吳 磊

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100029)

0 引言

主給水系統(tǒng)是核電廠主要系統(tǒng)之一，是核電廠常規(guī)島部分與核島部分聯(lián)系的紐帶，用來(lái)向蒸汽發(fā)生器輸送通過(guò)高壓加熱器加熱的高壓給水。因此，給水管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎到整個(gè)核電廠的安全運(yùn)行。

管路中的閥門突然關(guān)閉、水泵機(jī)組突然停車等外部原因，使管內(nèi)流體的流速突然發(fā)生變化，引起管內(nèi)流體的動(dòng)量交換，導(dǎo)致管內(nèi)壓強(qiáng)急劇升高和驟然降低交替變化，這種變化以波的形式在管路內(nèi)傳遞，從而形成水錘[1]。水錘發(fā)生時(shí)，壓力可達(dá)到運(yùn)行值的數(shù)倍甚至更高，嚴(yán)重威脅設(shè)備和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。水錘現(xiàn)象引起國(guó)內(nèi)外專家的高度重視，先后提出了多種水錘的計(jì)算方法，其中主要有解析法、圖解法和數(shù)值解法。目前對(duì)于一維水錘偏微分方程組的數(shù)值求解，應(yīng)用最廣泛和有效的是特征線法[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了眾多水錘計(jì)算程序，如EASYPIPE、KEDRU、FLOTRAN等[4-5]，其中，PIPENET軟件是一款一維工程流體管路系統(tǒng)的分析軟件，其瞬態(tài)模塊具有水錘(汽錘)分析、泵閥的啟停設(shè)計(jì)、管道振動(dòng)分析、控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬、動(dòng)態(tài)力的數(shù)值計(jì)算等功能，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。

本文針對(duì)某百萬(wàn)級(jí)VVER核電機(jī)組主給水系統(tǒng)，分析其瞬態(tài)過(guò)程，確定瞬態(tài)工況，采用PIPENET軟件進(jìn)行建模，利用瞬態(tài)計(jì)算功能模擬水錘的發(fā)生及衰減過(guò)程，計(jì)算管道內(nèi)壓力、流量和波動(dòng)力的數(shù)值變化情況，為給水系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 瞬態(tài)工況及計(jì)算模型

某百萬(wàn)級(jí)VVER核電機(jī)組配置5臺(tái)定速電動(dòng)給水泵(A、B、C、D、E)，正常4臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，電動(dòng)給水泵采用彈性基礎(chǔ)。給水系統(tǒng)幾何模型見圖1。

圖1 給水系統(tǒng)幾何分析模型

給水泵為電動(dòng)定速泵，給水泵自啟動(dòng)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速僅需2.7s，根據(jù)H-Q曲線(圖2)，給水泵最小流量448 m3/h時(shí)，揚(yáng)程為1 148 m，最大流量1 926 m3/h時(shí)，揚(yáng)長(zhǎng)為895 m。根據(jù)水錘發(fā)生的機(jī)理并結(jié)合定速泵的特點(diǎn)，確定了給水泵啟動(dòng)、正常停運(yùn)、事故停運(yùn)以及主閥門事故關(guān)閉四個(gè)瞬態(tài)工況進(jìn)行分析，利用PIPENET軟件建立給水系統(tǒng)流場(chǎng)分析模型(圖3)，E泵處于管系最末端，以下瞬態(tài)分析針對(duì)E泵進(jìn)行。

圖2 給水泵H-Q曲線

圖3 給水系統(tǒng)流場(chǎng)分析模型

2 工況一：給水泵啟動(dòng)

1)計(jì)算邊界條件

①給水泵2.7 s時(shí)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速；

②再循環(huán)管道關(guān)斷閥起始處于全開狀態(tài)；

③泵出口關(guān)斷閥起始處于關(guān)閉狀態(tài)，從第5 s開始關(guān)閉；

④再循環(huán)管道關(guān)斷閥關(guān)閉與泵出口關(guān)斷閥開啟聯(lián)鎖動(dòng)作，延時(shí)差為30 s；

⑤給水泵關(guān)斷閥后邊界條件為壓力邊界條件：第1 s時(shí)，管道注滿水后的靜水壓；第5s時(shí)，壓力達(dá)到8 MPa(g)；第48 s時(shí)，壓力達(dá)到額定壓力。

2)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

由圖4、圖5可以看出，自泵開始啟動(dòng)，泵出口壓力上升，同時(shí)流量增加；經(jīng)3.7 s時(shí)泵出口壓力達(dá)到最大值；給水泵出口關(guān)斷閥開啟后，壓力下降，隨著關(guān)斷閥開度增加，泵出口壓力逐漸達(dá)到額定值。泵出口流量隨著關(guān)斷閥開度的增加而增加，達(dá)到極大值1 554 m3/h，之后流量開始減小；隨著閥門開度的不斷增大，流量增大，當(dāng)泵出口關(guān)斷閥全開，泵出口流量達(dá)到穩(wěn)定值約1 697 m3/h。

圖4 泵出口壓力—時(shí)間變化曲線

圖5 泵出口流量—時(shí)間變化曲線

由圖6可知，泵出口水平管道在泵啟動(dòng)到關(guān)斷閥打開時(shí)間段，管道出現(xiàn)較大波動(dòng)力，最大值達(dá)194.7 N。

圖6 泵出口水平管道動(dòng)態(tài)力—時(shí)間曲線

3 工況二：給水泵正常停運(yùn)

1)計(jì)算邊界條件

①泵起始處于額定負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，從第43s開始關(guān)閉；

②再循環(huán)關(guān)斷閥全程打開；

③給水泵出口關(guān)斷閥起始全開，第43 s完全關(guān)閉。

2)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖7、圖8可以看出，泵出口壓力在關(guān)斷閥即將關(guān)閉之前有所上升，隨后隨著給水負(fù)荷的出現(xiàn)將急劇下降。同時(shí)流量在泵出口關(guān)斷閥全關(guān)后迅速減小，直至停泵流量為0。

圖7 泵出口壓力—時(shí)間變化曲線

圖8 泵出口流量—時(shí)間變化曲線

由圖9可以看出，泵出口水平管道在泵出口關(guān)斷閥及再循環(huán)關(guān)斷閥全關(guān)瞬時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)力，最大值達(dá)435 N。

圖9 泵出口水平管道動(dòng)態(tài)力—時(shí)間曲線

4 工況三：給水泵事故停運(yùn)工況

1) 計(jì)算邊界條件

①給水泵緊急停運(yùn)時(shí)間0.2 s；

②再循環(huán)管道與除氧器接口邊界條件取流量條件，流量為0；

③給水泵出口關(guān)斷閥后邊界取壓力邊界條件，壓力取管系最大工作壓力94 bar(g)。

2) 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖10、圖11可以看出，自泵初始降低轉(zhuǎn)速開始，泵出口壓力逐步降低至11.56 bar(g)。泵出口流量出現(xiàn)激烈波動(dòng)，并慢慢減小。

圖10 泵出口壓力—時(shí)間變化曲線

圖11 泵出口流量—時(shí)間變化曲線

由圖12可以看出，泵出口水平管道在泵降低轉(zhuǎn)速開始出現(xiàn)激烈的波動(dòng)力，最大值達(dá)到21 665 N。管段波動(dòng)力作用對(duì)泵接口力影響較明顯，需要通過(guò)增設(shè)阻尼器吸收管系波動(dòng)力。

圖12 泵出口水平管道動(dòng)態(tài)力-時(shí)間曲線

5 工況四：給水泵出口主關(guān)斷閥事故關(guān)閉

1)計(jì)算邊界條件

①泵全程處于額定負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；

②再循環(huán)管道與除氧器接口邊界條件取流量條件，取值正常運(yùn)行工況下除氧器接口流量為零；

③給水泵出口關(guān)斷閥關(guān)閉后邊界條件取壓力條件，壓力取最大工作壓力94 bar(g)；

④給水泵出口關(guān)斷閥起始處于全開狀態(tài)，第43 s完全關(guān)閉?？刂七壿嬛?，主關(guān)斷閥事故關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)聯(lián)鎖開啟再循環(huán)管道關(guān)斷閥，本文考慮不聯(lián)鎖開啟再循環(huán)管道關(guān)斷閥。

2) 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖13、圖14可以看出，泵出口壓力在關(guān)斷閥即將關(guān)閉之前急劇增高，關(guān)斷閥完全關(guān)閉后，泵出口壓力增值最大。泵出口流量在關(guān)斷閥即將關(guān)閉之前急劇下降，關(guān)斷閥完全關(guān)閉后，泵出口流量降至0。

圖13 泵出口壓力—時(shí)間變化曲線

圖14 泵出口流量—時(shí)間變化曲線

由圖15可以看出，泵出口水平管道在泵出口關(guān)斷閥及再循環(huán)關(guān)斷閥全關(guān)瞬時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)力，最大值達(dá)到389 N。

圖15 泵出口水平管道動(dòng)態(tài)力-時(shí)間曲線

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上四個(gè)工況計(jì)算結(jié)果，給水泵事故停運(yùn)工況水錘現(xiàn)場(chǎng)最劇烈, 泵出口水平管道在泵降低轉(zhuǎn)速開始出現(xiàn)激烈的波動(dòng)力,最大值達(dá)到21 665 N，必然會(huì)對(duì)管系及泵本身造成不利影響。

主給水系統(tǒng)與核電廠運(yùn)行息息相關(guān)，主給水系統(tǒng)的安全運(yùn)行直接影響到核電廠的安全運(yùn)行，所以在核電廠日常運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)當(dāng)避免給水泵事故停運(yùn)的事故發(fā)生，另外，應(yīng)采取有關(guān)措施優(yōu)化給水管道設(shè)計(jì)，如增加阻尼器和限位，以消除水錘力對(duì)管系和設(shè)備的破壞作用。