雙泵并聯給水系統切換方式模擬研究

王 鑫，韓偉實，何藝峰，2，幸奠川

（1．哈爾濱工程大學核科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150001；2．西北核技術研究所，陜西西安710024）

離心泵是給水系統中的重要設備，在實際應用中為了保證連續供水、提高給水系統穩定性和可靠性，經常設置兩臺相同的離心泵，一臺運行，另一臺備用。當一臺給水泵停機時另一臺能夠迅速投入使用，保證系統繼續穩定供水［1］。在運行泵發生故障停機、不停止供水檢修某一臺給水泵以及均衡兩臺給水泵壽命等條件下，需要進行給水泵切換。

給水泵切換過程中會產生給水流量波動，尤其對于某些需要嚴格穩定流量輸出的系統，這種流量波動將產生較大影響。目前很多學者已對離心泵瞬態理論分析及數值模擬進行了深入研究：田文喜、蘇光輝等針對雙泵并聯系統進行了水錘因素分析［2－3］；吳大轉等數值模擬了離心泵在瞬態操作條件下內部流動，與試驗結果吻合［4］；楊洪波等分析了核電廠常規電動給水泵切換瞬態特性［5］；張龍飛等研究了轉動慣量對船用核動力主泵瞬態特性的影響［6］。

影響切換過程中流量特性的因素較多，主要包括切換時的運行工況、給水泵轉動慣量、切換方式等，本文著重研究不同的切換方式對雙泵切換過程流量特性的影響。建立雙泵并聯給水系統模型，通過實驗數據對模型進行驗證，利用驗證后的模型對不同切換方式下流量特性進行研究，為實際工程應用提供參考。

1 試驗與模擬

1．1 試驗

本試驗中設計雙泵并聯給水系統，為防止支路倒流造成給水泵倒轉，在每個支路給水泵下游都安裝有一個止回閥。

試驗裝置結構如圖1所示。以常溫下水為工質，在接近大氣壓力條件下進行試驗研究。兩臺給水泵的額定轉速1 450r／min。電磁流量計最高流速15m／s，精確度為0．3級（流速≥1m／s），環境溫度－10～＋60℃。采用3595系列IMP數據采集器作為動態數據采集系統，對回路流量參數進行檢測。

按照圖1將試驗裝置連接并檢查，保證一切設備正常工作。試驗中在1＃泵運行、2＃泵備用條件下開始，先關閉1＃離心泵，再啟動2＃離心泵。

1．2 模型建立

建立模型需要做適當的簡化和假設：①給水系統工質為常溫常壓下水；②流體處于單相狀態；③流體沿回路看作一維流動。考慮到離心泵和止回閥的特性和計算精度，通過計算將時間步長定為0．1s。

圖1 試驗裝置結構示意圖Fig．1 Scheme of experimental device

為進行數值模擬，需要對整個給水系統中的關鍵設備建立模型。

1．2．1 離心泵模型

離心泵是整個回路中流體流動的動力來源。目前離心泵瞬態過程的相關研究較多［7－9］，在泵開啟過程中，流體流動行為主要是由轉動部件的慣性及流體慣性控制。離心泵瞬態方程可以寫成［10］：

式中：g為重力加速度，m／s2；A為流通截面，m2；De為等效管道直徑，m；q為質量流量，kg／s，t為時間，s；hp為泵揚程，m；f為摩擦因子；De為等價管道直徑，m；Ae為等價流通截面，m2；下標i表示第i段控制體。

1．2．2 止回閥模型

將這兩個數組放在軟件數據顯示功能模塊中的組織數據步驟里，運行效果見圖5。結果表明數據顯示功能模塊能夠將接受到的數據正常地顯示在布局中。

止回閥穩態與瞬態兩種狀態進行模擬。1．穩態情況，壓降公式為：

2．瞬態情況，采用以下公式：

式中：Cd為系數，不同時間下，補償系數Cd采用不同的計算方法；A0為管道截面積，m2；ΔP為閥門入口和出口之間的壓降，Pa。

1．2．3 阻力件模型

阻力件一般采用如下公式計算：

式中：ΔP0為阻力件前后壓降，Pa；K為損耗系數；A0為過水斷面面積，m2；Q為體積流量，m3／s。

1．3 模型驗證與模擬結果

利用建立的雙泵并聯系統模型，模擬1＃運行泵切換到2＃備用泵的瞬態過程，模擬結果與試驗結果比較如圖2所示。從圖2可以看出試驗結果與模擬結果的偏差在誤差允許范圍內，因此，本模型是合理的。

在雙泵切換過程中，系統流量曲線近似呈W形。圖2中，在AB段，1＃離心泵由開啟狀態變為關閉狀態，支路流量減少，但是由于離心泵惰轉作用，支路仍然會產生正向流量，此時2＃離心泵處于關閉狀態，總回路流量下降；在BC段，1＃泵惰轉產生正向流量，2＃泵由關閉轉為開啟，2＃泵支路流量增加，導致整個回路流量增加，到達C點時，1＃泵支路正向流量為零，整個回路流量達到局部峰值；在CD段，1＃泵支路出現倒流，2＃泵支路正流，主回路系統總流量下降；在DE段，1＃止回閥逐漸關閉，倒流減小，2＃泵流量逐步增大，系統總流量增加，到達E點時1＃止回閥全部關閉，系統重新達到穩定狀態。

圖2 雙泵切換流量特性曲線Fig．2 Flow curves in the process of switching pumps

2 切換方式研究

雙泵切換方式包括以下三種：

①先啟動備用泵后關閉運行泵（方式一）；②先關閉運行泵后啟動備用泵（方式二）；③同時開啟備用泵和關閉運行泵（方式三）。

實際工程中不同工況下對應不同的泵切換方式：在運行泵發生故障停機，備用泵啟用時，雙泵切換采用方式一，當時間間隔很小時也可視為方式三；在不停止供水條件下檢修某一臺給水泵或者均衡兩個給水泵壽命等計劃內切換時，可根據需要采用三種啟動方式的任意一種。

2．1 模擬結果

利用已經驗證的系統模型對三種不同泵切換方式下系統流量波動情況進行模擬，結果如圖3所示。

圖3 不同泵切換方式下系統流量波動曲線Fig．3 Flow curves in different switching mode

（1）先啟后閉，在AB段，備用泵首先啟動，此時運行泵（1＃）滿功率運行，備用泵（2＃）流量增加，1＃、2＃支路正流，給水系統流量增加，流量超過正常供給值，到達B點時系統流量最大；此后1＃泵關閉，1＃支路流量減少，但是1＃泵在慣性惰轉作用下繼續正向給水，2＃泵流量繼續增加，系統流量減小；之后1＃泵停止，所在支路出現逆流，2＃泵支路正流，直到C點系統流量達到最小；在CD段，1＃止回閥逐漸關閉，倒流減小，系統總流量增加，到達D點時1＃止回閥全部關閉，系統流量達到穩定。由于采用先開啟后關閉的切換方式，系統流量在波動階段前期大于穩定輸出流量值，切換過程流量輸出總和大于穩定輸出時的流量總和。

（2）先閉后啟與同時啟閉切換方式，雙泵切換過程中，系統流量特性曲線近似成W型，其形成原理見前文1．3節中W型曲線形成機理分析。

2．2 不同切換方式比較分析

對于計劃內雙泵切換，三種切換方式均可采用。方式一中系統失水量小，最低流量較高，系統穩定時間短，但流量波動較大，在切換瞬態過程中系統總流量大于穩定輸出時流量。與方式一相比，方式二、三在雙泵切換過程中失水量較大，系統總流量低于穩定輸出時供水量。

對于非計劃內事故工況雙泵切換，可采用方式二、三，即運行泵先停，備用泵迅速啟動。比較發現方式三在雙泵切換過程中系統失水量小，最低流量較高，系統恢復穩定時間短。在實際工況中，采用同時啟閉方式，即盡量減少雙泵切換時間間隔將更易于緩解流量波動問題。

3 切換時間間隔研究

不同的切換方式具有不同的流量特性曲線，對于切換方式一和方式二，切換過程時間間隔也發揮著明顯的作用。通過模擬不同時間間隔下系統流量的波動，比較時間間隔大小對系統流量特性的影響。

3．1 先啟后閉方式切換時間間隔研究

先啟后閉雙泵切換方式在不同時間間隔下系統流量波動如圖4所示，切換時間間隔為分別0．5s、1s和1．5s。圖4表明，對于不同時間間隔，切換過程中流量曲線形狀相近，AB段內2＃備用泵開啟，流量曲線相重合；時間間隔大小不同，系統流量峰值出現的時間和位置也不同，即間隔時間越長，峰值出現越晚、位置也越高，總體上系統流量波動也將愈加明顯。不同時間間隔直接影響1＃運行泵關閉時刻，時間間隔越長，運行泵關閉延遲越長，具體表現為流量曲線峰值位置延時并且上移，造成后續的流量波動階段以及流量恢復穩定階段流量波動更加明顯。因此，對于先啟后閉切換方式，切換間隔時間越長，系統流量波動也更大，給水穩定性受到更大的影響。

3．2 先閉后啟方式切換時間間隔研究

圖4 先啟后閉方式切換下系統流量波動Fig．4 Flow curves in the switching mode of closing one pump after starting another one

先閉后啟雙泵切換方式在不同時間間隔下系統流量波動如圖5所示，切換時間間隔分別為0．5s、1s和1．5s。由圖5可知，對于三種不同時間間隔切換方式，切換過程中流量曲線形狀近似，AB段內1＃運行泵關閉，流量曲線相重合；間隔時間長短影響了系統流量波谷出現的時間和位置，間隔時間越長，系統流量波谷出現越晚、出現位置越低，總體上系統流量波動也將愈加明顯。不同時間間隔直接影響2＃備用泵開啟時刻，時間間隔越長，備用泵開啟延遲越長，具體表現為流量曲線波谷位置下移，造成后續的流量波動階段以及流量恢復穩定階段流量波動更加明顯。因此，對于先閉后啟切換方式，切換間隔時間越長，系統失水量越大，流量波動也更大，給水穩定性受到更大的影響。

圖5 先閉后啟泵切換方式下系統流量波動圖Fig．5 Flow curves in the switching mode of starting one pump after closing another one

綜上，無論采取哪種切換方式，縮短泵切換時間間隔，能減小系統流量波動，使系統在較短時間內恢復穩定工作。

4 結論

對雙泵并聯給水系統進行了建模，通過試驗證明了模型的準確性。模擬不同雙泵切換方式條件下系統流量波動過程，得到以下結論：（1）模擬結果與實驗結果偏差在允許的范圍內；（2）先啟后閉切換方式下系統失水量小，最低流量大，同時啟閉切換方式系統流量波動最小，系統恢復穩定時間短；（3）采用同時啟閉方式在泵切換過程中系統失水量小，最低流量較高，系統恢復穩定時間短；（4）雙泵切換時間間隔越短，系統流量波動越小，系統穩定時間越短，在實際工況中，要盡量減小切換時間間隔。

［1］ 郭強，趙新文，蔡琦．反應堆冗余泵組的共因失效分析［J］．核動力工程，2009，30（5）：89－92．

［2］ Wenxi Tian，GH Su，Gaopeng Wang，et al．Numerical simulation and optimization on valve－induced water hammer characteristics for parallel pump feedwater system［J］．Annals of Nuclear Energy，2008，35（12）：2280－2287．

［3］ TIAN Wenxi，SU Guanghui，WANG Gaopeng，et al．Mitigating check valve slamming and subsequentwater hammer events for PPFS using MOC［J］．Nuclear Science and Techniques，2009，20（2）：118－123．

［4］ 吳大轉，許斌杰，李志峰，等．離心泵瞬態操作條件下內部流動的數值模擬［J］．工程熱物理學報，2009，30（5）：781－783．

［5］ 楊洪波，吳煥云．核電廠常規島電動給水泵切換瞬態分析［J］．核電技術論壇熱力發電二〇二，2011，40（1）：82－83．

［6］ 張龍飛，張大發，王少明．轉動慣量對船用核動力主泵瞬態特性的影響研究［J］．船海工程，2005，（2）：55－57．

［7］ Kolev N，Petrov N，Ivanov B，et al．Simulation of the VVER－1000pump start－up experiment of the OECD V1000CT benchmark with CATHARE and TRAC－PF1［J］．Progress in Nuclear Energy，2006（48）：922－936．

［8］ Rohani M，Afshar M H．Simulation of transient flow caused by pump failure：Point－Implicit Method of Characteristics［J］．Annals of Nuclear Energy，2010（37）：1742－1750．

［9］ 郭玉君，張金玲，秋穗正，等．反應堆系統冷卻劑泵流量特性計算模型［J］．核科學與工程，2005，15（3）：220－231．

［10］ Kazem Farhadi，Anis Bousbia－salah，Franscesco D’Auria．A model for the analysis of pump start－up transients in Tehran Research Reactor［J］．Progress in Nuclear Energy，2007（49）：499－510．