核島重要廠用水系統(tǒng)停泵水錘計算分析

許 拓，穆祥鵬，蔣序倫，王爭光，張艷娥

（1.中廣核工程有限公司設計院，廣東 深圳 518045；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038）

核島重要廠用水系統(tǒng)停泵水錘計算分析

許 拓1，穆祥鵬2，蔣序倫1，王爭光1，張艷娥1

（1.中廣核工程有限公司設計院，廣東 深圳 518045；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038）

核島重要廠用水（SEC）系統(tǒng)是核島向最終熱阱（大海）的直流海水輸熱系統(tǒng)、安全級系統(tǒng)，必須長期穩(wěn)定、安全、可靠的運行。文章通過數(shù)值模擬的方法計算SEC系統(tǒng)停泵時的水錘過程，分析空氣閥、單向調(diào)壓水箱、緩閉止回閥水錘防護方案在SEC系統(tǒng)中的適用性。

重要廠用水系統(tǒng)；安全級系統(tǒng)；泵站；水錘

核島重要廠用水（SEC）系統(tǒng)主要功能是通過海水將核島安全有關(guān)的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的熱量輸送到核電站最終熱阱（大海）。SEC系統(tǒng)具有安全功能，是核電站冷卻系統(tǒng)的一部分，是核安全相關(guān)系統(tǒng)。

每臺CPR1000核電機組的SEC系統(tǒng)設計有兩個系列，每個系列均為直流式的海水回路，由進水明渠、港池、濾網(wǎng)間、泵站、重要廠用水管道、貝類捕集器、SEC板式換熱器、排水管、排水溢流堰、重要廠用水排放構(gòu)筑物（GS排水廊道）等組成。每個系列有2臺水泵機組，單臺運行或并聯(lián)運行，每個系列的2臺水泵機組共用一條重要廠用水壓力管道。SEC系統(tǒng)從位于聯(lián)合泵房的循環(huán)水過濾系統(tǒng)鼓型濾網(wǎng)后取水。每個系列的設計要保證可冷卻2臺SEC板式熱交換器（2×50%）。在SEC水泵之后的出水管，SEC板式換熱器之前加設貝類捕集器。SEC系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。SEC系統(tǒng)的主要特點：安全級系統(tǒng)；輸送水量大；管道流速高；啟停頻繁；介質(zhì)為海水；凈水位差變化幅度大。

SEC系統(tǒng)是一個典型的開式循環(huán)泵站系統(tǒng)，根據(jù)《泵站設計規(guī)范》的規(guī)定，需要進行系統(tǒng)停泵瞬態(tài)分析，保證管道最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍，保證管道任何部位不應出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象[1]。由于SEC系統(tǒng)具有以上核系統(tǒng)獨有的特點，其水錘瞬變分析及防護與傳統(tǒng)的輸水管路有所差異，水錘防護的難度更大。本文采用數(shù)值模擬的方法計算了SEC系統(tǒng)停泵時的水錘過程，分析了空氣閥、單向調(diào)壓水箱、緩閉止回閥等水錘防護方案在SEC系統(tǒng)中的適用性。

1 數(shù)值計算方法

管道水力瞬變的基本方程，壓力管道中的水力瞬變過程可通過一對偏微分方程描述[2]：

式中：H——從基準線算起的測壓管水頭，m；

V——斷面平均流速，m/s；

f——沿程阻力系數(shù)；

D ——管道直徑，m；

a——水擊波速，m/s；

g——重力加速度（取9.81 m/s2）；

χ——距離，m；

t——時間，s。

方程（1）和方程（2）為雙曲型偏微分方程組，采用特征線方法，偏微分方程可以轉(zhuǎn)化為兩對常微分方程。

通過Fortran語言編程[2-3]和商業(yè)水力瞬態(tài)分析軟件對SEC系統(tǒng)的停泵水錘過程進行模擬分析。

2 水錘分析及防護措施

2.1 普通止回閥條件下的水錘分析

通過對各種海潮位、單泵或雙泵停泵工況、系統(tǒng)及設備潔凈和污垢條件，進行組合計算分析，確定系統(tǒng)潔凈條件下，最低海潮位時，系統(tǒng)停泵將發(fā)生最不利的水錘過渡過程。在此最不利工況條件下，在泵出口止回閥拒動時（或無閥系統(tǒng)），水泵出口附近管段因停泵水錘所造成的降壓波在第一個水錘相長內(nèi)（約0.58 s）達到最低值，約-5 m。約在停泵后7 s，管道系統(tǒng)的水體開始倒流，停泵后約10 s，泵開始倒轉(zhuǎn)。

SEC系統(tǒng)的水泵出口裝有快速關(guān)閉止回閥，在水泵出口裝設止回閥的傳統(tǒng)意圖是防止事故停電時管路中水倒灌以及管理維修上的方便，選擇合適的止回閥類型對管道水錘防護有很大的影響。泵站中大量的水錘事故與泵出口裝設的止回閥有關(guān)。事故停泵后水流開始倒流，在倒泄水流的作用下，止回閥迅速關(guān)閉。閥瓣在流速為零時關(guān)閉完畢是止回閥關(guān)閉的最佳狀態(tài)，要在流速為零時完成閥瓣關(guān)閉是不太可能的。一般認為，只要在零流量附近關(guān)閉完畢，就屬于止回閥運行正常。如果止回閥由于故障或支座摩阻及其慣性的影響，止回閥的關(guān)閉滯后于開始倒流的時間，即在倒流量增至一定值，甚至在最大倒流量的瞬間迅速關(guān)閉，則會在止回閥處產(chǎn)生非常大的水錘壓力，甚至會在管道沿線多處引起斷流彌合水錘，因此必須對止回閥的多種可能的關(guān)閉情況進行水錘分析，對止回閥在供水管路中的適用性進行論證。

對于普通止回閥，根據(jù)其設計要求，在計算時當出現(xiàn)閥后背壓大于閥前壓力時，閥門開始關(guān)閉，由于缺少普通止回閥的流體阻斷試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此在停泵水錘分析時，對多種閥門關(guān)閉時間進行了分析。計算發(fā)現(xiàn)如果采用止回閥完全關(guān)閉時間滯后水體倒流時刻大于0.25 s時，止回閥關(guān)閉就會造成較大的水錘升壓，隨后的降壓波將引起管道沿線多處壓力下降至汽化壓力，并出現(xiàn)水柱分離再彌合的情況。單泵停泵，止回閥完全關(guān)閉時間滯后水體倒流時刻0.25 s時，管道沿線的水頭包絡線如圖2所示，泵后水頭壓力過程如圖3所示。

管道水體發(fā)生汽化時，其危害不僅僅是汽穴彌合時的壓力躍升，還會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，對管道造成破壞。微射流理論認為，當水體汽化產(chǎn)生的圓形汽泡潰滅時，氣泡周圍的水體將發(fā)生向心流動，這種向心流動的后期不再穩(wěn)定，球形氣泡將發(fā)生變形而成為扁形空泡，并分裂為兩個小空泡，同時會發(fā)出劇烈的響聲，且在它們之間產(chǎn)生微射流，流速可達200 m/s左右，氣泡將會被高壓射入金屬的縫隙或是打擊在金屬壁面上，會對管壁產(chǎn)生強烈的腐蝕作用。如果止回閥由于故障或支座摩阻及其慣性等原因造成關(guān)閉時間滯后，由于普通止回閥的快速關(guān)閉特性，在較大的倒流流量情況下，將會在管道沿線產(chǎn)生更為嚴重的關(guān)閥水錘升壓，以及隨后而來的多處斷流彌合水錘，嚴重威脅系統(tǒng)安全[5]。因此必須對SEC系統(tǒng)的停泵水錘過程，采取水錘防護措施。

2.2 空氣閥防護方案

為保證供水系統(tǒng)的安全運行，應設法提高系統(tǒng)在停泵過渡過程中的最小壓力，空氣閥是避免管道中出現(xiàn)水柱分離式斷流彌合水錘的最有效的方法之一?？諝忾y的設置原則一般是：1）管道局部最高點（由水力坡度決定）；2）上升坡度變小點；3）長距離無折點管段，每400～800 m安裝一個排氣/吸氣閥。SEC系統(tǒng)的空氣閥布置重點應在管道系統(tǒng)水泵出口管段以及管道的局部最高點等易出現(xiàn)管道負壓的區(qū)域。研究過程中對多種布置方案進行了驗算，結(jié)果表明，換熱器出口是整個管線的最高點，也是過渡過程中負壓最大的區(qū)域之一，該位置在水泵正常運行時也處于較大的負壓狀態(tài)，但是空氣閥到換熱器的距離也不能太遠，否則無法消除換熱器附近較大的負壓。該位置范圍在系統(tǒng)正常運行時，水頭壓力始終為負壓，所以需要采用電動自控裝置控制該空氣閥的啟閉：在水泵啟動和正常運行時，關(guān)閉該空氣閥，在水泵事故斷電或全部停機時立即開啟該空氣閥。

空氣閥一般分為3類：進氣閥、排氣閥和復合式空氣閥。進氣閥，又稱真空破壞閥，是一種只進氣不排氣的閥門。其特點是當管中壓強大于大氣壓時能及時自動關(guān)閉，不使進入的空氣排出。當分離開的水柱相互接近時，管道中的空氣被壓縮，并對水錘升壓起緩沖作用，從而起到降低水柱彌合引起的壓力升高的作用。排氣閥的作用與進氣閥的作用相反，是一種只排氣不進氣的閥門。這種閥的特點是只排氣，不排水。當管道中的氣體排出后，會自動關(guān)閉，防止液體泄出。復合式空氣閥具有進氣閥和排氣閥的功能，當水壓下降到大氣壓以下時，空氣閥打開讓空氣進入，以減小管道內(nèi)真空度；當水流壓力大于大氣壓時，容許空氣逐漸排出，以避免分離液體迅速聚合形成的巨大的沖擊壓力，SEC系統(tǒng)擬選用組合式吸排氣空氣閥。

空氣閥的進排氣特性對于水錘防護效果影響很大，進氣口徑過小則可能因進氣量和進氣速度不夠而達不到水錘防護的效果，口徑過大，在排氣完畢，空氣閥關(guān)閉時可能會產(chǎn)生較大的水錘升壓，一般稱為“Air Slam”[4]。在這種情況下一般采用“快進慢出”的進排氣形式，因此，在空氣閥應用時，一般應根據(jù)實際情況對進、排氣孔口徑進行優(yōu)化，選擇合理的空氣閥形式及進出口面積。

空氣閥的進氣面積應由水錘發(fā)生時的所需要空氣吸入量來決定。所需要的空氣吸入量應等于管道爆炸時由重力引起的漏水流量。根據(jù)美國真空破壞閥的選型原則，空氣閥所需的空氣吸入流量可按公式（3）計算：

式中：s——管道的坡度，°；

D——管道的直徑，in；

Q——空氣流量，ft3/s。

為了方便地模擬空氣閥對水力瞬變的影響，假定氣體等熵流入流出空氣閥，管內(nèi)氣體溫度接近于液體溫度且遵守等溫定律。

綜合考慮各方面因素，并通過多次計算確定SEC系統(tǒng)應采用復合式空氣閥，進氣孔直徑采用0.1 m，出氣孔直徑采用0.01 m，這樣可以實現(xiàn)氣體的“快進慢出”，既能起到水柱分離式斷流彌合水錘的防護效果，又可以避免氣體釋放時發(fā)生過大的水錘升壓?？諝忾y的布置如圖4所示。正常運行時換熱器出口為負壓，為避免空氣閥動作，采用閥門隔離空氣閥，停泵時，隔離閥需自動開啟，進氣后破壞虹吸，空氣進入。

2.3 單向調(diào)壓水箱方案

單向調(diào)壓水箱是一種用于防止產(chǎn)生水柱分離的經(jīng)濟可靠的防護措施，常設于易產(chǎn)生負壓的部位，這種單向調(diào)壓水箱由一個小容量的水箱與輔助支管道（上水管和注水管）、閥件等組成。水箱通過逆止閥與泵站主管道連接，逆止閥的啟閉由注水管道的壓力控制，水泵啟動時，逆止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，并通過上水管立即向水箱充水；當水位達到正常水位后，補水管出口的浮球閥關(guān)閉，自動保持箱內(nèi)的水位。事故停泵后，當出水管道的壓力下降到水箱的正常水位以下時，逆止閥迅速打開，通過注水管道立即向主管道補水，以防止管道中壓力降低而產(chǎn)生液柱分離。

與雙向調(diào)壓水箱相比，單向調(diào)壓水箱由于在與主管道相連的短管上裝設有逆止閥，在補水管道的水箱端裝設有控制水位的浮球閥，因此水箱的高度可以大大降低，即只要有足夠的容積儲水來補充由于水柱分離而產(chǎn)生的氣穴就可以了。單向調(diào)壓水箱如圖5所示。

單向調(diào)壓水箱的容積必須能滿足整個水錘期間的總注水量，并保證有一定的余量，初步估算可以按照水柱分離量來考慮。水柱分離可能的汽穴體積可以按公式（4）估算[5]：

式中：V——水柱分離的汽穴體積，m3；

A——管道截面積，m2；

L——管道長度，m；

v——管道的初始流速，m/s；

H——水泵的實際揚程，m；

g——重力加速度（取9.81 m/s2）。

管道正常運行，吸水前池水位為設計低水位情況，單臺水泵運行時，揚程為32.1 m，流量為1.1 m3/s，管長取365 m，由公式（4）可得單臺水泵事故斷電時的最大空穴體積為1.78 m3。模型計算，單泵事故停機時，水柱分離而出現(xiàn)的最大空腔體積為1.9 m3，2臺水泵事故停機時在水泵出口后的管段所造成的2個最大水柱分離空腔體積可達3.2 m3。單向調(diào)壓水箱的水體體積按照空腔體積并乘以一個安全系數(shù)來初步確定。由文獻可知，安全系數(shù)一般取1.5～2.0，本研究采用較大的安全系數(shù)2.0，初步確定單向調(diào)壓水箱的容積為6.5 m3。

2.4 兩段關(guān)閉止回閥方案

當停泵時，可控的兩段關(guān)閉止回閥可以按照事先優(yōu)選后設定的關(guān)閥程序與速度動作實現(xiàn)兩段關(guān)閉，實現(xiàn)第一階段快關(guān)，第二階段緩關(guān)。從而控制止回閥關(guān)閉引起的壓力升高，同時也使得停泵引起的系統(tǒng)倒流量和水泵機組倒轉(zhuǎn)速度得到控制。

通過SEC系統(tǒng)停泵水錘的模擬計算可知，延長止回閥的緩關(guān)時間，可以提高管道沿線的最低壓力，且能夠有效減小止回閥關(guān)閉所造成的最大水頭波動。在一定范圍內(nèi)延長快關(guān)時間，有助于提升水泵出口附近管道的最低壓力。但水泵出口止回閥快關(guān)時間和緩關(guān)時間越長，水泵機組在過渡過程中的最大倒流流量和反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速就越大。因此必須通過水錘計算對兩段關(guān)閉止回閥的關(guān)閉程序進行分析和優(yōu)化。

閥門的固有流量特性主要分為4種：快關(guān)、線形、拋物線、等百分比。通過SEC系統(tǒng)模擬計算可知，等百分比特性的閥門采用緩關(guān)的形式就可大幅降低停泵關(guān)閥水錘升壓，線形（快關(guān)）特性的閥門需要采用兩階段（或三階段）關(guān)閥特性，方可大幅降低停泵關(guān)閥的水錘升壓。

圖6和圖7分別為采用兩段關(guān)閉止回閥后，單泵停泵時的水頭包絡線和泵出口后2.65 m高程處的壓力過程，從圖中可以看出，采用兩段關(guān)閉止回閥可以有效防止停泵水錘過程中的水柱分離問題，能夠保證系統(tǒng)安全。

3 水錘防護方案的比選

SEC系統(tǒng)是核安全相關(guān)系統(tǒng)，核島最終熱阱的執(zhí)行系統(tǒng)，而且核電廠一旦投運，就需要SEC系統(tǒng)不停地導出核島衰變熱，其必須長期穩(wěn)定、安全、可靠的運行。安全級系統(tǒng)應滿足RCCP-3，系統(tǒng)設備應按照RCCM-3生產(chǎn)制造。通過數(shù)值模擬計算，可知3種水錘防護措施均能夠保證停泵水錘過程中的系統(tǒng)安全，但在實際工程應用當中，3種水錘防護措施的適用性各不相同，3種水錘防護措施的適用性比較見表1。

4 結(jié)論

通過對SEC系統(tǒng)建模進行的瞬態(tài)分析，及對空氣閥、單向調(diào)壓水箱、緩閉止回閥方案的計算及比選，根據(jù)工程實際情況選擇兩階段關(guān)閉的緩閉止回閥方案，以防止系統(tǒng)停泵造成的水柱分離問題。

[1] 中華人民共和國水利部. 泵站設計規(guī)范[S]. GB/T 50265—2006.（The Ministry of Water Resources of the PRC. Design Criteria of Pump Station [S]. GB/T 50265—2006.）

[2] E. B. Wylie，V. L. Streeter. Fluid transients[M]. FEB press, Michigan, 1984.

[3] 楊開林. 電站與泵站的水力瞬變及調(diào)節(jié)[M]. 北京：中國水利水電出版社，2000.（YANG Kai-lin. Hydraulic Power Transient and Regulation for Power Plant and Pump Station [M]. Beijing: China Water Power Press, 2000.）

[4] Naftail Zloczower. Air valves and pressure Surge [J]. international water and irrigation. 2007，27（3）：12-14.

[5] 金錐，蔣乃昌，等. 停泵水錘及其防護[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.（JIN Zhui, JIANG Nai-chang, et al. Pump-off Water Hammer and Its Protection [M]. Beijing: China Construction Industry Press, 2004.）

The Calculation and Analysis to the Pump-stop Water Hammer of the Essential Service Water System

XU Tuo1，MU Xiang-peng2，JIANG Xu-lun1，WANG Zheng-guang1，ZHANG Yan-e1
(1. Design Institute of China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518045，China；2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China)

The essential service water system (SEC) is the DC water heat transport system from nuclear island to sea. SEC is the safety related system, which must operate in longterm stability, security and reliable status. The pump-stop water hammer of SEC system is calculated with numerical simulation and the applicability of water hammer protection measures, such as air valve, one-way surge tank and slow close check valve, is analyzed in SEC system.

SEC；safety system；pump station；water hammer

TL32 Article character：A Article ID：1674-1617(2012)01-0017-07

TL32

A

1674-1617(2012)01-0017-07

2011-09-13

許 拓（1970—），男，陜西人，工程師，學士，從事核電站系統(tǒng)設計工作。