正常余熱排出泵汽蝕原因分析

莊亞平，馬柏松

(山東核電有限公司，山東 海陽 265116)

三通是流體管網(wǎng)系統(tǒng)的普通但不可或缺的部件，在流體輸配管網(wǎng)系統(tǒng)中，三通部分的局部阻力占了較大比例，其性能影響系統(tǒng)綜合性能。隨著核電機組的容量加大和非能動的廣泛應用，三通的局部阻力影響越發(fā)顯得重要。圍繞三通局部阻力，國內(nèi)外學者已進行了大量試驗和理論研究，這些研究多針對管徑在100 mm以下的三通，而對管徑在100 mm以上的三通研究較少[1]，且實驗數(shù)據(jù)和發(fā)布的公式計算的阻力系數(shù)存在顯著差異。

某三代非能動核電廠正常余熱排出系統(tǒng)(縮寫RNS)作為非安全相關(guān)的輔助系統(tǒng)進行配置和設(shè)計，但出于對核安全縱深防御和電廠經(jīng)濟性保護等因素的考慮，該系統(tǒng)還是被賦予了大量避免專設(shè)安全設(shè)施不必要啟動的縱深防御功能和出于電廠投資保護的重要非安全相關(guān)功能[2]。RNS主要用于機組停堆后導出堆芯和反應堆冷卻劑系統(tǒng)的熱量，還用于冷卻各種與之相連的水池以及提供凈化和下泄通道，在事故工況下，還可以用來為反應堆冷卻劑系統(tǒng)提供非安全相關(guān)低壓注射[3]，RNS系統(tǒng)管道上設(shè)計有多個三通。

機組預運行試驗期間，針對RNS的各種運行工況及功能開展了試驗，以驗證系統(tǒng)滿足設(shè)計功能要求和泵的設(shè)計要求。進行半管運行試驗時，雙泵運行沒有達到設(shè)計最小流量，出現(xiàn)泵汽蝕現(xiàn)象。本文對發(fā)生汽蝕的原因開展分析研究，為后續(xù)項目優(yōu)化設(shè)計提供指導。

1 RNS泵汽蝕問題

1.1 系統(tǒng)配置

RNS由兩個并聯(lián)序列組成，每一序列包括一臺泵和一臺換熱器。兩個序列共用一根入口母管，此出口母管在安全殼內(nèi)分為并聯(lián)的兩列支管，每列支管上設(shè)有兩個常關(guān)的電動隔離閥。RNS除了正常冷卻功能外，還有乏燃料池冷卻、安全殼內(nèi)置換料水箱冷卻、化學與容積控制系統(tǒng)凈化、裝料池循環(huán)、低壓安注等非安全相關(guān)功能，管道分別接到RNS出入口母管[4]。泵入口母管道配置如圖1的簡圖所示。

圖1 RNS泵入口管道流程簡圖

1.2 半管運行

反應堆正常停堆冷卻過程，第一階段由蒸汽發(fā)生器(SG)進行冷卻，設(shè)計要求反應堆停堆后4 h內(nèi)，SG能冷卻一回路至177 ℃以下，切入RNS進行第二階段冷卻。停堆后大約96 h后反應堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)溫度可以降到52 ℃左右，壓力降至常壓狀態(tài)。當RCS熱管段水位降到熱管段滿管水位的80%時，進入半管運行模式。

RNS采用一個梯級接管與RCS 二環(huán)路熱管段相接，使半管運行期間吸入空氣可能性最低；RNS泵入口管線傾斜向上、無局部高點；RNS泵的設(shè)計對將發(fā)生汽蝕的可能性降至最低。半管運行狀態(tài)，水位偏低，堆芯有余熱釋放，稍有不慎易發(fā)生汽蝕，從而造成余熱排出系統(tǒng)喪失冷卻能力，引起堆芯冷卻沸騰，直至堆芯裸露[5]。通常，RNS泵在半管運行期間不需要通過節(jié)流來保證泵吸入壓頭，當一回路溫度高于85 ℃時，應通過節(jié)流確保足夠的汽蝕余量。另外，非能動核電廠通常采用抽真空啟動，如果RCS半管運行時水溫接近飽和狀態(tài)，設(shè)在RNS泵出口的節(jié)流閥就需要適當節(jié)流以維持足夠的汽蝕余量。

1.3 試驗

預運行試驗期間，對RNS各運行工況進行試驗，驗證泵曲線滿足系統(tǒng)流量要求和所有RNS流道滿足設(shè)計要求。試驗開始前，在泵前管道慮網(wǎng)的試驗接口處安裝臨時入口壓力表，通過監(jiān)測壓力進行驗證。有效汽蝕余量計算方法：

NPSHa=Hatm-Hvap-PLS+Hsuct+Es-Epump

(1)

式中：Hatm——大氣壓力對應的揚程，m;

Hvap——82.2 ℃水的汽化壓力對應的揚程，m;

PLS——泵入口管道壓頭損失,m;

Hsuct——臨時儀表壓頭,m;

Es——臨時儀表標高,m;

Epump——泵入口標高,m。

半管運行試驗，驗收準則雙泵總流量661 m3/h，有效汽蝕余量應大于4.8 m。某核電廠半管運行預運行試驗時，泵出口調(diào)節(jié)閥開度在50%左右，兩臺RNS泵總流量尚未達到上述最小設(shè)計流量時RNS泵已出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，表明泵入口管道壓頭損失大于設(shè)計預期。

2 原因分析

2.1 阻力計算分析

工程上系統(tǒng)阻力計算，將不同尺寸管道、管件阻力直接加減，以m/(m3/h)2為量綱表示阻力。根據(jù)達西公式，壓頭損失ΔH的表示公式如下：

(2)

(3)

式中：H——壓頭損失，m；

Q——體積流量,m3/h；

f——管道摩擦系數(shù)。

AP600設(shè)計開始于1985年，1988年獲得美國核管會最終設(shè)計批準，次年AP1000的開發(fā)隨即啟動。AP1000在AP600的基礎(chǔ)上開發(fā)，保持了AP600的設(shè)計理念，沿用了AP600的設(shè)計框架，設(shè)計上僅做了少量的改進[6]。

西屋在系統(tǒng)阻力計算使用Crane公司1988年發(fā)布的技術(shù)文件TP410。該版文件中對于三通的阻力系數(shù)只考慮了管件的尺寸，簡單地將三通直流的阻力損失當量長度L/D設(shè)定為20，支流的阻力損失當量長度L/D設(shè)定60[7]。RNS泵入口管路為250 mm(10英寸)Sch 160，內(nèi)徑216 mm(8.5英寸)，查手冊管紊流摩擦系數(shù)0.013 89，以總流端的流速表示，局部阻力系數(shù)分別是 0.277 8和0.833 4。

2009年，Crane公司發(fā)布了新版TP410，更新了三通阻力系數(shù)計算公式，阻力系數(shù)不僅與尺寸有關(guān)，還與各個接管的面積截面積比例、管道的夾角、通路的流量比例、分流還是合流有關(guān)[8]。T型三通分為圖2所示的合流三通和分流三通兩種。

圖2 T型三通

對于各通路的截面積相同的三通，圖2(a)所示三通的阻力系數(shù)：

(4)

(5)

式中：

圖2(b)所示的三通阻力系數(shù)：

(6)

式中：

(7)

RNS泵入口管路的三通T1、T2、T3、T7中流動如圖3所示，三通支路作為流體共同管道，計算中均按支流的阻力系數(shù)考慮。TP410(2009)中沒有對應的阻力系數(shù)計算公式。

圖3 支路作為共同流道的三通

基于其他的研究成果，Donald 在文獻[8]中給出了圖3所示的三通阻力系數(shù)的計算公式，并且考慮了三通內(nèi)部倒角半徑的影響：

圖3(a)所示的分流三通阻力系數(shù)：

(8)

圖3(b)所示的合流三通阻力系數(shù)：

(9)

上式中沒有考慮三通倒角半徑，按文獻[9]給出的計算公式計算局部阻力系數(shù)，表1給出了不同的計算公式計算的阻力系數(shù)，對比可以看出，由于三通直流通路按20L/D計算，總的阻力計算是保守的，但支流的阻力系數(shù)計算不保守，特別是合流三通T3的支流阻力系數(shù)差距比較大。

表1 不同方法計算的三通阻力系數(shù)

2.2 設(shè)計制造

由于ASME B16.9對于內(nèi)徑?jīng)]有明確的規(guī)定，為了保證三通滿足強度要求，壁厚會有不同程度的加厚導致內(nèi)徑小于接管的內(nèi)內(nèi)徑，機組采購的三通如圖4所示，具體數(shù)值見表2。

圖4 三通

表2 三通內(nèi)徑實測值

CFD技術(shù)具有速度快、靈活性強、結(jié)果可靠等優(yōu)點，越來越多的應用于管內(nèi)流動研究中。參考文獻[1]建立本系統(tǒng)采用的10英寸T型三通模型。其中，內(nèi)徑分別不同縮徑比例。計算結(jié)束后，從模型中提取三通進出口截面的平均壓力，得到壓差ΔP，根據(jù)10式計算阻力系數(shù)k。

(10)

式中：ρ——流體密度，kg/s；

v——速度,m/s。

圖5是不同內(nèi)徑比例的合流三通阻力系數(shù)，可以看出隨著內(nèi)徑的減小，阻力系數(shù)增加，小于90%后，支路阻力系數(shù)急劇增加。可見內(nèi)徑對阻力系數(shù)有很大的影響。系統(tǒng)中T3閥門由于阻力計算不保守，內(nèi)徑縮小過大，對于系統(tǒng)阻力損失影響最大，是導致泵氣蝕的主要部件。

圖5 縮徑三通阻力系數(shù)

3 已采取的措施及后續(xù)優(yōu)化建議

3.1 采取的措施

更換壁厚偏差大的三通，替換的三通在滿足ASME B16.9的基礎(chǔ)上，任何位置的壁厚不得超過名義壁厚的115%，內(nèi)徑盡可能與相接的管道內(nèi)徑相同。文獻[5]研究表明，三通內(nèi)倒角半徑越大，阻力系數(shù)相對越小，要求更換的三通內(nèi)倒角盡可能大。

3.2 優(yōu)化建議

RNS泵并聯(lián)隔離閥后，通過三通支路進入合流三通T3，而三通直通路一端通往安全殼內(nèi)置換料水箱(IRWST)，用于冷卻IRWST和事故后地坑再循環(huán)低壓安注，另一端通往RNS泵。從三通的阻力特性可知，合流三通支流100%流量阻力系數(shù)1.2，而直流通路100%流量阻力系數(shù)接近0。IRWST接口的使用概率非常小，同樣均為非安全功能，建議將并聯(lián)隔離閥后的管道接到T3的直通路，雙泵運行時可以在泵入口增加1.4 m汽蝕余量。

4 總結(jié)

三通是流體管網(wǎng)系統(tǒng)的普通部件，也是系統(tǒng)中主要的壓頭損失貢獻，直接影響設(shè)備的選型、能耗和系統(tǒng)性能。RNS系統(tǒng)泵上游管道中三通阻力在系統(tǒng)阻力中的占比大，使裝置的有效汽蝕余量過小。而對于非能動系統(tǒng)，過大或過小的三通阻力都會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響。不同的阻力系數(shù)計算公式的結(jié)果差異很大，設(shè)計人員在三通阻力系數(shù)計算公式選擇中應格外謹慎。隨著計算流體動力學CFD的興起，數(shù)值模擬越來越多地應用于管內(nèi)流體流動研究中，由于其計算速度快、靈活性強、結(jié)果可靠等優(yōu)點，數(shù)值模擬方法已被廣泛應用于三通設(shè)計與優(yōu)化，如有必要，應根據(jù)實際情況進行CFD建模分析。

對于核電這樣密集、復雜且口徑大的管道系統(tǒng)，管系的阻力主要來自閥門和各種管件，單個或幾個閥門或管件的阻力偏差對系統(tǒng)性能有大的影響。而各種手冊對于三通的阻力系數(shù)的公式中均未標明適用性，設(shè)計人員在選用時應做一個分析判斷。設(shè)計時應盡量采用更符合實際的計算公式。

三通的阻力系數(shù)與內(nèi)徑的4次方成反比關(guān)系，如果系統(tǒng)阻力有嚴格要求，三通的采購技術(shù)條件除按照ASME B 16.9標準外，還需要對內(nèi)徑給出明確要求。另外，文獻[9]研究表明，內(nèi)部倒角半徑越大局部阻力系數(shù)越低，應在滿足要求的前提下，盡量加大倒角半徑。