某百萬級VVER核電機組主給水系統水錘分析研究

吳 磊

(中國電力工程顧問集團國際工程有限公司，北京 100029)

0 引言

主給水系統是核電廠主要系統之一，是核電廠常規島部分與核島部分聯系的紐帶，用來向蒸汽發生器輸送通過高壓加熱器加熱的高壓給水。因此，給水管道的安全穩定運行關乎到整個核電廠的安全運行。

管路中的閥門突然關閉、水泵機組突然停車等外部原因，使管內流體的流速突然發生變化，引起管內流體的動量交換，導致管內壓強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傳遞，從而形成水錘[1]。水錘發生時，壓力可達到運行值的數倍甚至更高，嚴重威脅設備和系統的安全穩定運行[2]。水錘現象引起國內外專家的高度重視，先后提出了多種水錘的計算方法，其中主要有解析法、圖解法和數值解法。目前對于一維水錘偏微分方程組的數值求解，應用最廣泛和有效的是特征線法[3]。隨著計算機技術的不斷發展，出現了眾多水錘計算程序，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的分析軟件，其瞬態模塊具有水錘(汽錘)分析、泵閥的啟停設計、管道振動分析、控制系統的動態響應模擬、動態力的數值計算等功能，在工程設計中應用廣泛。

本文針對某百萬級VVER核電機組主給水系統，分析其瞬態過程，確定瞬態工況，采用PIPENET軟件進行建模，利用瞬態計算功能模擬水錘的發生及衰減過程，計算管道內壓力、流量和波動力的數值變化情況，為給水系統管道設計優化提供指導和依據。

1 瞬態工況及計算模型

某百萬級VVER核電機組配置5臺定速電動給水泵(A、B、C、D、E)，正常4臺運行1臺備用，電動給水泵采用彈性基礎。給水系統幾何模型見圖1。

圖1 給水系統幾何分析模型

給水泵為電動定速泵，給水泵自啟動到達額定轉速僅需2.7s，根據H-Q曲線(圖2)，給水泵最小流量448 m3/h時，揚程為1 148 m，最大流量1 926 m3/h時，揚長為895 m。根據水錘發生的機理并結合定速泵的特點，確定了給水泵啟動、正常停運、事故停運以及主閥門事故關閉四個瞬態工況進行分析，利用PIPENET軟件建立給水系統流場分析模型(圖3)，E泵處于管系最末端，以下瞬態分析針對E泵進行。

圖2 給水泵H-Q曲線

圖3 給水系統流場分析模型

2 工況一：給水泵啟動

1)計算邊界條件

①給水泵2.7 s時達到額定轉速；

②再循環管道關斷閥起始處于全開狀態；

③泵出口關斷閥起始處于關閉狀態，從第5 s開始關閉；

④再循環管道關斷閥關閉與泵出口關斷閥開啟聯鎖動作，延時差為30 s；

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

2)流場計算結果

由圖4、圖5可以看出，自泵開始啟動，泵出口壓力上升，同時流量增加；經3.7 s時泵出口壓力達到最大值；給水泵出口關斷閥開啟后，壓力下降，隨著關斷閥開度增加，泵出口壓力逐漸達到額定值。泵出口流量隨著關斷閥開度的增加而增加，達到極大值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，當泵出口關斷閥全開，泵出口流量達到穩定值約1 697 m3/h。

圖4 泵出口壓力—時間變化曲線

圖5 泵出口流量—時間變化曲線

由圖6可知，泵出口水平管道在泵啟動到關斷閥打開時間段，管道出現較大波動力，最大值達194.7 N。

圖6 泵出口水平管道動態力—時間曲線

3 工況二：給水泵正常停運

1)計算邊界條件

①泵起始處于額定負荷運行狀態，從第43s開始關閉；

②再循環關斷閥全程打開；

③給水泵出口關斷閥起始全開，第43 s完全關閉。

2)流場計算結果

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

圖7 泵出口壓力—時間變化曲線

圖8 泵出口流量—時間變化曲線

由圖9可以看出，泵出口水平管道在泵出口關斷閥及再循環關斷閥全關瞬時出現較大波動力，最大值達435 N。

圖9 泵出口水平管道動態力—時間曲線

4 工況三：給水泵事故停運工況

1) 計算邊界條件

①給水泵緊急停運時間0.2 s；

②再循環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) 流場計算結果

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

圖10 泵出口壓力—時間變化曲線

圖11 泵出口流量—時間變化曲線

由圖12可以看出，泵出口水平管道在泵降低轉速開始出現激烈的波動力，最大值達到21 665 N。管段波動力作用對泵接口力影響較明顯，需要通過增設阻尼器吸收管系波動力。

圖12 泵出口水平管道動態力-時間曲線

5 工況四：給水泵出口主關斷閥事故關閉

1)計算邊界條件

①泵全程處于額定負荷運行狀態；

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

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

④給水泵出口關斷閥起始處于全開狀態，第43 s完全關閉。控制邏輯中，主關斷閥事故關閉時，系統應聯鎖開啟再循環管道關斷閥，本文考慮不聯鎖開啟再循環管道關斷閥。

2) 流場計算結果

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

圖13 泵出口壓力—時間變化曲線

圖14 泵出口流量—時間變化曲線

由圖15可以看出，泵出口水平管道在泵出口關斷閥及再循環關斷閥全關瞬時出現波動力，最大值達到389 N。

圖15 泵出口水平管道動態力-時間曲線

6 結語

根據以上四個工況計算結果，給水泵事故停運工況水錘現場最劇烈, 泵出口水平管道在泵降低轉速開始出現激烈的波動力,最大值達到21 665 N，必然會對管系及泵本身造成不利影響。

主給水系統與核電廠運行息息相關，主給水系統的安全運行直接影響到核電廠的安全運行，所以在核電廠日常運行過程中應當避免給水泵事故停運的事故發生，另外，應采取有關措施優化給水管道設計，如增加阻尼器和限位，以消除水錘力對管系和設備的破壞作用。