一維流體分析在低壓安注泵小流量管線減振改造中的應用

楊彬

摘要：針對某中國改進型三環路壓水堆核電廠低壓安注系統泵小流量管線定期試驗過程中管線振動嚴重超標的問題，通過建立系統一維流體分析模型，分析了引起管線振動超標的根本原因。利用該模型計算確定了滿足該機組定期試驗流量要求的新孔板阻力，為多級孔板的設計提供了準確的輸入數據。改造實施后的鑒定試驗結果表明，該分析方法準確預測了改造后的水力情況，大幅減少了調試次數，有效地縮短了改造工期。

關鍵詞：?一維流體分析;低壓安注泵;小流量管線;汽蝕振動改造

壓水堆核電廠低壓安注系統泵小流量管線由于高壓差孔板的存在，引起的管路振動超標問題頻繁發生^[1]。目前針對此類減振改造，常用的處理方法是采用多級孔板降壓，而多級孔板的設計是整個改造的關鍵。經驗估算的方法常常導致實施過程中對孔板孔徑的多次調整，而搭建1：1的水力臺架試驗雖然準確性高，但往往導致改造前期的工作量大、周期長，特別是搭建試驗臺架的成本高昂。

本文針對低壓安注系統低壓安注泵小流量管線減振改造過程中常見的水力處理方法的不足問題，結合某中國改進型三環路壓水堆核電廠低壓安注系統低壓安注泵小流量管線減振改造方案，研究了一維流體分析在核電廠工藝系統改造中的應用^[2]。

1.水力模型搭建

本文利用Flowmaster軟件，對低壓安注小流量相應管線進行了整體建模。模型中換料水箱采用恒液位水箱元件模擬，泵采用離心泵元件模擬，孔板采用阻力元件模擬，閥門采用軟件中相應的閥門元件模擬，回流至換料水箱氣空間的邊界采用壓力元件模擬。

2.振動原因分析

由于孔板上游的壓力表位于泵出口位置，距離節流孔板較遠。為獲取節流孔板前的準確壓力值，利用建立的Flowmaster水力模型對低壓安注泵定期試驗時2種振動較高的工況進行了模擬，得到節流孔板上游的準確壓力，如表1所示。

根據GB/T2624—2006^[3]及國際標準IOS5167-2^[4]，流量與壓差的關系式為

整理后得到理論壓差計算式為

式中：qm為質量流量，kg/s;β為孔板的孔徑比;C為流出系數;ε為膨脹修正系數;ρ為液體密度，kg/m3;d為孔板孔徑，m。

在試驗工況下，流體介質為40℃的含硼水，孔板所在的管道內徑D為0.0828m，孔板孔徑d為0.0349 m，膨脹修正系數ε取1，流出系數取0.6011。通過以上參數計算出試驗工況下孔板006DI和007DI的理論壓差，計算結果如表2所示。

由表2中的數據可看出孔板006DI和007DI后的流體壓力均低于該工況下流體的飽和蒸氣壓，此時孔板將發生汽蝕，因此可判定小流量管線產生振動的根本原因為節流孔板006DI和007DI發生了汽蝕。

3.振動改造方案及孔板設計

3.1振動改造方案

根據前文的根本原因分析，本次改造采用多級多孔孔板進行降壓。具體改造方案為：保留原單級孔板006DI和007DI并將其擴為通孔，同時在其上游各加裝1個五級多孔孔板;其中第一級設計為可拆卸式的單級孔板，其目的為在調試過程中可對其孔徑進行調整以調節流量或彌補設計、制造誤差。

3.2多級孔板阻力系數的確定

由于電廠定期試驗時對低壓安注泵小流量循環的流量有嚴格的準則要求，因此新增多級孔板阻力系數的合理準確對改造后的水力鑒定流量驗收具有決定性的作用。

為了使模型與現場情況完全一致，在水力學模型中考慮系統阻力變化，并采用修正過的泵特性曲線^[5]。該水力模型類似于一個虛擬的1：1試驗臺架，在改造實施前的設計階段，可通過對模型中多級降壓孔板的阻力調整來預測不同的孔板阻力下的改造實施效果，最終通過方案對比可選取出一個滿足定期試驗準則的最優的孔板阻力系數，從而為多級孔板的設計制造提供準確的水力特性數據支撐。

通過在Flowmaster模型中的調整計算，最終確定出本次改造所用多級孔板較合理的阻力系數為K=63.75;

4.改造結果

改造完成后，現場試驗結果表明減振效果明顯，振動速度峰值由改造前的最大500 mm/s降低到改造后的A列3 mm/s、B列10 mm/s，均滿足驗收標準許可振動速度值20 mm/s的要求^[6]，如表4所示。同時改造后A列、B列的流量分別為125 m3/h、126 m3/h，均滿足驗收標準的要求;而且A列的模擬流量126.39 m3/h與實際值的誤差僅1.11%，B列的模擬流量125.96 m3/h與實際值的誤差僅-0.03%，如表5所示。本次改造的調試一次成功，大大縮短了調試工期。

5.結論

本文采用理論分析與Flwomaster軟件模擬相結合的方法，分析確定了單級節流孔板的汽蝕是引起該核電廠RIS系統低壓安注泵小流量管線定期試驗振動超標的根本原因。同時結合減振改造方案，使用一維流體計算軟件Flowmaster對改造后的小流量管線進行模擬，為多級孔板的設計提供了關鍵的水力特性參數。與以往的方法相比，本Flwomaster軟件模擬分析方法可明顯縮短調試工期，避免了建立試驗臺架的費用和工期投入。

良好的改造效果表明，利用Flowmaster軟件建模計算的方法準確、可靠，對后續核電廠相關系統改造水力設計具有重要的借鑒意義。

參考文獻

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[5] 趙斌，郭新海，李軍，等. 低壓安注泵特性曲線偏離的系統修正方法研究[J]. 核安全，2015，14（1）：45-49.

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（作者單位：1. 中廣核研究院有限公司）