變頻驅動循環水系統恒定流計算分析的研究

鄭海霞 閻曉偉 張必文 洪志華

上海阿波羅機械股份有限公司 上海 201499

引言

核電站三回路循環水系統利用海水為汽機廠房內凝汽器提供必需的冷卻水，通過循環，最終將熱量排入海水。循環水系統主要包括：循環水泵、凝汽器、管路、虹吸井、聯合泵房等。其中循環水泵位于聯合泵房內。一般一個機組配備兩臺循環水泵[1]，即一臺核電機組的循環水系統由A列和B列兩條回路組成，每條回路提供機組正常運行以及汽輪機旁路使用時凝汽器和輔助系統所需冷卻水量的一半冷卻能力。

以變頻驅動循環水系統為研究對象，通過恒定流計算分析，以確認在外海平均低潮位、100年一遇高潮位、100年一遇低潮位、33年一遇低潮位循環水系統能夠安全、可靠、穩定的運行。

1 設計參數

國內某核電站循環水系統采用一機兩泵+變頻驅動方案。由于海水冬夏季水溫的不同，因此循環水系統在冬夏季工況對冷卻水的需求量不同，夏季冷卻水量需求高，冬季冷卻水量相對低。

1.1 潮位（56黃海高程）

表1 潮位

1.2 循環水泵主要參數

循環水泵夏季運行工況以下簡稱設計工況一：

額定流量：28.875m3/s

額定揚程：15.1m

額定轉速：169 r/min

電機轉速：746 r/min

額定功率：5800kW

循環水泵冬季運行工況以下簡稱設計工況二：

最小流量：17.25m3/s

對應揚程：7.4m

最小轉速：111r/min

電機轉速：490r/min

對應功率： 1431.7kW

1.3 凝汽器主要參數

設計冷卻水量：56.50m3/s

凝汽器水阻：5.50m

冷卻管長度：18258mm

凝汽器出水管的管頂高程：6.10m

凝汽器內循環水系統最大允許運行壓力為0.40MPa（相對壓力）。

1.4 管路特性數據

1.4.1 循環水進水管溝GD1（循泵出口至汽輪機廠房）。管徑：玻璃鋼管內徑為3600mm。

GD1設計最高內壓0.4MPa，最低負壓-0.1MPa。

1.4.2 凝汽器進出水管。管徑：玻璃鋼管內徑為2200mm；鋼管DN2200mm（規格為Φ2240×18mm）。

凝汽器進出水管鋼管設計壓力0.6MPa。

1.4.3 循環水排水管道GD2（汽輪機廠房至虹吸井）。管徑：玻璃鋼管內徑為3600mm，且在設計分界前由圓形轉換為矩形接口（4000mm×3500mm）；現澆鋼筋混凝土溝道斷面凈尺寸為4000mm×3500mm。

GD2設計最高內壓0.35MPa，最低負壓-0.1MPa。

1.5 虹吸井

堰頂標高：-1.00m；

設計工況一（單泵）時堰前水位標高：0.583m（平均低潮位）和0.453m（33 年一遇低潮位）；

設計工況二（單泵）時堰前水位標高：0.047m（平均低潮位）和0.037m（33 年一遇低潮位）。

單堰寬：14775mm；

堰前水池底標高：-10.25m；虹吸井有效面積：14.775×36.23=534.4m2；虹吸井最高允許水位：7.85m。

1.6 聯合泵房主要參數

表2 聯合泵房主要參數

1.7 設計水頭損失

糙率n除GD1取0.012外其他各部位均取0.018。輸水系統各部件設計水頭損失值匯總如下表3：

表3 輸水系統各部件水頭損失

注：①取水隧洞通過的流量是單臺機組所需要的海水量，其中包括循環水泵供水（額定流量2×28.875m3/s=57.75m3/s）、重要廠水泵供水（3300m3/h）、海水制氯取水泵供水（680m3/h）以及泵房內鼓型濾網反沖洗用水（540m3/h），單臺機組取水隧洞取水總計約59.01m3/s。凝汽器通過的流量為2×28.25m3/s。②取水隧洞對應的水頭損失2.29m（表3數據），對應的流量是59.01m3/s。③CC井的損失包括CC進口、CC溢流堰及堰后水頭損失，CC與排水隧洞的損失計在排水隧洞中。0.66m的水頭損失對應的流量是單泵流量28.875m3/s。

單臺機組CC井溢流堰前的流量是2×28.875m3/s=57.75m3/s，正常情況下堰后主要有重要廠用水系統的排水（3300m3/h= 0.92m3/s）。

2 恒定流計算

2.1 非淹沒狀態虹吸井堰上水頭計算

在1 0 0年一遇低潮位（-3.6 3 m）和3 3年一遇低潮位（-3.49m），循環水泵在工況一和工況二運行，虹吸井堰流均為非淹沒出流。

虹吸井溢流堰為實用型，上下游堰高P=P1=9.25m，堰寬b=14.775m（兩管共用一個虹吸井），堰頂高程-1.0m。虹吸井設計流量為57.75m3/s，小流量為34.5m3/s。

可將非淹沒狀態的各工況流量Q代入下式以求得各工況虹吸井內堰上水頭H，

式中：m-流量系數；

b-堰寬（m）；

H-堰上水頭（m）；

g-重力加速度（m/s2）。

2.2 淹沒狀態虹吸井堰上水頭計算

在100年一遇高潮位3.98m和平均低潮位-1.77m時，單泵流量無論是28.875m3/s還是17.25m3/s，由于堰后水位高于堰頂，均發生淹沒堰流。流量公式為：

單泵流量為28.875m3/s時，從虹吸井到排水明渠末的水頭損失為1.87m；

單泵流量為17.25m3/s時，該水頭損失為0.97m。

在100年一遇高潮位3.98m時，對應兩種流量的堰后水深hs分別為：3.98+1.87-（-1.0）＝6.85m和3.98+0.97-（-1.0）＝5.95m，堰頂高程-1.0m；在平均低潮位-1.77m時，對應兩種流量的堰后水深hs分別為：-1.62m和-2.52m。

通過試算，在100年一遇高潮位3.98m，過堰流量Q＝57.75m3/s，堰后水位為5.85m時，對應的虹吸井堰上水位為5.928m，淹沒系數σs＝0.0900，流量系數m＝0.5373；

在過堰流量Q＝34.5m3/s，堰后水位為4.95m時，對應的堰上水位為5.019m，淹沒系數σs＝0.0674，流量系數m＝0.5287。

在平均低潮位-1.77m，過堰流量Q＝57.75m3/s，堰后水位為0.1m時，對應的虹吸井堰上水位為0.523m，淹沒系數σs＝0.9220，流量系數m＝0.5057；

在過堰流量Q＝34.5m3/s，堰后水位為-0.8m時，對應的堰上水位為0.063m，淹沒系數σs＝0.9971，流量系數m＝0.4806。

2.3 管段水頭損失計算

將整條管線分成若干計算管段，先分別計算系統沿線各管段的沿程水頭損失和局部水頭損失。需計入局部水頭損失的元件包括彎段、變徑段、伸縮節、分岔管、匯合管、（蝶）閥、凝汽器、膠球清洗裝置、進出口等。

某管段沿程水頭損失計算公式[3]：

式中符號注釋參考《實用流體阻力手冊》[3]。

其中沿程水頭損失系數λi，若管流處于阻力平方區，可按下式計算：

式中：

按干管流量28.875m3/s計，DN3600主輸水管的雷諾數為：

取糙率，玻璃鋼管：0.010，鋼管：0.012，混凝土管：0.018。

i管段上各水力元件局部水頭損失計算公式：

表4 管線水力參數及真空破壞閥、通氣閥位置表

續表

按照上述節點進行對循環水系統恒定流計算管段示意見圖1。

圖1 循環水系統計算節點及管段示意圖

式中符號注釋見參考《清華大學水力學教研組編·水力學》。

當Δ＞ 0時，說明揚程大于沿管線的負荷，將流量增加一個微量

若Δ′還是大于指定的誤差，則可重復上述過程，直到Δ′小于指定誤差為止。

當Δ′＜ 0時，說明揚程小于管線負荷，流量應減去一個微量，重復上述運算，直到Δ′的絕對值小于指定的誤差，迭代結束。

綜上，可計算出設計工況一和設計工況二100年一遇低潮位、33年一遇低潮位、平均低潮位、100年一遇高潮位循環水系統水力坡降線圖，見圖2-圖9。

圖2 設計工況一100年一遇低潮位循環水系統水力坡降線

圖9 設計工況二100年一遇高潮位循環水系統水力坡降線

從圖2-9可知：

①設計工況一100年一遇低潮位（圖2）、33年一遇低潮位（圖4）、平均低潮位（圖6）、設計工況二100年一遇高潮位（圖9）在正常運行（恒定流狀態）時，進口正壓、出口負壓運行。②設計工況一100年一遇高潮位（圖8）在正常運行（恒定流狀態）時，進口出口處于正壓運行。③設計工況二100年一遇低潮位（圖3）、33年一遇低潮位（圖5）和平均低潮位（圖7）在正常運行（恒定流狀態）時凝汽器進口、出口都是處于負壓運行，此工況為調壓設施的控制工況。由此凝汽器的進口不能設置通氣閥，如果需要設置，必須用真空破壞閥替代。

圖3 設計工況二100年一遇低潮位循環水系統水力坡降線

圖4 設計工況一33年一遇低潮位循環水系統水力坡降線

圖5 設計工況二33年一遇低潮位循環水系統水力坡降線

圖6 設計工況一平均潮位循環水系統水力坡降線

圖7 設計工況二平均潮位循環水系統水力坡降線

圖8 設計工況一100年一遇高潮位循環水系統水力坡降線

3 結束語

由于輸水管線較長，凝汽器處在局部最高的駝峰位置，如果凝汽器出口不設真空破壞閥，在發生斷電停泵時凝汽器及其前后將出現嚴重負壓，凝汽器進出口的負壓最為嚴重。這樣嚴重的負壓，必將會引起管路內發生水柱分離并引發“非常水錘”，所以必須加設真空破壞閥以緩解負壓。

設計工況二100年一遇低潮位（圖3）、33年一遇低潮位（圖5）和平均低潮位（圖7）在正常運行（恒定流狀態）時凝汽器進出口都是負壓運行，所以凝汽器進口需設真空破壞閥。

在每一單元凝汽器進出口各設置一個真空破壞閥，口徑DN150，輸水管線其他地方不需另設通氣閥（或真空破壞閥）。