基于仿真模擬的VVER核電機組主給水系統水力計算研究

張銘洋，岳奕彤

(核電運行研究(上海)有限公司，上海 200126)

主給水系統是核電廠重要熱力系統之一，承擔向蒸汽發生器輸送給水并控制二次側水位等功能。作為主給水系統設計的關鍵環節，水力計算是給水泵揚程計算、支管流量分配預測、給水調節閥選型等工作的先決條件。在傳統設計過程中，水力計算大多采用電子表格形式，缺少直觀圖形交互界面，復雜管系布置難以真實映射，多工況計算工作量較大，且輸出結果單一，無法快速提取系統內任意目標點的實時參數。使用AFT Fathom專業仿真軟件對核電廠主給水系統建模并開展水力計算，能夠有效規避上述問題，提升計算精度和深度，并實現更為全面的系統參數預測，對核電廠精細化設計具有重要意義。

1 主給水系統模型

1.1 系統描述

本文以某VVER核電機組主給水系統為研究對象。該系統配置一臺除氧器、五臺定速給水泵(5×25%容量，四運一備)、兩列高壓加熱器，給水最終進入四臺蒸汽發生器，核島與常規島的設計分界位于給水調節閥前。圖1為VVER核電機組主給水系統流程示意圖。

圖1 主給水系統流程示意圖Fig.1 The main feedwater system diagram1-除氧器；2-低壓給水隔離閥；3-濾網；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-給水調節閥組；16-蒸汽發生器入口止回閥；17、18、19-給水泵再循環閥組；20-蒸汽發生器；21-泵出口母管；22-蒸汽發生器前母管

1.2 模型搭建

AFT Fathom是一款輕量級流體模擬分析軟件，近年來在核能領域得到廣泛應用和驗證，包括ITER(國際熱核聚變實驗堆)裝置冷卻水系統水力分析[1]、AP1000核電機組IRWST低壓安注系統設計核算[2]、濱海核電站循環冷卻水系統優化[3]等項目均使用該軟件開展工作。本文根據VVER核電機組主給水系統流程，使用AFT Fathom軟件搭建水力計算模型。對于VVER核電機組，通常由核島設計方提出主給水系統設計分界處的壓力要求，常規島設計方據此開展系統設計工作，因此本文基礎模型范圍與常規島設計范圍一致。

使用AFT Fathom工程元件庫搭建主給水系統主要設備和閥門模型：

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

2)使用過濾元件(Screen)模擬給水泵入口濾網；

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)模擬給水調節閥。

AFT Fathom具備管件簡化功能，即在不影響模擬結果的前提下將多個連續同類管件簡化為一個，但為了精確模擬系統各空間位置的參數變化，本文按照該機組實際三維布置將每個管道直段和管件錄入模型。圖2為水力計算模型。

圖2 水力計算模型Fig.2 The hydraulic calculation model

TMCR工況(即汽輪機最大連續功率工況)是主給水系統水力計算的基準工況，因此模型的主要邊界條件和介質參數均按該機組TMCR工況輸入，詳見表1。系統元件參數均按該機組實際情況輸入：閥門Kv值按TMCR工況實際參數輸入；流量測量裝置壓降按壓降-流量曲線輸入；濾網阻力按壓差報警定制保守輸入；高加阻力按阻力-流量曲線輸入。需要指出的是，根據GB/T 50958—2013《核電廠常規島設計規范》[4]要求，在使用TMCR工況給水流量計算管道阻力時，應對阻力另加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)均不支持用戶自定義阻力裕量。考慮到給定管道的流動阻力與介質流速(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，則管道流動阻力變為TMCR工況的1.21倍，符合規范要求。

表1 介質參數和邊界條件Table 1 Medium parameters and boundary conditions

2 給水泵揚程計算

2.1 計算依據

給水泵是主給水系統重要設備之一，準確的揚程計算是給水泵選型的必要條件。根據GB/T 50958—2013《核電廠常規島設計規范》[4]要求，給水泵的揚程應按下列各項之和計算：

1)從除氧器給水箱出口到常規島與核島主給水設計分界點處的管道介質流動阻力，另加20%裕量。計算阻力時，流量應按機組TMCR工況的給水消耗量；

2)從除氧器給水箱出口到常規島與核島主給水設計分界點處之間的設備阻力；

3)常規島與核島主給水設計分界點處標高與除氧器給水箱正常水位間的水柱靜壓差；

4)核島在常規島與核島主給水設計分界點處要求的給水壓力；

5)除氧器在機組TMCR工況下的工作壓力(取負值)。

圖3為給水泵揚程計算示意圖，式(1)為給水泵揚程計算公式(單位m)。

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

2.2 揚程計算

給水泵揚程計算結果見表2。

從表2可以看出，四臺運行給水泵的揚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揚程最大(923.4 m)，靠近泵出口母管下游的給水泵A揚程最小(922.2 m)；四臺泵揚程平均值為923.0 m，四臺泵中最大揚程偏差絕對值為|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與母管出口距離不同，支管內的給水需克服的流動阻力(主要來自母管及其上各個三通，詳見圖5)不同。

表2 給水泵揚程計算結果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三通(從上游至下游)圖5 泵出口母管內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

為驗證AFT Fathom計算結果的可靠性，使用傳統表格法對該機組主給水系統水力計算開展獨立驗證。結果表明，傳統表格法計算的給水泵揚程為920.0 m，AFT Fathom計算的給水泵揚程為923.4 m(取最大值)，兩者偏差僅為0.3%，證明了AFT Fathom水力計算模型的準確性和可靠性。

3 流量分配和調節閥選型

流量分配偏差是并聯水管路的常見問題，與母管和支管管徑比、雷諾數[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。VVER核電機組設有四臺蒸汽發生器，給水需通過四個并聯支管分別進入蒸汽發生器，以TMCR工況為輸入條件，基于圖2的水力計算模型模擬蒸汽發生器前母管上各個三通處的靜壓分布和支管流量分配，結果如表3和表4所示。

表3 蒸汽發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

從蒸汽發生器前母管上游開始，四個三通(從A到D)的入口靜壓逐漸增大，由于支管終端已根據跨島設計分界壓力條件定義為恒定壓力源(8.570 MPa.a)，則導致四個支管(從A到D)的前后壓差逐漸增大，通過的給水流量也相應增大，支管A和支管D的流量分配偏差已達到175 m3/h。然而在機組正常運行時，一般維持四臺蒸汽發生器的給水流量和入口壓力相同。優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，但仍需使用給水調節閥精確控制以實現流量平衡。

給水調節閥選型通常需要多個運行工況(包含TMCR工況)的流量和閥門前后壓差等參數。將蒸汽發生器前給水支管和給水調節閥錄入水力模型，見圖6。以該機組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)，模擬給水調節閥前后壓差，結果如表5～表7所示。

圖6 局部模型(給水調節閥)Fig.6 Partial model (feedwater control valves)

表5 給水調節閥前后壓差(TMCR工況)Table 5 Differential pressures in feedwater control valves (TMCR)

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

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

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

4 結語

作為核電廠重要熱力系統之一，主給水系統的合理設計是機組安全運行的基礎。本文以某VVER核電機組主給水系統為例，使用AFT Fathom專業仿真軟件按實際系統流程和布置搭建了水力計算模型，對給水泵揚程計算、支管流量分配和給水調節閥選型等問題開展了仿真模擬和分析，結論和建議如下：

1)同步計算了所有給水泵的揚程(計算結果與傳統表格法偏差極小)，并反映出并聯泵的揚程差異。需注意調整模型的流量參數以滿足規范對管道阻力裕量的要求。

2)并聯給水支管流量分配偏差的直接原因是各個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)為維持四臺蒸汽發生器的流量平衡，需在給水支管設置給水調節閥。基于仿真模擬技術，以不同工況下給水調節閥前后壓差，以及相同工況下各支管給水調節閥壓差為輸入，實現精細化設計。