雙泵并聯(lián)給水系統(tǒng)切換方式模擬研究

王 鑫，韓偉實(shí)，何藝峰，2，幸奠川

（1．哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2．西北核技術(shù)研究所，陜西西安710024）

離心泵是給水系統(tǒng)中的重要設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中為了保證連續(xù)供水、提高給水系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，經(jīng)常設(shè)置兩臺(tái)相同的離心泵，一臺(tái)運(yùn)行，另一臺(tái)備用。當(dāng)一臺(tái)給水泵停機(jī)時(shí)另一臺(tái)能夠迅速投入使用，保證系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定供水［1］。在運(yùn)行泵發(fā)生故障停機(jī)、不停止供水檢修某一臺(tái)給水泵以及均衡兩臺(tái)給水泵壽命等條件下，需要進(jìn)行給水泵切換。

給水泵切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生給水流量波動(dòng)，尤其對(duì)于某些需要嚴(yán)格穩(wěn)定流量輸出的系統(tǒng)，這種流量波動(dòng)將產(chǎn)生較大影響。目前很多學(xué)者已對(duì)離心泵瞬態(tài)理論分析及數(shù)值模擬進(jìn)行了深入研究：田文喜、蘇光輝等針對(duì)雙泵并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了水錘因素分析［2－3］；吳大轉(zhuǎn)等數(shù)值模擬了離心泵在瞬態(tài)操作條件下內(nèi)部流動(dòng)，與試驗(yàn)結(jié)果吻合［4］；楊洪波等分析了核電廠常規(guī)電動(dòng)給水泵切換瞬態(tài)特性［5］；張龍飛等研究了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)船用核動(dòng)力主泵瞬態(tài)特性的影響［6］。

影響切換過(guò)程中流量特性的因素較多，主要包括切換時(shí)的運(yùn)行工況、給水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、切換方式等，本文著重研究不同的切換方式對(duì)雙泵切換過(guò)程流量特性的影響。建立雙泵并聯(lián)給水系統(tǒng)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，利用驗(yàn)證后的模型對(duì)不同切換方式下流量特性進(jìn)行研究，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)與模擬

1．1 試驗(yàn)

本試驗(yàn)中設(shè)計(jì)雙泵并聯(lián)給水系統(tǒng)，為防止支路倒流造成給水泵倒轉(zhuǎn)，在每個(gè)支路給水泵下游都安裝有一個(gè)止回閥。

試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。以常溫下水為工質(zhì)，在接近大氣壓力條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究。兩臺(tái)給水泵的額定轉(zhuǎn)速1 450r／min。電磁流量計(jì)最高流速15m／s，精確度為0．3級(jí)（流速≥1m／s），環(huán)境溫度－10～＋60℃。采用3595系列IMP數(shù)據(jù)采集器作為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)回路流量參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

按照?qǐng)D1將試驗(yàn)裝置連接并檢查，保證一切設(shè)備正常工作。試驗(yàn)中在1＃泵運(yùn)行、2＃泵備用條件下開(kāi)始，先關(guān)閉1＃離心泵，再啟動(dòng)2＃離心泵。

1．2 模型建立

建立模型需要做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè)：①給水系統(tǒng)工質(zhì)為常溫常壓下水；②流體處于單相狀態(tài)；③流體沿回路看作一維流動(dòng)?？紤]到離心泵和止回閥的特性和計(jì)算精度，通過(guò)計(jì)算將時(shí)間步長(zhǎng)定為0．1s。

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Scheme of experimental device

為進(jìn)行數(shù)值模擬，需要對(duì)整個(gè)給水系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備建立模型。

1．2．1 離心泵模型

離心泵是整個(gè)回路中流體流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。目前離心泵瞬態(tài)過(guò)程的相關(guān)研究較多［7－9］，在泵開(kāi)啟過(guò)程中，流體流動(dòng)行為主要是由轉(zhuǎn)動(dòng)部件的慣性及流體慣性控制。離心泵瞬態(tài)方程可以寫(xiě)成［10］：

式中：g為重力加速度，m／s2；A為流通截面，m2；De為等效管道直徑，m；q為質(zhì)量流量，kg／s，t為時(shí)間，s；hp為泵揚(yáng)程，m；f為摩擦因子；De為等價(jià)管道直徑，m；Ae為等價(jià)流通截面，m2；下標(biāo)i表示第i段控制體。

1．2．2 止回閥模型

將這兩個(gè)數(shù)組放在軟件數(shù)據(jù)顯示功能模塊中的組織數(shù)據(jù)步驟里，運(yùn)行效果見(jiàn)圖5。結(jié)果表明數(shù)據(jù)顯示功能模塊能夠?qū)⒔邮艿降臄?shù)據(jù)正常地顯示在布局中。

止回閥穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)兩種狀態(tài)進(jìn)行模擬。1．穩(wěn)態(tài)情況，壓降公式為：

2．瞬態(tài)情況，采用以下公式：

式中：Cd為系數(shù)，不同時(shí)間下，補(bǔ)償系數(shù)Cd采用不同的計(jì)算方法；A0為管道截面積，m2；ΔP為閥門(mén)入口和出口之間的壓降，Pa。

1．2．3 阻力件模型

阻力件一般采用如下公式計(jì)算：

式中：ΔP0為阻力件前后壓降，Pa；K為損耗系數(shù)；A0為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為體積流量，m3／s。

1．3 模型驗(yàn)證與模擬結(jié)果

利用建立的雙泵并聯(lián)系統(tǒng)模型，模擬1＃運(yùn)行泵切換到2＃備用泵的瞬態(tài)過(guò)程，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較如圖2所示。從圖2可以看出試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的偏差在誤差允許范圍內(nèi)，因此，本模型是合理的。

在雙泵切換過(guò)程中，系統(tǒng)流量曲線近似呈W形。圖2中，在AB段，1＃離心泵由開(kāi)啟狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，支路流量減少，但是由于離心泵惰轉(zhuǎn)作用，支路仍然會(huì)產(chǎn)生正向流量，此時(shí)2＃離心泵處于關(guān)閉狀態(tài)，總回路流量下降；在BC段，1＃泵惰轉(zhuǎn)產(chǎn)生正向流量，2＃泵由關(guān)閉轉(zhuǎn)為開(kāi)啟，2＃泵支路流量增加，導(dǎo)致整個(gè)回路流量增加，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，1＃泵支路正向流量為零，整個(gè)回路流量達(dá)到局部峰值；在CD段，1＃泵支路出現(xiàn)倒流，2＃泵支路正流，主回路系統(tǒng)總流量下降；在DE段，1＃止回閥逐漸關(guān)閉，倒流減小，2＃泵流量逐步增大，系統(tǒng)總流量增加，到達(dá)E點(diǎn)時(shí)1＃止回閥全部關(guān)閉，系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 雙泵切換流量特性曲線Fig．2 Flow curves in the process of switching pumps

2 切換方式研究

雙泵切換方式包括以下三種：

①先啟動(dòng)備用泵后關(guān)閉運(yùn)行泵（方式一）；②先關(guān)閉運(yùn)行泵后啟動(dòng)備用泵（方式二）；③同時(shí)開(kāi)啟備用泵和關(guān)閉運(yùn)行泵（方式三）。

實(shí)際工程中不同工況下對(duì)應(yīng)不同的泵切換方式：在運(yùn)行泵發(fā)生故障停機(jī)，備用泵啟用時(shí)，雙泵切換采用方式一，當(dāng)時(shí)間間隔很小時(shí)也可視為方式三；在不停止供水條件下檢修某一臺(tái)給水泵或者均衡兩個(gè)給水泵壽命等計(jì)劃內(nèi)切換時(shí)，可根據(jù)需要采用三種啟動(dòng)方式的任意一種。

2．1 模擬結(jié)果

利用已經(jīng)驗(yàn)證的系統(tǒng)模型對(duì)三種不同泵切換方式下系統(tǒng)流量波動(dòng)情況進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同泵切換方式下系統(tǒng)流量波動(dòng)曲線Fig．3 Flow curves in different switching mode

（1）先啟后閉，在AB段，備用泵首先啟動(dòng)，此時(shí)運(yùn)行泵（1＃）滿功率運(yùn)行，備用泵（2＃）流量增加，1＃、2＃支路正流，給水系統(tǒng)流量增加，流量超過(guò)正常供給值，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)流量最大；此后1＃泵關(guān)閉，1＃支路流量減少，但是1＃泵在慣性惰轉(zhuǎn)作用下繼續(xù)正向給水，2＃泵流量繼續(xù)增加，系統(tǒng)流量減??；之后1＃泵停止，所在支路出現(xiàn)逆流，2＃泵支路正流，直到C點(diǎn)系統(tǒng)流量達(dá)到最??；在CD段，1＃止回閥逐漸關(guān)閉，倒流減小，系統(tǒng)總流量增加，到達(dá)D點(diǎn)時(shí)1＃止回閥全部關(guān)閉，系統(tǒng)流量達(dá)到穩(wěn)定。由于采用先開(kāi)啟后關(guān)閉的切換方式，系統(tǒng)流量在波動(dòng)階段前期大于穩(wěn)定輸出流量值，切換過(guò)程流量輸出總和大于穩(wěn)定輸出時(shí)的流量總和。

（2）先閉后啟與同時(shí)啟閉切換方式，雙泵切換過(guò)程中，系統(tǒng)流量特性曲線近似成W型，其形成原理見(jiàn)前文1．3節(jié)中W型曲線形成機(jī)理分析。

2．2 不同切換方式比較分析

對(duì)于計(jì)劃內(nèi)雙泵切換，三種切換方式均可采用。方式一中系統(tǒng)失水量小，最低流量較高，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間短，但流量波動(dòng)較大，在切換瞬態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)總流量大于穩(wěn)定輸出時(shí)流量。與方式一相比，方式二、三在雙泵切換過(guò)程中失水量較大，系統(tǒng)總流量低于穩(wěn)定輸出時(shí)供水量。

對(duì)于非計(jì)劃內(nèi)事故工況雙泵切換，可采用方式二、三，即運(yùn)行泵先停，備用泵迅速啟動(dòng)。比較發(fā)現(xiàn)方式三在雙泵切換過(guò)程中系統(tǒng)失水量小，最低流量較高，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間短。在實(shí)際工況中，采用同時(shí)啟閉方式，即盡量減少雙泵切換時(shí)間間隔將更易于緩解流量波動(dòng)問(wèn)題。

3 切換時(shí)間間隔研究

不同的切換方式具有不同的流量特性曲線，對(duì)于切換方式一和方式二，切換過(guò)程時(shí)間間隔也發(fā)揮著明顯的作用。通過(guò)模擬不同時(shí)間間隔下系統(tǒng)流量的波動(dòng)，比較時(shí)間間隔大小對(duì)系統(tǒng)流量特性的影響。

3．1 先啟后閉方式切換時(shí)間間隔研究

先啟后閉雙泵切換方式在不同時(shí)間間隔下系統(tǒng)流量波動(dòng)如圖4所示，切換時(shí)間間隔為分別0．5s、1s和1．5s。圖4表明，對(duì)于不同時(shí)間間隔，切換過(guò)程中流量曲線形狀相近，AB段內(nèi)2＃備用泵開(kāi)啟，流量曲線相重合；時(shí)間間隔大小不同，系統(tǒng)流量峰值出現(xiàn)的時(shí)間和位置也不同，即間隔時(shí)間越長(zhǎng)，峰值出現(xiàn)越晚、位置也越高，總體上系統(tǒng)流量波動(dòng)也將愈加明顯。不同時(shí)間間隔直接影響1＃運(yùn)行泵關(guān)閉時(shí)刻，時(shí)間間隔越長(zhǎng)，運(yùn)行泵關(guān)閉延遲越長(zhǎng)，具體表現(xiàn)為流量曲線峰值位置延時(shí)并且上移，造成后續(xù)的流量波動(dòng)階段以及流量恢復(fù)穩(wěn)定階段流量波動(dòng)更加明顯。因此，對(duì)于先啟后閉切換方式，切換間隔時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)流量波動(dòng)也更大，給水穩(wěn)定性受到更大的影響。

3．2 先閉后啟方式切換時(shí)間間隔研究

圖4 先啟后閉方式切換下系統(tǒng)流量波動(dòng)Fig．4 Flow curves in the switching mode of closing one pump after starting another one

先閉后啟雙泵切換方式在不同時(shí)間間隔下系統(tǒng)流量波動(dòng)如圖5所示，切換時(shí)間間隔分別為0．5s、1s和1．5s。由圖5可知，對(duì)于三種不同時(shí)間間隔切換方式，切換過(guò)程中流量曲線形狀近似，AB段內(nèi)1＃運(yùn)行泵關(guān)閉，流量曲線相重合；間隔時(shí)間長(zhǎng)短影響了系統(tǒng)流量波谷出現(xiàn)的時(shí)間和位置，間隔時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)流量波谷出現(xiàn)越晚、出現(xiàn)位置越低，總體上系統(tǒng)流量波動(dòng)也將愈加明顯。不同時(shí)間間隔直接影響2＃備用泵開(kāi)啟時(shí)刻，時(shí)間間隔越長(zhǎng)，備用泵開(kāi)啟延遲越長(zhǎng)，具體表現(xiàn)為流量曲線波谷位置下移，造成后續(xù)的流量波動(dòng)階段以及流量恢復(fù)穩(wěn)定階段流量波動(dòng)更加明顯。因此，對(duì)于先閉后啟切換方式，切換間隔時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)失水量越大，流量波動(dòng)也更大，給水穩(wěn)定性受到更大的影響。

圖5 先閉后啟泵切換方式下系統(tǒng)流量波動(dòng)圖Fig．5 Flow curves in the switching mode of starting one pump after closing another one

綜上，無(wú)論采取哪種切換方式，縮短泵切換時(shí)間間隔，能減小系統(tǒng)流量波動(dòng)，使系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定工作。

4 結(jié)論

對(duì)雙泵并聯(lián)給水系統(tǒng)進(jìn)行了建模，通過(guò)試驗(yàn)證明了模型的準(zhǔn)確性。模擬不同雙泵切換方式條件下系統(tǒng)流量波動(dòng)過(guò)程，得到以下結(jié)論：（1）模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差在允許的范圍內(nèi)；（2）先啟后閉切換方式下系統(tǒng)失水量小，最低流量大，同時(shí)啟閉切換方式系統(tǒng)流量波動(dòng)最小，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間短；（3）采用同時(shí)啟閉方式在泵切換過(guò)程中系統(tǒng)失水量小，最低流量較高，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間短；（4）雙泵切換時(shí)間間隔越短，系統(tǒng)流量波動(dòng)越小，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間越短，在實(shí)際工況中，要盡量減小切換時(shí)間間隔。

［1］ 郭強(qiáng)，趙新文，蔡琦．反應(yīng)堆冗余泵組的共因失效分析［J］．核動(dòng)力工程，2009，30（5）：89－92．

［2］ Wenxi Tian，GH Su，Gaopeng Wang，et al．Numerical simulation and optimization on valve－induced water hammer characteristics for parallel pump feedwater system［J］．Annals of Nuclear Energy，2008，35（12）：2280－2287．

［3］ TIAN Wenxi，SU Guanghui，WANG Gaopeng，et al．Mitigating check valve slamming and subsequentwater hammer events for PPFS using MOC［J］．Nuclear Science and Techniques，2009，20（2）：118－123．

［4］ 吳大轉(zhuǎn)，許斌杰，李志峰，等．離心泵瞬態(tài)操作條件下內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30（5）：781－783．

［5］ 楊洪波，吳煥云．核電廠常規(guī)島電動(dòng)給水泵切換瞬態(tài)分析［J］．核電技術(shù)論壇熱力發(fā)電二〇二，2011，40（1）：82－83．

［6］ 張龍飛，張大發(fā)，王少明．轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)船用核動(dòng)力主泵瞬態(tài)特性的影響研究［J］．船海工程，2005，（2）：55－57．

［7］ Kolev N，Petrov N，Ivanov B，et al．Simulation of the VVER－1000pump start－up experiment of the OECD V1000CT benchmark with CATHARE and TRAC－PF1［J］．Progress in Nuclear Energy，2006（48）：922－936．

［8］ Rohani M，Afshar M H．Simulation of transient flow caused by pump failure：Point－Implicit Method of Characteristics［J］．Annals of Nuclear Energy，2010（37）：1742－1750．

［9］ 郭玉君，張金玲，秋穗正，等．反應(yīng)堆系統(tǒng)冷卻劑泵流量特性計(jì)算模型［J］．核科學(xué)與工程，2005，15（3）：220－231．

［10］ Kazem Farhadi，Anis Bousbia－salah，F(xiàn)ranscesco D’Auria．A model for the analysis of pump start－up transients in Tehran Research Reactor［J］．Progress in Nuclear Energy，2007（49）：499－510．