压水堆核电厂主给水管道装置水锤计算及分析解析 6页

'第44卷增刊原子能科学技术Vol.44,Suppl.2010年9月AtomicEnergyScienceandTechnologySep.2010压水堆核电厂主给水管道水锤计算及分析王鑫，韩伟实（哈尔滨工程大学核科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150001）摘要：核电厂二回路主给水系统是保证蒸汽发生器冷却的重要系统，同时也是水锤频发的管段，研究水锤对主给水系统的规律对于系统稳定运行具有重要意义。文章以主给水系统作为研究对象，通过Flowmaster软件的瞬态计算功能，建立给水泵、控制阀门等边界条件下的数学模型，计算阀门、泵关闭时产生的水锤压力，并且导出压力等参数的瞬时变化解。结论验证了Flowmaster瞬态计算功能计算水锤的可行性，结合工程实例说明，增加给水控制阀、给水泵关闭时间能有效控制水锤，改变给水泵、给水控制阀关闭触发信号间隔能缓解水力冲击，以及管径等因素对水锤的影响，对于实际工程中的设计和系统优化具有一定指导作用。关键词：水锤；主给水系统；核电厂；仿真中图分类号：TL48文献标志码：A文章编号：1000-6931（2010）S0-0192-06WaterHammerCalculationandAnalysisinMainFeedwaterSystemofPWRNuclearPowerPlantsWANGXin，HANWei-shi（CollegeofNuclearScienceandTechnology,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China）Abstract:Themainfeedwatersystemofanuclearpowerplantisanimportantpartinensuringthecoolingofthesteamgenerator.Moreover,itisthemainpipesectionwherewaterhammersfrequentlyoccur.Studingtheregularpatternsofwaterhammerstothemainfeedwatersystemissignificanttothestableoperationofthesystem.ThepaperfocusesonthestudyofwaterhammersthroughFlowmaster’stransientcalculatingfunctiontoestablishamathematicalmodelwithboundaryconditionssuchasafeedwaterpump,controlvalves,etc.;calculationofthewaterhammerspressurewhenfeedwaterpumpsandcontrolvalvesshutdown;exportingtheinstantaneouschangeinsolutionofpressure.Combinedwithengineeringpracticalexamples,theconclusionsverifytheviabilityofcalculatingthewaterhammerspressurethroughFlowmaster’stransientfunction,increasingtheperiodsofclosureofcontrolvalvesandfeedwaterpumpscontrolwaterhammerseffectively,changingtheintervalsofclosingsignalstofeedwaterpumpsandcontrolvalvestorelievehydraulicimpact.Thiscouldbeaguidelineforpracticalengineeringdesignandsystemoptimization.Keywords:waterhammers；mainfeedwatersystem；nuclearpowerplant；simulation当压力管道中的流体因某些原因而产生起管道的流体压力急剧变化，这种现象称为水流速的急剧变化时，由于流体的惯性作用而引锤现象或流体瞬变过程。通常水锤压力可达到收稿日期：2010-06-25；修回日期：2010-08-20作者简介：王鑫（1985—），男，河北唐山人，博士研究生，核科学与核技术专业 增刊王鑫等：压水堆核电厂主给水管道水锤计算及分析193正常运行值的数倍甚至更高，对设备和系统的阀门关闭时，流体流动受阻，产生强烈的压稳定运行构成了严重的威胁。从1969年初到力波动，在阀门处压力变化最为剧烈。压力波在1981年5月，美国核电站共报告了近150个水管路中往复传播，且在管路摩擦的作用下逐渐减[1]锤事件，包括压水堆电站的67个水锤事件，缓。此处所计算的压力变化为最大压力变化。其中13个发生在给水系统中，可见研究水锤估算压力波传播速度可采用公式计算的方对于核电厂稳定安全运行具有重要的影响。法，计算任意流体通过不同材料管道的波速。水锤的计算方法有解析法、图解法和数值波速可由下式计算：解法。数值解法中的特征线法是目前理论最为cc=+1KdEs（3）[2]0完善也最常被使用的方法。国际上许多水锤2计算程序，如EASYPIPE、KEDRU、FLOTRAN其中：K为液体体积模量，N/m；d为管道内径，[3-4]等，就是采用特征线方法。m；s为管道厚度，m；E为管道材料杨氏模量，2我国在水锤方面研究虽与国外相比尚有N/m。些差距，但在水锤理论研究及水锤防范方面也c0表示压力波在无界流体中的传播速度：[5-7]取得了一定的成果。Flowmaster是当今全球cK=ρ（4）0最为著名的热流体系统仿真分析平台，以其高效的计算效率、精确的求解能力、便捷快速的特别指出，压力波在无界水中的传播速度建模方式而被全球许多著名的研究院所采用。近似为1420m/s。当考虑管壁的形变时，压力在国内有部分研究所以及核电厂开始利用这波的传播速度减慢了11+KdEs倍。种软件进行核电厂系统模拟计算，但还属于初级尝试阶段，在水锤模拟及计算领域应用尚属空白。本文通过Flowmaster对核电厂二回路给2数值模拟水系统进行建模，利用瞬态计算功能模拟水锤2.1构建模型发生及衰减的过程，分析水锤形成的原理并探对核电厂二回路主给水系统建模，以控制讨影响水锤作用的相关因素。阀和给水泵紧急关闭时形成的水锤为研究对象。选取研究范围从除氧器出口到蒸汽发生器1水锤基本理论入口，流程图示于图1。水锤现象的起因主要是由于阀瓣位置快速变化、泵或汽轮机的开启和停止、调节阀的流量调节、系统中的热量变化、系统中组件的震动例如往复运动机械等。水锤现象详细的过程描述在各类文献中较多，这里不再重复陈列，仅提出主要的计算公式。水锤的压力在扰动处的压力变化最大，其值可由Joukowsky方程得到：Δ=Δpcρv（1）2其中：Δp为压力变化量，N/m；ρ为液体密度，图1系统流程图3kg/m；c为波传播速度，m/s；Δv为流体速度变Fig.1Flowchartofsystem化，m/s。用液柱高度表示压力，则Joukowsky方程根据系统流程图的设计，选择合适元件，可表示为：将各部分组件连接在一起，形成系统模型图。Δ=ΔHcvg/（2）2.2基本参数其中：ΔH为液柱高度，m；g为重力加速度，当模型建立完毕后，对模型中各元件赋予2g＝9.81m/s。相应的参数，并导入给水泵和给水控制阀输入 194原子能科学技术第44卷特性曲线。在组件参数栏中输入基本参数，系统模型的基本参数列于表1。表1模型参数Table1Modelparameters位置参量数值备注入口压力源泵前入口压力（除氧系统出口），MPa0.9出口压力源阀后出口压力（蒸汽发生器入口），MPa6.88给水泵流量，kg/s813.50增压泵/主泵额定扬程，m268/586.8主泵选择50Hz额定转速，r/min1493/4775A型泵额定功率，kW2517/54452泵转动惯量，kg·m2.52电机转动惯量，kg·m519给水泵控制器关闭时间，s10阀前钢管长度，m24.9绝对粗糙度，mm0.025直径，m0.4064弹性模量WB36CN1阀门直径，m0.4064阀门开度1类型截止型控制阀阀门控制器阀门关闭时间，s1～5高压换热器压降，MPa0.0672.3仿真模拟阀门前端，并在波动的过程中不断损失减弱。在模拟运行前输入模拟过程参量，将模拟导出阀前节点压力变化曲线，如图2所示。的类型选择为“瞬态模拟”，计算时间步长并输入模拟起始和终了的时间。利用弹性管道的网格尺度的计算公式（2），可选择时间步长Δt为0.005s。SLct=Δ（5）起止时间可根据模拟的要求来设定，起止时间间隔设置的越长，计算的时间也就越长，在这里选择起止时间为0～11s。当检查所有参数无误后即可点击“运行”按钮进行模拟，模图2正常工况下阀门前压力变化曲线拟结束后可点击“结果”进行查看。Fig.2Pressurecurvebeforecontrolvalvesundernormalcondition3计算结果分析根据设定的模型和输入的参数，在模拟后1）第1次压力高峰可得到各节点和组件的各种瞬态特性，包括压从图2中能看到明显的水锤现象，给水控力瞬变等。制阀关闭的过程中，阀门开度减小，流速增高3.1模型验证的同时阀门前压力不断升高。在阀门完全关闭水锤现象形成的最大压力波动Δp产生在时，形成了明显的压力波动（即水锤），在完全 增刊王鑫等：压水堆核电厂主给水管道水锤计算及分析195关闭瞬间形成第1次压力高峰。水锤在往复的传播过程中不断衰减，形成阻尼振荡，压力波动也趋于稳定。2）第2次压力高峰由于给水泵具有转动惯量，在接到关闭信号后还要持续转动一段时间，因此，相对于阀门需要更长的关闭时间。在此期间，流体在给水泵、控制阀之间管路积累，管路压力持续升高。当给水泵完全关闭的时候，压力达到了极图4阀门关闭时间5s时阀门前压力变化曲线值，即第2次压力高峰。在这段压力变化曲线Fig.4Pressurecurvebeforecontrolvalves中，压力变化的主导因素已经由水锤压力波变forvalvesshutdownat5s为给水泵惰转产生的压力累积。在压力变化的过程中也存在着小的浮动，这是水锤阻尼震荡后期的作用结果，但已不是主要影响因素。阀门前压力在阀门、泵完全关闭后逐渐趋于稳定，约300s达到稳定值。与实际情况相比，仿真结果较好地表现出实际运行中的情况。3.2给水控制阀关闭时间比较不同阀门关闭时间下的压力变化曲线，观察阀门前处管路压力变化，当延长阀门关闭时间时，压力波动的峰值降低，波动的频图5泵关闭时间5s时阀门前压力变化曲线率减缓，水锤效果减弱；当阀门关闭时间缩短Fig.5Pressurecurvebeforecontrolvalves时，压力波动更加剧烈，达到的峰值也越高，forpumpsshutdownat5s波动频率也更大，水锤作用更为明显。如图3、4所示。图6泵关闭时间10s时阀门前压力变化曲线Fig.6Pressurecurvebeforecontrolvalves图3阀门关闭时间1s时阀门前压力变化曲线forpumpsshutdownat10sFig.3Pressurecurvebeforecontrolvalvesforvalvesshutdownat1s通过上面的观察，可发现泵的完全关闭时间增长，即惰转时间越久，管路压力波动也就3.3给水泵关闭时间越发明显。这种贡献体现在压力的积累方面，给水泵的完全关闭时间，对于给水系统中并最终体现在第2次压力峰值上。压力震荡的影响也十分重要，尤其是紧急关闭3.4给水控制阀、给水泵关闭时间间隔触发信号后管路压力波动的第2次峰值。分别在以上的分析中，分别讨论了给水控制阀观察给水泵在关闭时间为5s和10s条件下压和给水泵完全关闭时间对于管路压力波动的影力波动的情况，如图5、6所示。响，这些讨论均在相同条件下进行，即同一信 196原子能科学技术第44卷号触发给水控制阀和给水泵，两者得到信号后于给水泵要小一些，当阀门关闭时间延迟后，同时触发（图7）。在这里进一步讨论如果两者两个波峰将靠拢且由于间隔时间减小，第2个存在一定的触发间隔时间，将对管路波动压力波峰前段增长过程减短，导致第2个波峰值减产生何种影响。小；阀门关闭时间继续延迟，当关闭时间一致时（图9），泵关闭引起的压力波动作用已经很小，压力波动主要由水锤作用起主导作用。3.5管径在实验的过程中，进一步探索管路管径的大小对于水锤现象的影响。分别分析管径在0.2和0.4m条件下的水锤效果（图10、11）。分别比较图10、11发现，管径变化对于水锤最大压力没有直接关系，即在水锤现象中，图7同时触发时阀门前压力变化曲线压力波动极值并不受所在管路的管径影响，这Fig.7Pressurecurvebeforecontrolvalvesunder一点证实了在之前介绍的最大压力计算公式。touchingoffinthemeantime管径对水锤的影响体现在阻尼振动过程中振幅同样，仍采用比较的方法，不改变其他参衰减的速度。量，将给水控制阀关闭时刻向后推迟（图8、9），与同时触发的结果相比较。图10管径0.4m条件下阀门前压力变化曲线Fig.10Pressurecurvebeforecontrolvalvesatpipediameter0.4m图8阀门延迟3s关闭阀门前压力变化曲线Fig.8Pressurecurvebeforecontrolvalvesundervalvesdelayshutdownfor3s图11管径0.2m条件下阀门前压力变化曲线Fig.11Pressurecurvebeforecontrolvalvesatpipediameter0.2m图9阀门延迟8s关闭阀门前压力变化曲线Fig.9Pressurecurvebeforecontrolvalves阀门关闭时形成水锤压力波，压力波在完undervalvesdelayshutdownfor8s全关闭瞬间达到极值，并在之后往复传播中逐渐衰减，管径的尺寸影响衰减的速度。在上述分析图7～9，由于阀门完全关闭时间相对比较中，管径0.4m的回路发生水锤后压力波动 增刊王鑫等：压水堆核电厂主给水管道水锤计算及分析197能够较快趋于平稳，振幅衰减很快；管径0.2m1987,8(3):1-14(inChinese).的回路在发生水锤后，震荡持续较高幅度，需[2]赵嘉明.核动力装置一回路水锤研究及仿真计算要更长的时间才能减弱下来。两者相比虽在压[D].黑龙江，哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.[3]USPURASE,KALIATKAA,DUNDULISG.力极值处相似，但由于后者持续高振幅震动，AnalysisofpotentialwaterhammerattheIgnalina对管路造成的影响更为明显。NPPusingthermal-hydraulicandstructuralanalysiscodes[J].NuclearEngineeringandDesign,4结语2001(203):1-12.水锤问题是核电厂主给水系统中有关稳定[4]BERGANTA,SIMPSONAR,TIJSSELINGAS.可靠运行的重要问题，本文通过Flowmaster瞬Waterhammerwithcolumnseparation[J].Journal态分析功能，建立了核电厂主给水系统给水泵-ofFluidsandStructures,2006(22):135-171.给水控制阀系统，对主给水系统仿真运行模拟，[5]刘志勇，刘光临，苏峰杰.压水堆核电厂三回路得到水锤压力变化曲线，通过与实际阀门阈值停泵水锤数值模拟[J].核动力工程，2005，26（5）：设定相比较验证模型和仿真方法的可靠性。计502-505.算结果表明，在简单的泵-阀系统关闭过程中，LIUZhiyong,LIUGuanglin,SUFengjie.阀门和给水泵的关紧时间对水锤形成有较大影Numericalsimulationofpump-stoppingwater响，泵的惰转时间会加剧压力振动，但另一方hammerintertiarycirculatingwatersystemofPWR面，泵的惰转对主给水系统的固有安全性具有nuclearpowerplant[J].NuclearPowerEngineering,积极影响；管路的管径对水锤的影响主要体现2005,26(5):502-505(inChinese).在压力波动的振幅，但在管径设计的过程中主[6]杨远东，邓志光.停泵水锤计算及其防护措施[J].要考虑因素仍是流量；对于给水控制阀和给水中国给排水，2000，16（5）：29-32.泵关闭触发信号是否同步也需进一步讨论，触YANGYuandong,DENGZhiguang.发信号同步有助于迅速关闭系统，但相比于不Pump-stoppingwaterhammercalculationand同步的触发，形成的水锤作用更为明显。综合safetymeasures[J].ChineseWaterSupply&上面几方面考虑，在给水系统设计中需综合考Drainage,2000,16(5):29-32(inChinese).虑各方面因素。[7]胡志敏，王苇，孟海波.核动力装置二回路给水系统水锤动态计算分析[J].船海工程，2007，36（3）：90-93.参考文献：HUZhimin,WANGWei,MENGHaibo.Adynamic[1]刘叔千.美国核电站中的水锤及其评价[J].核动analysisofsecondloopwaterhammersinthewater力工程，1987，8（3）：1-14.supplyofanuclearpowerplant[J].Ship&OceanLIUShauqiu.AmericannuclearpowerplantswaterEngineering,2007,36(3):90-93(inChinese).hammersreview[J].NuclearPowerEngineering,'