爆破閥熱態性能試驗模擬分析

倪超，苑景田，黃若濤，武心壯，夏栓

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

爆破閥熱態性能試驗模擬分析

倪超，苑景田，黃若濤，武心壯，夏栓

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

爆破閥作為非能動核電廠非能動堆芯冷卻系統（PXS）的關鍵設備，其流通能力關系到核電廠事故工況下的反應堆安全。本文基于爆破閥試驗臺架，利用系統分析程序RELAP5建立分析模型，對熱態性能試驗進行了計算和設計驗證，計算結果表明，通過對進出口水罐壓力進行調節，預期可以滿足設計目標。

爆破閥；流通能力；試驗臺架；熱態性能試驗；RELAP5

爆破閥作為非能動核電廠PXS的關鍵設備，其主要特點是在正常運行時，可以保證零泄漏；事故工況下可靠的開啟，且不會出現誤關閉；減少設備維修和相關人員的輻照劑量。非能動電廠爆破閥主要用于專設管線的隔離，在事故工況下開啟，執行非能動安注功能。該功能完全依賴于重力作用，因此，安注管線的流阻對安注流量有著較大的影響。安注管路上主要包含管道、電動閥、止回閥以及爆破閥等部件，其中管道、電動閥、止回閥大量應用于核電廠，其流通特性確定，而爆破閥則由于在核電廠首次應用，流通特性有待進一步研究。

1 爆破閥試驗臺架簡介

閥門的流阻是衡量閥門流通能力的指標，流阻越小說明流體流經閥門的壓損越小，流通能力越強。

1.1 試驗臺架

為了研究爆破閥的流通能力，建立了可移動試驗臺架。試驗臺架包括三個子系統：壓力控制子系統、供水子系統以及閥門試驗回路子系統，主要設備包括：進出口水罐及電加熱器、管道、閥門、電氣系統、儀表等。外接系統包括氣體供應系統、除鹽水供水系統。試驗臺架的主要設計參數如表1所示。

表1 試驗臺架主要設計參數

試驗臺架主要功能是為了在要求的壓力、溫度和介質等條件下進行熱態性能試驗，測定爆破閥的流阻，本文流阻以當量長度L/D表示。

1.2 測量方法

通過試驗測得試驗閥的壓損△P，根據壓降公式:

式中：△P為閥門前后的壓差，MPa；f為湍流摩擦系數；L/D為當量長度；ρ為密度，kg/m3；v為流速，m/s；Q為測量流量，m3/s；D為管道內徑，m。

將式（2）帶入式（1）可得：

由式（3）可知，對于確定的試驗系統，只要準確的測出閥門前后的壓差以及流經閥門的流量，就可以計算出閥門的流阻。而只有在流量相對穩定時，數據采集系統得到的數據才更為準確。

2 建模與分析

2.1 RELAP5程序及建模

本文使用系統分析程序RELAP5進行計算，RELAP5程序由美國INEL開發，能夠對水冷堆核電廠各種熱工水力瞬變和事故進行計算和評價，故其可對本文工況進行分析。圖1為基于RELAP5程序建立的試驗臺架計算模型。試驗系統由一定數目的管道、管件等控制體組成，其中進出口水罐、管道等以“pipe”類型的控制體模擬，試驗閥進出口調節閥以 “mtrvlv”模擬，其中通過自定義開度與流通面積實現不同開度下的計算。試驗閥則以 “trpvlv”模擬。進出口水罐安全閥、背壓調節閥同樣以“mtrvlv”模擬，通過設定不同的開關壓力整定值實現超壓保護功能。氣源以時間相關控制體“tmdpvol”模擬恒定壓力的匯流排，通過“mtrvlv”控制氣源開關。

2.2 無壓力調節的計算分析

針對試驗設計工況進行了模擬，其中進出口水罐壓力分別為0.8MPa和0.55MPa，介質溫度為155℃，調節閥開度為100%。程序穩態運行10s后打開調節閥，計算結果見圖2。

圖1 RELAP5節點圖

圖2 進出口水罐壓力

由上述計算結果可知，當進出口水罐密閉時，此時閥門兩側壓差最大，開閥后約5s內，由于試驗裝置尺寸限制，進出口水罐容積有限，隨著試驗介質的流動，進口水罐由于介質的流出壓力迅速減小，而出口水罐壓力則迅速增大，導致進出口水罐壓差迅速變小，由式（3）可知，回路流量也隨之減小而無法維持，不利于試驗數據的采集。本文在不同進口水罐壓力P條件下，針對各調節閥開度進行了計算，試驗回路內流量變化見圖3、4。可以看到，閥門開度對流量峰值無影響，在不同開度下回路的流量無法保持穩定。由圖5可知，在相同閥門開度下，閥門進口壓力不同，規律維持不變，只對流量峰值有影響。

2.3 有壓力調節的計算分析

進出口水罐無壓力調節時，閥門兩側由于壓差的逐漸減小，流量達不到設計要求，且無法保持穩定，難以準確測量。臺架設計時在進出口水罐均考慮了壓力調節措施，在進口水罐通過匯流排及調節閥控制進口水罐內的壓力，在出口水罐處，則通過設置背壓調節閥，確保出口水罐內壓力穩定。在有壓力調節的情況下，進出口水罐的壓力能維持20s左右，而回路流量則可維持10s左右，數值約為200kg/s，可以滿足試驗要求。

圖3 不同開度下回路流量（P=0.8MPa）

圖 4不同開度下回路流量（P=1.0MPa）

圖5 不同進口壓力下回路流量，

3 結語

針對爆破閥熱態性能試驗，本文分別進行了有/無壓力調節工況的模擬，根據計算結果初步得到如下結論。（1）當進出口水罐無壓力調節措施時，通過爆破閥的流量較難達到設計要求，且無法在某一流量維持一段時間，無法滿足試驗要求。（2）當進出口水罐通過壓力調節維持壓差時，通過爆破閥的流量高于設計要求，且維持該流量的時間約10s，滿足試驗要求。因此，通過對臺架進出口水罐壓力進行調節的方式進行試驗，預計能夠獲得較為理想的試驗數據。

[1]林誠格，非能動安全先進核電廠AP1000，北京：原子能出版社，2008.

TM623

A

1671-0711（2017）12（上）-0094-02