秦山二期RRI系統(tǒng)局部超壓問題的研究與解決1)

2019-10-16 08:58:50

中國核電 2019年4期

(中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300)

1 問題研究的總體技術路線

由于RRI系統(tǒng)龐大、冷卻的熱負荷眾多，廠房中的管線布置復雜，為重點研究機組運行過程中出現(xiàn)較嚴重超壓問題的管線，對這些負荷用戶做詳細的分析計算，通過阻力等效的原則將一些對計算分析影響較小的管線適當簡化。制定了該項目的總體技術路線如圖1所示。

圖1 項目總體技術路線

2 RRI系統(tǒng)仿真計算分析

本文采用目前行業(yè)內常用的系統(tǒng)仿真軟件Flowmaster進行RRI系統(tǒng)管道超壓問題的分析，F(xiàn)lowmaster是當今全球最為著名的熱流體系統(tǒng)仿真分析平臺，已在核電相關系統(tǒng)的仿真中得到了廣泛應用與成功驗證，幫助解決了很多復雜的系統(tǒng)問題。在核電行業(yè)流體系統(tǒng)的設計中，流量、壓力、溫度、流速等參數(shù)是影響整個系統(tǒng)安全性與可靠性的關鍵參數(shù)。Flowmaster可以從概念設計到維護階段的全生命周期中對這些參數(shù)進行預測，并且對運行過程進行監(jiān)控。通過對關鍵運行參數(shù)的預測與監(jiān)控，工程師能正確的做出分析和判斷，進而優(yōu)化改進系統(tǒng)，從而最大程度的避免水錘與氣穴等不利現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

2.1 Flowmaster數(shù)值計算方法

在求解管道中的水錘問題時，通常將流動看作一維非恒定流動。一維非恒定流動的連續(xù)性方程和運動方程形式為：

(1)運動方程

(1)

(2)連續(xù)性方程

(2)

式中，H為壓力水頭，m；v為流速，m/s；f為摩擦阻力系數(shù)；D為管道直徑，m；α為管道傾角，°；a為水錘波傳播速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；x為管長，m；t為時間，s。

利用數(shù)值模擬計算求解水錘問題，目前主要有特征線法和有限差分法兩種，其中特征線法是國內外長期研究并相對成熟。本文應用特征線法進行求解，其原理是：將偏微分方程組轉化為特殊的全微分方程(特征方程)，然后再通過有限差分進行離散得到有限差分方程。正向波特征線C+和逆向波特征線C-的有限差分方程的形式為：

沿

C+：HPi=CP-BQPi

(3)

沿

C-：HPi=CM-BQPi

(4)

CP=Hi-1+BQi-1-RQi-1|Qi-1|

(5)

CM=Hi+1-BQi+1+RQi+1|Qi+1|

(6)

圖2 特征線時間—空間網(wǎng)格圖

2.2 計算模型及基本參數(shù)

圖3為分析RRI系統(tǒng)局部超壓問題的簡化計算模型，通過阻力等效的方法，將RRI系統(tǒng)中的所有支路簡化成了圖3中的上中下三條支路，RRI泵運行的額定流量為2 500 m3/h，其中中間支路為EAS熱交換器所在回路，中間支路為EAS安全殼噴淋熱交換器設計流量1 920 m3/h，閥門2為RRI系統(tǒng)中的閥門RRI035VN(A列)或RRI036VN(B列)，模型中閥門2前端的管道長度取值為20 m，后端管道長度10 m，管道直徑0.597 m。具體設置參數(shù)見表1。

圖3 分析RRI系統(tǒng)局部超壓問題的Flowmaster模型

計算設置參照對RRI系統(tǒng)倒列操作主控關閉氣動隔離閥的過程：初始時刻EAS熱交換器冷卻水管線氣動隔離閥全開，系統(tǒng)壓力為0.75 MPa，氣動隔離閥在1～5 s內快速關閉，計算時間共20 s。

表1 計算模型參數(shù)

2.3 模型計算結果分析

模型計算EAS熱交換器冷卻水管線隔離閥不同關閉時間下的壓力波動情況，圖4～圖6分別給出了控制閥關閉時間為1 s、3 s、5 s時的EAS殼側氣動隔離閥前的壓力變化曲線，圖7～圖9分別給出了控制閥關閉時間為1 s、3 s、5 s時支路1的壓力變化曲線。

圖4 閥門關閉時間1 s時EAS氣動隔離閥前壓力變化曲線(1 s)

圖5 閥門關閉時間3 s時EAS氣動隔離閥前壓力變化曲線(3 s)

圖6 閥門關閉時間5s時EAS氣動隔離閥前壓力變化曲線(5 s)

圖7 閥門關閉時間1s時支路1的壓力變化曲線(1 s)

圖8 閥門關閉時間3s時支路1的壓力變化曲線(3 s)

圖9 閥門關閉時間5s時支路1的壓力變化曲線(5 s)

根據(jù)模型的計算結果可以看出，閥門關閉的過程中，閥前壓力會逐漸上升，在閥門完全關閉的瞬間其前端壓力會達到峰值，然后壓力開始波動并逐漸減小，該計算結果與項目前期試驗測量的數(shù)據(jù)趨勢基本一致；同時其他的管線的壓力也會波動，但是波動的幅度小于中間的支路。

根據(jù)模型的計算結果分析，主控在關閉隔離閥過程中系統(tǒng)發(fā)生了水錘效應導致壓力峰值超過了管道的設計壓力，即在某些工況下系統(tǒng)內的流體流速發(fā)生急劇變化，引起了管道壓力的瞬變過程。水錘效應是指當打開的閥門突然關閉或給水泵停止，水流對閥門及管壁會產(chǎn)生一個壓力，由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，水力迅速達到最大，并產(chǎn)生破壞作用，即水力學中的“水錘效應”，管道內水錘具有很大的破壞性。

3 解決方案的分析以及在Flowmaster模型中的試驗

3.1 適當調整延長氣動隔離閥的關閉時間

比較圖4～圖6，閥門不同關閉時間下的壓力變化趨勢，隨著閥門關閉時間的延長，管道的壓力峰值有明顯下降，從閥門關閉時間1 s時的壓力峰值1.3 MPa降到閥門關閉時間5 s時0.85 MPa。同時壓力波動的頻率減緩，水錘效應減弱。并且隨著閥門關閉時間的延長，其余支路管道的壓力波動峰值也有明顯下降，如圖7～圖9。

因此，延長閥門的關閉時間是降低水錘引起管道壓力峰值的措施之一。

3.2 在支路2加裝穩(wěn)壓裝置

在支路2采取注水或者注空氣穩(wěn)壓，從而控制住系統(tǒng)中的水錘壓力震蕩，比如增設注空氣閥及空氣灌等。系統(tǒng)中安裝緩沖罐的Flowmaster計算模型，如圖10所示。安裝緩沖罐后計算得到的隔離閥前(節(jié)點1處)壓力隨著時間的變化趨勢，如圖11所示。

可以看出：安裝緩沖罐后管道的壓力峰值降低到了0.83 MPa，能夠有效的減緩中間支路的壓力波動，大幅降低系統(tǒng)的壓力波動峰值。

4 解決方案的分析、選擇及現(xiàn)場實施效果

對于3.1節(jié)方案，適當調整延長氣動隔離閥的關閉時間。該方案無需在系統(tǒng)中增加任何設備，無需對系統(tǒng)管道布置做出任何調整，僅需要試驗調節(jié)延長氣動閥RRI035VN(RRI A列)、RRI036VN(RRI B列)的關閉時間。

對于3.2節(jié)方案，在支路2采取注水或者注空氣穩(wěn)壓，從而控制減緩系統(tǒng)中的水錘壓力震蕩，比如增設注空氣閥及空氣灌等。但具體的穩(wěn)壓、減緩效果與所安裝緩沖罐的容積、結構形式等參數(shù)有關，該方案設計復雜。RRI系統(tǒng)為專設安全設施相關系統(tǒng)，屬核級系統(tǒng)，在EAS熱交換器殼側冷卻水管線上增設穩(wěn)壓裝置，需經(jīng)過詳細的抗震計算等論證工作，并且可能需對所增設的穩(wěn)壓灌進行定期補水、補氣使得RRI系統(tǒng)的運行變得復雜，現(xiàn)場設備的布置更為復雜。

綜上分析，鑒于核電站運行技術規(guī)格書未對RRI035VN