非能動先進核電廠主給水管道水錘模擬計算

盛美玲，田衛衛，丘錦萌，李 軍，于 沛

（中國核電工程有限公司 系統與布置設計所，北京 100840）

主給水系統是核電廠二回路的重要組成部分，主要用以保證蒸汽發生器的冷卻，主給水管道作為其中重要的壓力管道，直接向蒸汽發生器提供所需溫度、壓力和流量的給水［1］。在壓力管道中，當某些工況下流體流速發生急劇變化，會引起瞬時壓力顯著變化，即發生水錘現象，對系統的使用和運行造成危害［2-3］。因此，研究水錘對主給水管道的影響是主給水系統設計的重要內容。

據統計，自1961年到1985年美國核電廠發生的水錘事故，有78%出現在二回路，且多數出現在主給水系統上［4］。主給水系統是一個復雜的系統，其中主給水管道上的設備有主給水泵、主給水隔離閥、主給水調節閥、主給水止回閥及相關的測量儀表。針對這樣的系統不可能進行水錘試驗，因此水錘的模擬計算非常重要。PIPENET 軟件是目前先進可靠的管網流體計算與分析軟件，可用以進行管網系統計算和優化、設備選型及事故時水錘分析［5］。主給水隔離閥的快關和主給水泵的關閉，會產生水錘現象。本文以非能動先進核電廠主給水系統的設計為例，通過PIPENET 軟件的瞬態計算功能對主給水管道的水錘現象進行模擬計算，分析主給水隔離閥不同的關閉形式、不同的關閉時間及主給水泵不同的關閉時間對管道內水錘壓力和載荷的影響。

1 計算模型

1.1 管網模型

對非能動先進核電廠的主給水系統建立PIPENET 管網模型（圖1），選取從主給水泵到蒸汽發生器的主給水管道作為研究對象，主要設備有主給水泵、主給水調節閥、主給水隔離閥、主給水止回閥及蒸汽發生器，由于主給水隔離閥存在快關要求、主給水泵存在失效可能，本文主要分析主給水隔離閥的快關和主給水泵的關閉對管道水錘的影響。

圖1 主給水管道PIPENET 管網模型Fig.1 PIPENET network model of main feedwater line

1.2 管道尺寸

針對主給水泵到蒸汽發生器的主給水管道，PIPENET在計算時分為12段管線，每段管線的布置如圖1所示，每段管線的長度列于表1，這些管道的外徑均為508mm，內徑為456mm。

1.3 初始條件

在進行瞬態計算前，需做如下假設：1）主給水隔離閥處于全開；2）主給水系統運行在正常工況，即主給水流量為955kg／s、溫度為500K；3）蒸汽發生器側壓力維持在5.9 MPa（絕壓）；4）主給水泵的特性曲線如圖2所示；5）主給水調節閥、主給水隔離閥、主給水止回閥的阻力特性為穩態計算結果。

表1 主給水管道長度Table 1 Length of main feedwater line

圖2 主給水泵的特性曲線Fig.2 Characteristic curve of main feedwater pump

2 水錘計算分析

2.1 穩態計算

利用上述的計算模型和假設條件，可得到主給水系統在穩定運行時的相關結果（表2）。根據穩態計算結果得到的泵前入口壓力及主給水調節閥、主給水隔離閥和主給水止回閥的阻力系數（K 系數），均作為瞬態計算時的輸入條件之一。

表2 穩態計算結果Table 2 Result of steady calculation

2.2 主給水隔離閥關閉形式

1）主給水隔離閥的行程-時間曲線

主給水隔離閥的執行機構有電動型、氣壓／液壓型等不同的類型，不同的執行機構則對應不同的關閉形式，一般常見的閥門行程隨時間的變化曲線有3種，即勻速關閉、先快后慢、先慢后快（圖3）。由于在PIPENET 軟件中，對閥門關閉形式的設置是根據閥門關閉時截面積隨時間的變化，因此將閥門的行程隨時間的變化曲線轉換為閥門的關閉截面積隨時間的變化曲線（圖4）。

圖3 主給水隔離閥行程-時間曲線Fig.3 Stroke-time curve of main feedwater isolation valve

圖4 主給水隔離閥關閉截面積-時間曲線Fig.4 Closing area-time curve of main feedwater isolation valve

2）計算結果及分析

通過PIPENET 軟件對上述3種主給水隔離閥關閉截面積隨時間的變化曲線進行計算，可得到不同關閉形式下，主給水管道出現的最大水錘壓力和載荷（表3），最大水錘載荷隨時間的變化曲線示于圖5。

表3 主給水管道最大水錘壓力和載荷Table 3 Maximum water hammer pressure and force in main feedwater line

圖5 最大載荷隨時間的變化Fig.5 Maximum force vs time

以上結果表明，主給水隔離閥在關閉時選擇先快后慢的方式，對管道造成的水錘影響最小。對于主給水隔離閥不同的關閉形式造成的水錘載荷差距較大（先慢后快的關閉形式產生的水錘載荷是先快后慢的關閉形式產生水錘載荷的6.5倍），因此在對主給水隔離閥進行設備選型時，需考慮閥門關閉形式對主給水系統的水錘影響。

2.3 主給水隔離閥關閉時間

主給水的隔離功能主要通過主給水隔離閥實現，為防止在嚴重工況下流體從隔離閥的任何一側破口流出，主給水隔離閥要求在一定的時間內關閉，如5s內快關。但閥門較快關閉會對管道產生較大的瞬時壓力，因此需分析主給水隔離閥在快關時對管道水錘的影響，以便更好地選擇關閉時間。本文對主給水隔離閥在1～7s之間快關時的水錘壓力和載荷進行分析，得到水錘與閥門關閉時間的關系曲線示于圖6。可看出，主給水隔離閥關閉時間越緩慢，產生的管道水錘壓力和載荷越小；主給水隔離閥的關閉時間僅相差6s，水錘載荷卻相差近7倍，水錘壓力也從6.7 MPa增大至11.5 MPa，可見閥門的快關時間對管道水錘有較大的影響；在主給水隔離閥關閉時間為1s時，水錘載荷達260kN、水錘壓力達11.5 MPa，對管道的應力和設計壓力的影響均不能忽略。

圖6 水錘與主給水隔離閥關閉時間的關系Fig.6 Relationship between water hammer and closing time of main feedwater isolation valve

2.4 主給水泵關閉時間

主給水系統主要依靠主給水泵供水，主給水泵的跳閘、失效或關閉不僅會引起主給水流量喪失，也會對主給水管道造成水錘沖擊。主給水泵的關閉時間可能從幾秒到幾十秒。本文對主給水泵關閉時間在5～20s之間進行了水錘計算，水錘壓力和載荷變化趨勢示于圖7。可看出，主給水泵的關閉時間越長，產生的管道水錘壓力和載荷越小；主給水泵的關閉時間相差15s時，水錘壓力僅有0.3 MPa的差距，水錘載荷僅相差2.5倍，與主給水隔離閥不同快關時間引起的水錘相比，差距較小；即使主給水泵在5s 內關閉，產生的水錘載荷也只有17kN，遠小于主給水隔離閥快關引起的水錘載荷。

圖7 水錘與主給水泵關閉時間的關系Fig.7 Relationship between water hammer and closing time of main feedwater pump

3 結論

針對主給水系統經常出現的水錘現象，本文通過PIPENET 軟件對非能動先進核電廠的主給水系統進行水錘模擬計算，建立從主給水泵到蒸汽發生器之間長約53m、直徑0.5m 的主給水管道管網模型，分析主給水隔離閥不同關閉形式、不同關閉時間和主給水泵不同關閉時間下，管道內水錘壓力和水錘載荷的變化。計算結果表明，主給水隔離閥的關閉時間越緩慢、主給水泵關閉時間越長，主給水管道內的水錘壓力和載荷越小；且主給水隔離閥的關閉時間僅相差6s，水錘載荷卻相差近7倍，水錘壓力增大4.8 MPa；主給水泵的關閉時間相差15s，水錘載荷僅相差2.5倍，水錘壓力僅增大0.3 MPa；主給水泵關閉引起的水錘壓力和載荷遠小于主給水隔離閥快關引起的水錘壓力和載荷；主給水隔離閥不同的關閉形式造成的水錘載荷差距可達到6.5倍，選擇行程-時間曲線為先快后慢的類型，產生的水錘壓力和載荷最小。對于主給水泵的關閉和主給水隔離閥的快關產生的水錘載荷，在主給水管系載荷計算中需考慮。

［1］ 廣東核電培訓中心.900 MW 壓水堆核電站系統與設備［M］.北京：原子能出版社，2007：346-353.

［2］ 王鑫，韓偉實.壓水堆核電廠主給水管道水錘計算及分析［J］.原子能科學技術，2010，44（增刊）：192-197.WANG Xin，HAN Weishi.Water hammer cal-culation and analysis in main feedwater system of PWR nuclear power plants［J］.Atomic Energy Science and Technology，2010，44（Suppl.）：192-197（in Chinese）.

［3］ 胡志敏，王葦，孟海波.核動力裝置二回路給水系統水錘動態計算分析［J］.船海工程，2007，36（3）：90-93.HU Zhimin，WANG Wei，MENG Haibo.A dynamic analysis of second loop water hammers in the water supply of a nuclear power plant［J］.Ship &Ocean Engineering，2007，36（3）：90-93（in Chinese）.

［4］ 王學芳，葉宏開，湯榮銘，等.工業管道中的水錘［M］.北京：科學出版社，1995：243-244.

［5］ 張克雄，毛偉志，陳好，等.PIPENET 水力分析在曹妃甸改造項目中的應用研究［J］.化工技術與開發，2011，40（5）：50-52.ZHANG Kexiong，MAO Weizhi，CHEN Hao，et al.Application of pipenet hydraulic analysis in CFD platform［J］.Technology &Development of Chemical Industry，2011，40（5）：50-52（in Chinese）.