核電廠重要廠用水系統水錘現象研究

王 濤 李國棟 劉 謙

蘇州熱工研究院有限公司深圳分公司 江蘇 蘇州 518000

百萬千瓦級壓水堆核電廠重要廠用水系統(SEC)的主要功能是對設備冷卻水系統(RRI)進行冷卻,將一回路的熱負荷輸送至海水中[1]。在實際運行過程中,采用二階緩閉止回閥后,系統仍多次發生停泵關閥水錘現象,使止回閥后壓力開關頻繁閃發高壓信號,系統出現壓力波動。水錘現象的發生使SEC設備存在破損風險,機組存在熱損傷風險,因此有必要對停泵關閥水錘多發的原因進行分析。

1 分析方法

水錘是壓力管道內,因介質流速的劇烈變化而引起的一系列急劇的流速－壓力交替變化的水力沖擊現 象[2]。根據水錘的運動力學規律和連續原理通過微積分方法對其進行描述,即水錘的基本方程：運動方程和連續性方程。

運動方程為：

連續方程為：

式中：H 為系統內介質因水錘而產生的瞬態壓頭,m;V 為系統內介質因水錘而產生的瞬態流速,m/s;f為系統介質的沿程阻力系數;D 為管道直徑,m;a為水錘波速,m/s;g為重力加速度,m/s2;x為水錘波傳播的距離,m;t為水錘波傳播的時間,s。

采用PIPENET 管網流體分析軟件的瞬態模塊,將水錘基本方程轉化為一定條件下的常微分方程,運用特征線積分得到有限差分方程后再進行水錘方程求解。

根據系統流程建立PIPENET 軟件分析模型,在分析模型中模擬SEC在二階緩閉止回閥不同關閉時間的壓力變化情況,二階緩閉止回閥不同的運行工況見表1。二階緩閉止回閥可分別設定一階和二階關閉時間,總關閉時間不超過5 s。

表1 止回閥運行工況表

2 工況分析

(1)工況1。工況1對應止回閥無關閉時泵內流量及轉速變化情況。根據設定泵在第10 s停運,停泵約7.5 s后(即第17.5 s后)系統流體開始倒流、停泵約11 s后(即第21 s后)泵開始出現反轉。

(2)工況2。采用PIPENET 軟件分析止回閥運行工況2,系統停泵關閥后13 s左右,標高＋8.5 m 的壓力測點出現首個高壓力波動,壓力值為127.5 k Pa,超出測壓開關的觸發值。

(3)工況3。采用PIPENET 軟件分析止回閥運行工況3,系統停泵關閥后10.5 s左右,標高＋8.5 m 壓力測點處出現首個高壓力波動,壓力值達250.1 kPa,超出測壓開關的觸發值。

(4)工況4。采用PIPENET 軟件分析止回閥運行工況4,系統停泵關閥后11.5 s左右,標高＋8.5 m 壓力測點處出現首個高壓力波動,壓力值達49 k Pa左右,略超出測壓開關的觸發值。

(5)工況5。采用PIPENET 軟件分析止回閥運行工況5,系統停泵關閥后12 s左右,標高＋8.5 m 壓力測點處出現首個高壓力波動,壓力值達39.2 kPa左右,略低于測壓開關的觸發值。

3 結果分析

二階緩閉止回閥在系統流體倒流后開始關閉,結合止回閥在不同關閉時間下的壓力變化情況,SEC 停泵后系統流態變化過程和閥門動作過程如圖1所示。

系統內水錘的根本原因是流體流態的突變進而造成的動量改變。

閥門關閉第1個階段,止回閥在系統內主要起減小倒流流量的作用,一般要求其快關以減少后續流體倒流,防止泵設備飛逸反轉破壞,并且希望其在停泵后系統流體正流過程中即開始動作,目的是減小第二階關閥時流體倒流的起始速度,進而降低第二階關閉引起的流體動量突變量;閥門關閉第2個階段,止回閥在系統內主要起減小系統內流體流態突變降低系統水錘的作用,因此希望閥門關閉時間盡可能延長而達到系統水錘壓力波最低的目的。

圖1 模擬無閥條件下停泵后的系統運行過程圖

4 結束語

根據以上分析,SEC出現停泵關閥水錘的原因為：二階緩閉止回閥在系統流體倒流后開始關閉,同時第二階分配時間調節不合理造成流體動量變化大,形成了明顯的停泵關閥水錘。據此制定預防措施如下：

(1)計算系統管路承壓能力,調整止回閥第一階動作起始時間。

(2)調整止回閥二階動作分配時間：延長第二階關閉時長,同時分析倒流反轉和系統瞬態壓力的關系,合理設置第一階的關閉時間。