運(yùn)動(dòng)速度。

2 循環(huán)泵模型及邊界條件給定

分別對(duì)溫度T=280 ℃、300 ℃、320 ℃，進(jìn)口含氣率vf=4%、6%、8%、10%、15%、20%時(shí)，水泵通過數(shù)值仿真計(jì)算得到的性能計(jì)算結(jié)果。進(jìn)口給定速度進(jìn)口，出口為壓力出口，根據(jù)不同溫度分別給定為11.1 MPa、8.58 MPa、6.4 MPa。氣液兩相介質(zhì)的密度和動(dòng)力黏度別為在不同出口壓力下接近沸點(diǎn)的密度和動(dòng)力黏度。同時(shí)，沸點(diǎn)的溫度認(rèn)為是氣液兩相流的研究溫度，具體參數(shù)見表1。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 水溫度對(duì)循環(huán)泵揚(yáng)程的影響

電站在發(fā)生失水事故后，由于水無法完全帶走堆芯所產(chǎn)生的熱量，水溫度不斷上升，所以本文取不同溫度下飽和工況點(diǎn)做分析，針對(duì)每個(gè)工況點(diǎn)，分別取循環(huán)泵進(jìn)口含氣率為4%、6%、8%、10%、15%、20%時(shí)的揚(yáng)程進(jìn)行分析。如圖1所示，隨著含氣量的增大，循環(huán)泵揚(yáng)程隨含氣量增加而下降。氣相在循環(huán)泵內(nèi)滯留得越多，主流道的通流面積越小，加速了主流道液相的流動(dòng)速度，從而降低了循環(huán)泵泵水的能力。

3.2 進(jìn)口流量對(duì)循環(huán)泵輸送氣液兩相流的影響

圖2為循環(huán)泵在溫度為320 ℃，進(jìn)口流量分別為額定流量的0.8、1.0、1.2倍時(shí)的揚(yáng)程隨含氣量變化的曲線圖。由圖2可以看出，在3種不同流量下的循環(huán)泵揚(yáng)程，都隨著含氣量的增加而下降。當(dāng)電站發(fā)生失水事故之后，電站循環(huán)管路中水外泄，水動(dòng)力不足，循環(huán)泵入口流量減小，但也增大了循環(huán)泵的揚(yáng)程，在氣液兩相工況下，循環(huán)泵性能會(huì)隨著含氣量的逐步降低而降低。

4 結(jié)語

通過對(duì)在氣液兩相流工況下循環(huán)泵性能的研究，很好地預(yù)測(cè)了循環(huán)泵在事故工況下的性能變化。在氣液兩相工況下，循環(huán)泵在輸送低溫低速流體時(shí)能更好地維持其性能。3種不同流量下的循環(huán)泵揚(yáng)程曲線比較相似，但都是隨著含氣量的增多而下降。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Kastner W，Seeberger J.Pump behaviour and ite i-mpact on a loss-of-coolant accident in a pressuriz-ed water reactor[J].Nucl Technol，1983（60）：268-277.

[2]Chan A M C，Barreca S L，Hartlen RT.An Exper-imental Study of Centifugal Pump Performance Under Steam-Water Two-Phase Flow Conditions at Elevated Pressures，Cavitation Multiphase Flow Forum[J].ASME FED，1991（109）：111-117.

[3]Chen T H，Quapp W J.Centrifugal Pump Perform-ance Under Simulated Two-Phase Flow Conditions，Polyphase Flow and Transport Technology[J].AS-ME，1980：175-184.

[4]Li Liang，Wang Xiao-fang.Numerical Investigation on the Interaction between the Volute and Diffuser with Different Outlet Angles in Nuclear Main Pump[Z].sia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，APPEEC，2010.

[5]Liu X，Liu J，Wang D.Yang，Test Study on safet-y features of station blackout accident for nuclear main pump[J].Atomic Energy Science and Techno-logy，43（5）：448-451.

[6]于健.小破口事故工況下核主泵性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.