核電廠重要廠用水系統(tǒng)水錘現(xiàn)象研究

王 濤 李國棟 劉 謙

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百萬千瓦級壓水堆核電廠重要廠用水系統(tǒng)(SEC)的主要功能是對設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)進(jìn)行冷卻,將一回路的熱負(fù)荷輸送至海水中[1]。在實(shí)際運(yùn)行過程中,采用二階緩閉止回閥后,系統(tǒng)仍多次發(fā)生停泵關(guān)閥水錘現(xiàn)象,使止回閥后壓力開關(guān)頻繁閃發(fā)高壓信號,系統(tǒng)出現(xiàn)壓力波動。水錘現(xiàn)象的發(fā)生使SEC設(shè)備存在破損風(fēng)險,機(jī)組存在熱損傷風(fēng)險,因此有必要對停泵關(guān)閥水錘多發(fā)的原因進(jìn)行分析。

1 分析方法

水錘是壓力管道內(nèi),因介質(zhì)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(xiàn) 象[2]。根據(jù)水錘的運(yùn)動力學(xué)規(guī)律和連續(xù)原理通過微積分方法對其進(jìn)行描述,即水錘的基本方程：運(yùn)動方程和連續(xù)性方程。

運(yùn)動方程為：

連續(xù)方程為：

式中：H 為系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)因水錘而產(chǎn)生的瞬態(tài)壓頭,m;V 為系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)因水錘而產(chǎn)生的瞬態(tài)流速,m/s;f為系統(tǒng)介質(zhì)的沿程阻力系數(shù);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(wǎng)流體分析軟件的瞬態(tài)模塊,將水錘基本方程轉(zhuǎn)化為一定條件下的常微分方程,運(yùn)用特征線積分得到有限差分方程后再進(jìn)行水錘方程求解。

根據(jù)系統(tǒng)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(guān)閉時間的壓力變化情況,二階緩閉止回閥不同的運(yùn)行工況見表1。二階緩閉止回閥可分別設(shè)定一階和二階關(guān)閉時間,總關(guān)閉時間不超過5 s。

表1 止回閥運(yùn)行工況表

2 工況分析

(1)工況1。工況1對應(yīng)止回閥無關(guān)閉時泵內(nèi)流量及轉(zhuǎn)速變化情況。根據(jù)設(shè)定泵在第10 s停運(yùn),停泵約7.5 s后(即第17.5 s后)系統(tǒng)流體開始倒流、停泵約11 s后(即第21 s后)泵開始出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

(2)工況2。采用PIPENET 軟件分析止回閥運(yùn)行工況2,系統(tǒng)停泵關(guān)閥后13 s左右,標(biāo)高＋8.5 m 的壓力測點(diǎn)出現(xiàn)首個高壓力波動,壓力值為127.5 k Pa,超出測壓開關(guān)的觸發(fā)值。

(3)工況3。采用PIPENET 軟件分析止回閥運(yùn)行工況3,系統(tǒng)停泵關(guān)閥后10.5 s左右,標(biāo)高＋8.5 m 壓力測點(diǎn)處出現(xiàn)首個高壓力波動,壓力值達(dá)250.1 kPa,超出測壓開關(guān)的觸發(fā)值。

(4)工況4。采用PIPENET 軟件分析止回閥運(yùn)行工況4,系統(tǒng)停泵關(guān)閥后11.5 s左右,標(biāo)高＋8.5 m 壓力測點(diǎn)處出現(xiàn)首個高壓力波動,壓力值達(dá)49 k Pa左右,略超出測壓開關(guān)的觸發(fā)值。

(5)工況5。采用PIPENET 軟件分析止回閥運(yùn)行工況5,系統(tǒng)停泵關(guān)閥后12 s左右,標(biāo)高＋8.5 m 壓力測點(diǎn)處出現(xiàn)首個高壓力波動,壓力值達(dá)39.2 kPa左右,略低于測壓開關(guān)的觸發(fā)值。

3 結(jié)果分析

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

系統(tǒng)內(nèi)水錘的根本原因是流體流態(tài)的突變進(jìn)而造成的動量改變。

閥門關(guān)閉第1個階段,止回閥在系統(tǒng)內(nèi)主要起減小倒流流量的作用,一般要求其快關(guān)以減少后續(xù)流體倒流,防止泵設(shè)備飛逸反轉(zhuǎn)破壞,并且希望其在停泵后系統(tǒng)流體正流過程中即開始動作,目的是減小第二階關(guān)閥時流體倒流的起始速度,進(jìn)而降低第二階關(guān)閉引起的流體動量突變量;閥門關(guān)閉第2個階段,止回閥在系統(tǒng)內(nèi)主要起減小系統(tǒng)內(nèi)流體流態(tài)突變降低系統(tǒng)水錘的作用,因此希望閥門關(guān)閉時間盡可能延長而達(dá)到系統(tǒng)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(tǒng)運(yùn)行過程圖

4 結(jié)束語

根據(jù)以上分析,SEC出現(xiàn)停泵關(guān)閥水錘的原因?yàn)椋憾A緩閉止回閥在系統(tǒng)流體倒流后開始關(guān)閉,同時第二階分配時間調(diào)節(jié)不合理造成流體動量變化大,形成了明顯的停泵關(guān)閥水錘。據(jù)此制定預(yù)防措施如下：

(1)計算系統(tǒng)管路承壓能力,調(diào)整止回閥第一階動作起始時間。

(2)調(diào)整止回閥二階動作分配時間：延長第二階關(guān)閉時長,同時分析倒流反轉(zhuǎn)和系統(tǒng)瞬態(tài)壓力的關(guān)系,合理設(shè)置第一階的關(guān)閉時間。