張銘洋，岳奕彤

(核電運(yùn)行研究(上海)有限公司，上海 200126)

主給水系統(tǒng)是核電廠重要熱力系統(tǒng)之一，承擔(dān)向蒸汽發(fā)生器輸送給水并控制二次側(cè)水位等功能。作為主給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，水力計(jì)算是給水泵揚(yáng)程計(jì)算、支管流量分配預(yù)測、給水調(diào)節(jié)閥選型等工作的先決條件。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，水力計(jì)算大多采用電子表格形式，缺少直觀圖形交互界面，復(fù)雜管系布置難以真實(shí)映射，多工況計(jì)算工作量較大，且輸出結(jié)果單一，無法快速提取系統(tǒng)內(nèi)任意目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)參數(shù)。使用AFT Fathom專業(yè)仿真軟件對核電廠主給水系統(tǒng)建模并開展水力計(jì)算，能夠有效規(guī)避上述問題，提升計(jì)算精度和深度，并實(shí)現(xiàn)更為全面的系統(tǒng)參數(shù)預(yù)測，對核電廠精細(xì)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 主給水系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)描述

本文以某VVER核電機(jī)組主給水系統(tǒng)為研究對象。該系統(tǒng)配置一臺除氧器、五臺定速給水泵(5×25%容量，四運(yùn)一備)、兩列高壓加熱器，給水最終進(jìn)入四臺蒸汽發(fā)生器，核島與常規(guī)島的設(shè)計(jì)分界位于給水調(diào)節(jié)閥前。圖1為VVER核電機(jī)組主給水系統(tǒng)流程示意圖。

圖1 主給水系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 The main feedwater system diagram1-除氧器；2-低壓給水隔離閥；3-濾網(wǎng)；4-給水泵；5-流量測量裝置；6-泵出口止回閥；7、8-泵出口隔離閥；9-高加入口隔離閥；10-6號高加；11-7號高加；12-高加出口隔離閥；13、14、15-給水調(diào)節(jié)閥組；16-蒸汽發(fā)生器入口止回閥；17、18、19-給水泵再循環(huán)閥組；20-蒸汽發(fā)生器；21-泵出口母管；22-蒸汽發(fā)生器前母管

1.2 模型搭建

AFT Fathom是一款輕量級流體模擬分析軟件，近年來在核能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和驗(yàn)證，包括ITER(國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆)裝置冷卻水系統(tǒng)水力分析[1]、AP1000核電機(jī)組IRWST低壓安注系統(tǒng)設(shè)計(jì)核算[2]、濱海核電站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化[3]等項(xiàng)目均使用該軟件開展工作。本文根據(jù)VVER核電機(jī)組主給水系統(tǒng)流程，使用AFT Fathom軟件搭建水力計(jì)算模型。對于VVER核電機(jī)組，通常由核島設(shè)計(jì)方提出主給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)分界處的壓力要求，常規(guī)島設(shè)計(jì)方據(jù)此開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，因此本文基礎(chǔ)模型范圍與常規(guī)島設(shè)計(jì)范圍一致。

使用AFT Fathom工程元件庫搭建主給水系統(tǒng)主要設(shè)備和閥門模型：

1)使用壓力元件(Assigned Pressure)模擬除氧器和跨島設(shè)計(jì)分界；

2)使用過濾元件(Screen)模擬給水泵入口濾網(wǎng)；

3)使用定速離心泵元件(Centrifugal Pump-fixed Speed)模擬給水泵；

4)使用熱交換器元件(Heat Exchanger)模擬高壓加熱器；

5)使用控制閥元件(Control Valve)模擬給水調(diào)節(jié)閥。

AFT Fathom具備管件簡化功能，即在不影響模擬結(jié)果的前提下將多個(gè)連續(xù)同類管件簡化為一個(gè)，但為了精確模擬系統(tǒng)各空間位置的參數(shù)變化，本文按照該機(jī)組實(shí)際三維布置將每個(gè)管道直段和管件錄入模型。圖2為水力計(jì)算模型。

圖2 水力計(jì)算模型Fig.2 The hydraulic calculation model

TMCR工況(即汽輪機(jī)最大連續(xù)功率工況)是主給水系統(tǒng)水力計(jì)算的基準(zhǔn)工況，因此模型的主要邊界條件和介質(zhì)參數(shù)均按該機(jī)組TMCR工況輸入，詳見表1。系統(tǒng)元件參數(shù)均按該機(jī)組實(shí)際情況輸入：閥門Kv值按TMCR工況實(shí)際參數(shù)輸入；流量測量裝置壓降按壓降-流量曲線輸入；濾網(wǎng)阻力按壓差報(bào)警定制保守輸入；高加阻力按阻力-流量曲線輸入。需要指出的是，根據(jù)GB/T 50958—2013《核電廠常規(guī)島設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]要求，在使用TMCR工況給水流量計(jì)算管道阻力時(shí)，應(yīng)對阻力另加20%裕量，然而目前絕大部分一維流體仿真軟件(包括AFT Fathom在內(nèi))均不支持用戶自定義阻力裕量?？紤]到給定管道的流動阻力與介質(zhì)流速(或流量)的平方成正比[5]，此處將給水流量按TMCR工況的1.1倍輸入模型，則管道流動阻力變?yōu)門MCR工況的1.21倍，符合規(guī)范要求。

表1 介質(zhì)參數(shù)和邊界條件Table 1 Medium parameters and boundary conditions

2 給水泵揚(yáng)程計(jì)算

2.1 計(jì)算依據(jù)

給水泵是主給水系統(tǒng)重要設(shè)備之一，準(zhǔn)確的揚(yáng)程計(jì)算是給水泵選型的必要條件。根據(jù)GB/T 50958—2013《核電廠常規(guī)島設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]要求，給水泵的揚(yáng)程應(yīng)按下列各項(xiàng)之和計(jì)算：

1)從除氧器給水箱出口到常規(guī)島與核島主給水設(shè)計(jì)分界點(diǎn)處的管道介質(zhì)流動阻力，另加20%裕量。計(jì)算阻力時(shí)，流量應(yīng)按機(jī)組TMCR工況的給水消耗量；

2)從除氧器給水箱出口到常規(guī)島與核島主給水設(shè)計(jì)分界點(diǎn)處之間的設(shè)備阻力；

3)常規(guī)島與核島主給水設(shè)計(jì)分界點(diǎn)處標(biāo)高與除氧器給水箱正常水位間的水柱靜壓差；

4)核島在常規(guī)島與核島主給水設(shè)計(jì)分界點(diǎn)處要求的給水壓力；

5)除氧器在機(jī)組TMCR工況下的工作壓力(取負(fù)值)。

圖3為給水泵揚(yáng)程計(jì)算示意圖，式(1)為給水泵揚(yáng)程計(jì)算公式(單位m)。

圖3 給水泵揚(yáng)程計(jì)算示意圖Fig.3 Calculation of the feedwater pump headH=h3+(h2-h1)+Δh設(shè)1+Δh設(shè)2+1.2Δh管-h0

2.2 揚(yáng)程計(jì)算

給水泵揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，四臺運(yùn)行給水泵的揚(yáng)程沿給水流動方向依次減小，即靠近泵出口母管上游的給水泵D揚(yáng)程最大(923.4 m)，靠近泵出口母管下游的給水泵A揚(yáng)程最小(922.2 m)；四臺泵揚(yáng)程平均值為923.0 m，四臺泵中最大揚(yáng)程偏差絕對值為|922.2-923|/923=0.09%，對給水泵選型影響較小。四臺給水泵的揚(yáng)程存在略微差異，主要是由于靠近泵出口母管上游的支管接入點(diǎn)與母管出口距離不同，支管內(nèi)的給水需克服的流動阻力(主要來自母管及其上各個(gè)三通，詳見圖5)不同。

表2 給水泵揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of pump head calculation

圖4 局部模型(給水泵)Fig.4 Partial model (feedwater pumps)

J81、J62、J43、J23-泵出口母管上的四個(gè)三通(從上游至下游)圖5 泵出口母管內(nèi)的給水壓力和流量隨沿程流動方向的變化Fig.5 Change of feedwater pressure and flowrate along the flow in pump outlet header

為驗(yàn)證AFT Fathom計(jì)算結(jié)果的可靠性，使用傳統(tǒng)表格法對該機(jī)組主給水系統(tǒng)水力計(jì)算開展獨(dú)立驗(yàn)證。結(jié)果表明，傳統(tǒng)表格法計(jì)算的給水泵揚(yáng)程為920.0 m，AFT Fathom計(jì)算的給水泵揚(yáng)程為923.4 m(取最大值)，兩者偏差僅為0.3%，證明了AFT Fathom水力計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 流量分配和調(diào)節(jié)閥選型

流量分配偏差是并聯(lián)水管路的常見問題，與母管和支管管徑比、雷諾數(shù)[6]、各支管靜壓分布[7]、三通型式[8]、局部渦流損失[9]等因素相關(guān)。VVER核電機(jī)組設(shè)有四臺蒸汽發(fā)生器，給水需通過四個(gè)并聯(lián)支管分別進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，以TMCR工況為輸入條件，基于圖2的水力計(jì)算模型模擬蒸汽發(fā)生器前母管上各個(gè)三通處的靜壓分布和支管流量分配，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 蒸汽發(fā)生器前母管三通處靜壓分布Table 3 Static pressure distribution at tees in the upstream header of the SG

表4 給水支管流量分配Table 4 Flow distribution in branch pipes

從蒸汽發(fā)生器前母管上游開始，四個(gè)三通(從A到D)的入口靜壓逐漸增大，由于支管終端已根據(jù)跨島設(shè)計(jì)分界壓力條件定義為恒定壓力源(8.570 MPa.a)，則導(dǎo)致四個(gè)支管(從A到D)的前后壓差逐漸增大，通過的給水流量也相應(yīng)增大，支管A和支管D的流量分配偏差已達(dá)到175 m3/h。然而在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，一般維持四臺蒸汽發(fā)生器的給水流量和入口壓力相同。優(yōu)化管徑比和三通型式能夠在一定程度上減小流量分配偏差，但仍需使用給水調(diào)節(jié)閥精確控制以實(shí)現(xiàn)流量平衡。

給水調(diào)節(jié)閥選型通常需要多個(gè)運(yùn)行工況(包含TMCR工況)的流量和閥門前后壓差等參數(shù)。將蒸汽發(fā)生器前給水支管和給水調(diào)節(jié)閥錄入水力模型，見圖6。以該機(jī)組TMCR、75%TMCR和50%TMCR工況為例(分別代表4臺、3臺、2臺給水泵投入運(yùn)行的工況)，輸入支管流量邊界和閥后壓力邊界(7.000 MPa.a)，模擬給水調(diào)節(jié)閥前后壓差，結(jié)果如表5～表7所示。

圖6 局部模型(給水調(diào)節(jié)閥)Fig.6 Partial model (feedwater control valves)

表5 給水調(diào)節(jié)閥前后壓差(TMCR工況)Table 5 Differential pressures in feedwater control valves (TMCR)

表6 給水調(diào)節(jié)閥前后壓差(75%TMCR工況)Table 6 Differential pressures in feedwater control valves (75%TMCR)

表7 給水調(diào)節(jié)閥前后壓差(50%TMCR工況)Table 7 Differential pressures in feedwater control valves (50%TMCR)

在不同負(fù)荷下，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差根據(jù)系統(tǒng)流量和阻力特性發(fā)生變化；在相同負(fù)荷下，為了維持四臺蒸汽發(fā)生器流量平衡，不同給水調(diào)節(jié)閥的前后壓差因其所在支管的始端靜壓分布而發(fā)生變化，變化規(guī)律與表3數(shù)據(jù)相吻合，即從蒸汽發(fā)生器前母管上游開始，四個(gè)給水調(diào)節(jié)閥(從A到D)的前后壓差逐漸增大。以上數(shù)據(jù)可作為給水調(diào)節(jié)閥選型的邊界條件。除機(jī)組負(fù)荷變化外，使用該水力模型還可模擬包括高加切除、蒸汽發(fā)生器啟動注水和預(yù)熱等在內(nèi)的其他非額定工況，提高給水調(diào)節(jié)閥選型精度。

4 結(jié)語

作為核電廠重要熱力系統(tǒng)之一，主給水系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。本文以某VVER核電機(jī)組主給水系統(tǒng)為例，使用AFT Fathom專業(yè)仿真軟件按實(shí)際系統(tǒng)流程和布置搭建了水力計(jì)算模型，對給水泵揚(yáng)程計(jì)算、支管流量分配和給水調(diào)節(jié)閥選型等問題開展了仿真模擬和分析，結(jié)論和建議如下：

1)同步計(jì)算了所有給水泵的揚(yáng)程(計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)表格法偏差極小)，并反映出并聯(lián)泵的揚(yáng)程差異。需注意調(diào)整模型的流量參數(shù)以滿足規(guī)范對管道阻力裕量的要求。

2)并聯(lián)給水支管流量分配偏差的直接原因是各個(gè)支管兩端的壓差不同。在終端壓力邊界確定的情況下，始端(蒸汽發(fā)生器前母管三通)靜壓分布顯著影響流量分配。

3)為維持四臺蒸汽發(fā)生器的流量平衡，需在給水支管設(shè)置給水調(diào)節(jié)閥?；诜抡婺M技術(shù)，以不同工況下給水調(diào)節(jié)閥前后壓差，以及相同工況下各支管給水調(diào)節(jié)閥壓差為輸入，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)。