核電站海水循環(huán)泵進(jìn)水流道試驗(yàn)研究

鄭海霞

上海阿波羅機(jī)械股份有限公司，上海 201401

循環(huán)水泵是核電站三回路系統(tǒng)的重要物項(xiàng)，其設(shè)計(jì)的可靠性是保證循環(huán)水系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。循環(huán)水系統(tǒng)的功能是在機(jī)組運(yùn)行期間向汽輪機(jī)的凝汽器和常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)的熱交換器提供必需的冷卻水。循環(huán)水泵是循環(huán)水系統(tǒng)的重要設(shè)備，循環(huán)水泵的可靠運(yùn)行關(guān)系到核電站的穩(wěn)定運(yùn)行。循環(huán)水泵進(jìn)水流道流態(tài)的檢驗(yàn)是循環(huán)水泵進(jìn)水流道合理性的關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)水流道設(shè)計(jì)的合理性是保證循環(huán)水泵常態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。為了驗(yàn)證進(jìn)水流道的合理性，現(xiàn)搭建循環(huán)水泵進(jìn)水流道試驗(yàn)臺(tái)架，以觀察水流經(jīng)過(guò)流道、粗格柵、細(xì)格柵、鼓網(wǎng)、前池、泵進(jìn)水流道的流態(tài)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

某核電站循環(huán)水泵設(shè)計(jì)參數(shù)如下：流量Q=29.56m3/s，揚(yáng)程H=16m，轉(zhuǎn)速n=173r/min。該循環(huán)水泵運(yùn)行的主要特征水位如表1所示。

表1 某核電廠循環(huán)水泵特征水位 單位：m

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1 佛汝德相似準(zhǔn)則

循環(huán)水泵進(jìn)水流態(tài)模型試驗(yàn)中的水流流動(dòng)是具有自由表面的、主要由重力和慣性力支配的流動(dòng)。根據(jù)《美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》（ANSI/HI 9.8—1998）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》），為了模擬循環(huán)水泵進(jìn)水流態(tài)，應(yīng)采用佛汝德相似準(zhǔn)則，原型和模型的佛汝德數(shù)必須相等，即

式中：p、m、r分別為原型、模型和原型與模型參數(shù)間的比值。

佛汝德數(shù)表達(dá)為慣性力與重力的比值，對(duì)水泵進(jìn)水口而言，有

式中：u為軸向平均流速（比如在水泵進(jìn)口處）；g為重力加速度；L為水泵進(jìn)口直徑。

按佛汝德相似準(zhǔn)則，設(shè)原型、模型的幾何比為λ，則水深、流速和流量的比尺分別為

在進(jìn)行水面渦試驗(yàn)時(shí)，偏于安全的做法是保持淹沒(méi)深度在1倍佛汝德數(shù)的數(shù)值，但按1.6倍佛汝德數(shù)適當(dāng)加大試驗(yàn)流量，以進(jìn)一步削弱比尺效應(yīng)。

2.2 雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)選擇

在研究水泵進(jìn)口可能產(chǎn)生的漩渦時(shí)，應(yīng)選擇合理的模型比尺，較大尺寸的模型所得的試驗(yàn)結(jié)果更精確、更可靠，可將黏滯力和表面張力的比尺效應(yīng)減到最小，但所需費(fèi)用較高。因此，在選擇模型比尺時(shí)，要兼顧試驗(yàn)精度和試驗(yàn)費(fèi)用。根據(jù)《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》，如果雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的數(shù)值分別大于3×104和120，黏滯力和表面張力對(duì)漩渦的影響就可以忽略不計(jì)。

該項(xiàng)目循環(huán)水泵進(jìn)口前的雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)分別為1.29×105和199.5，可在采用佛汝德數(shù)相似準(zhǔn)則的條件下滿(mǎn)足對(duì)雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的要求。

2.3 模型進(jìn)水流道出口直徑和模型水深

為了盡可能準(zhǔn)確地模擬前池和進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)，得到精確的測(cè)量結(jié)果，該項(xiàng)目模型試驗(yàn)選用的模型比尺應(yīng)使模型進(jìn)水流道出口的直徑不小于100mm、最小試驗(yàn)水深不小于150mm。為此，此次模型試驗(yàn)取模型進(jìn)水流道出口的直徑為120mm。該項(xiàng)目循環(huán)水泵進(jìn)水流道出口的直徑為2700mm，則此次模型試驗(yàn)的模型比為λ=2700/120=22.5。

此次模型試驗(yàn)鼓網(wǎng)和進(jìn)水流道、前池建筑物的幾何尺寸的比尺為L(zhǎng)r=λ=22.5。

此次模型試驗(yàn)水深比尺為hr=λ=22.5。

此項(xiàng)目循環(huán)水泵前池最小水深為（-5.97）-（-11.50）=5.53m，換算至模型的最小試驗(yàn)水深為245.8mm，滿(mǎn)足最小試驗(yàn)水深的要求。

2.4 試驗(yàn)流量和速度

此次模型試驗(yàn)流速和流量的比尺分別為Vr=λ0.5=4.74，Qr=λ2.5=2401。

按照《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》，模型試驗(yàn)流量的換算關(guān)系為

此次模型試驗(yàn)采用加大模型試驗(yàn)流量，流量換算關(guān)系為

通過(guò)換算原型、模型流量及主要斷面平均流速，對(duì)照情況如表2所示。

表2 原型、模型的流量及主要斷面平均流速對(duì)照表

3 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)水流道試驗(yàn)臺(tái)架包含進(jìn)水流道、出水管、旋度計(jì)、電磁流量計(jì)、管道泵、電動(dòng)閥門(mén)、進(jìn)水流道前池、鼓網(wǎng)室、試驗(yàn)用管路等。進(jìn)水流道示意圖如圖1所示。

圖1 進(jìn)水流道示意圖

為了便于觀察流態(tài)，進(jìn)水流道前池、鼓網(wǎng)室、進(jìn)水流道、出水管設(shè)計(jì)為亞克力透明材質(zhì)。各組件之間的連接通過(guò)螺栓、螺母、墊片把合。

進(jìn)水流道：內(nèi)表面每隔5cm粘貼紅色絲線，以便通過(guò)觀察絲線擺度進(jìn)水流道內(nèi)表面流態(tài)，同時(shí)定性分析進(jìn)水流道入口預(yù)旋狀態(tài)。

旋度計(jì)：根據(jù)《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)旋度計(jì)，旋度計(jì)軸線與管道中心線重合，旋度計(jì)包含4葉片式轉(zhuǎn)動(dòng)部件、支撐架、接近開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)速表、2個(gè)水潤(rùn)滑軸承等。旋度計(jì)裝置如圖2所示。

圖2 旋度計(jì)裝置

鼓網(wǎng)室：鼓網(wǎng)安裝在鼓網(wǎng)室內(nèi)，鼓網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩種方案。方案一：兩股水流經(jīng)鼓網(wǎng)過(guò)濾后匯集進(jìn)入進(jìn)水流道；方案二：兩種水流匯入鼓網(wǎng)內(nèi)，水流經(jīng)鼓網(wǎng)過(guò)濾后流入進(jìn)水流道。該試驗(yàn)采用方案一。兩種方案水流示意圖如圖3所示。

圖3 水流示意圖

由管道泵供水，流量由電磁流量計(jì)測(cè)量，通過(guò)控制電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度調(diào)整流量。關(guān)注流量計(jì)安裝時(shí)，流量計(jì)前直管段的長(zhǎng)度不應(yīng)小于5D（D為管徑），后直管段不得小于2D。

4 試驗(yàn)內(nèi)容及要求

（1）試驗(yàn)流量為設(shè)計(jì)流量。

（2）不同泵前水位為多年平均低潮位、百年一遇低潮位及平均潮位。

（3）不同鼓網(wǎng)堵塞情況為鼓網(wǎng)不堵，鼓網(wǎng)一側(cè)封堵、一側(cè)不堵，鼓網(wǎng)均勻半堵三種情況。

（4）在不同組合的水泵運(yùn)行工況下，觀測(cè)并記錄進(jìn)水流態(tài)。若存在有害水面渦或水下渦帶，通過(guò)試驗(yàn)研究確定采取適當(dāng)?shù)拇胧?，確保做到在所有水泵運(yùn)行工況下，無(wú)影響水泵穩(wěn)定運(yùn)行的吸氣渦和水下渦帶。不同工況下，進(jìn)水流道試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 進(jìn)水流道試驗(yàn)方案

（5）《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》中列出了6種面渦類(lèi)型，如圖4所示，用于試驗(yàn)過(guò)程中面渦類(lèi)型對(duì)比。

圖4 水面渦類(lèi)型

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

該試驗(yàn)在上海阿波羅機(jī)械股份有限公司試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，試驗(yàn)介質(zhì)為自來(lái)水。保持試驗(yàn)流量為1.6倍佛汝德數(shù)（70.9m3/h），對(duì)表3所列的各試驗(yàn)方案進(jìn)行了循環(huán)水泵進(jìn)水流態(tài)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)前檢查系統(tǒng)連接、管道泵旋向，試驗(yàn)儀表在標(biāo)定有效期內(nèi)。進(jìn)水流道試驗(yàn)臺(tái)架如圖5所示。按照鼓網(wǎng)堵塞情況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

圖5 進(jìn)水流道試驗(yàn)臺(tái)架

5.1 鼓網(wǎng)不堵

（1）整流段基本流態(tài)。整流段整體流態(tài)順暢且轉(zhuǎn)向平緩，未見(jiàn)有漩渦區(qū)域產(chǎn)生。

（2）進(jìn)水流道進(jìn)口前的流態(tài)。對(duì)于鼓網(wǎng)不堵的工況，分別在A1、A4、A7三種工況下進(jìn)行了觀察。

A1工況：總體液面流動(dòng)非常平穩(wěn)，未見(jiàn)零散氣泡。A1工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)如圖6所示。

圖6 A1工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)

A4工況：水流從鼓網(wǎng)室的兩側(cè)流入鼓網(wǎng)室，鼓網(wǎng)室水面的水流相向流動(dòng)，水流之間因相互搓動(dòng)而產(chǎn)生具有一般旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、水面凹陷的漩渦運(yùn)動(dòng)。這種漩渦與圖4所描述的第2種類(lèi)型漩渦相符。A4工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)如圖7所示。

圖7 A4工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)

A7工況：該工況的水位略高于進(jìn)水流道過(guò)渡段進(jìn)口斷面的上緣，鼓網(wǎng)室水面相向而行的水流相遇后轉(zhuǎn)向流入進(jìn)水流道銜接段，形成較小的水面渦。這種漩渦與圖4所描述的第2種類(lèi)型漩渦相符。A7工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)如圖8所示。

圖8 A7工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)

（3）進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)。借助進(jìn)水流道內(nèi)壁粘貼的紅線可以清楚地觀察進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)。A1、A4和A7三種工況進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)基本相同，各工況的水流在進(jìn)水流道立面和平面兩個(gè)方向的收縮都很均勻；在進(jìn)水流道喇叭管段，水流收縮快速增加，同時(shí)流速分布得到了進(jìn)一步調(diào)整，所有工況在流道出口處水流均趨于順直均勻。各工況進(jìn)水流道內(nèi)的流場(chǎng)均較為理想，可為水泵葉輪室進(jìn)口提供良好的進(jìn)水流態(tài)。鼓網(wǎng)不堵?tīng)顟B(tài)進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)如圖9所示。

圖9 鼓網(wǎng)不堵?tīng)顟B(tài)進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)

A1、A4和A7工況進(jìn)水流道出口水流渦角的測(cè)量結(jié)果如表4所示。可以看到，最大渦角發(fā)生在A7工況，為4.84°。鼓網(wǎng)不堵工況下各水位工況的渦角均滿(mǎn)足《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》關(guān)于渦角不大于5°的要求。

表4 進(jìn)水流道出口水流的渦角（鼓網(wǎng)不堵）

5.2 鼓網(wǎng)一側(cè)封堵、一側(cè)不堵

用膠帶將鼓網(wǎng)的右側(cè)（順?biāo)鞣较蚩矗┩耆舛?，左?cè)保持不堵，其他試驗(yàn)條件與鼓網(wǎng)不堵的試驗(yàn)條件相同。

（1）整流段基本流態(tài)。整流段整體流態(tài)順暢且轉(zhuǎn)向平緩，未見(jiàn)有漩渦區(qū)域產(chǎn)生。

（2）進(jìn)水流道進(jìn)口前的流態(tài)。對(duì)于鼓網(wǎng)一側(cè)封堵、一側(cè)不堵的工況，分別在A2、A5、A8三種工況下進(jìn)行了觀察。

A2工況：水流從鼓網(wǎng)室的兩側(cè)流入鼓網(wǎng)室，左側(cè)上部水流穿過(guò)鼓網(wǎng)向右后方向運(yùn)動(dòng)，受鼓網(wǎng)右側(cè)封堵影響，右側(cè)水流主要從鼓網(wǎng)下部向左前方向運(yùn)動(dòng)；鼓網(wǎng)室上部左右兩側(cè)水流之間因搓動(dòng)產(chǎn)生了具有較大旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、較大水面凹陷的漩渦運(yùn)動(dòng)，這些漩渦形成后即隨水流向鼓網(wǎng)室右后方移動(dòng)，且伴隨有線狀氣泡吸入。這種漩渦與圖4所描述的第5種類(lèi)型漩渦相符。A2工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)如圖10所示。

圖10 A2工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)

A5工況：鼓網(wǎng)室上部水流之間因搓動(dòng)產(chǎn)生了具有較小旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、較小水面凹陷的漩渦運(yùn)動(dòng)，這些漩渦形成后即隨水流向鼓網(wǎng)室右后方移動(dòng)。這種漩渦與圖4所描述的第2種類(lèi)型漩渦相符，無(wú)氣泡產(chǎn)生。A5工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)如圖11所示。

圖11 A5工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)

A8工況：鼓網(wǎng)室液面由于存在兩種方向液流相交匯，產(chǎn)生了明顯的液流沖擊，伴隨沖擊產(chǎn)生了氣泡漂浮于液面表面，且由于水位僅略高于進(jìn)水流道過(guò)渡段進(jìn)口斷面的上緣，故伴隨有少量氣泡卷入進(jìn)水流道入口；且液下有帶狀渦一直存在。A8工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)如圖12所示。

（3）進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)。借助進(jìn)水流道內(nèi)壁粘貼的紅線可以清楚地觀察進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)。A2、A5和A8三種工況進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)基本相同，水流呈螺旋狀進(jìn)入進(jìn)水流道，順?biāo)鞣较蚩矗餍D(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針。水流在進(jìn)水流道立面和平面兩個(gè)方向均勻收縮，水流在流道內(nèi)90°轉(zhuǎn)向后，水流收縮快速增加；水流從流道進(jìn)口至流道出口始終保持旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)照片如圖13所示。

圖13 鼓網(wǎng)一側(cè)封堵、一側(cè)不堵進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)

A2、A5和A8工況進(jìn)水流道出口水流渦角的測(cè)量結(jié)果如表5所示?？梢钥吹?，最大渦角發(fā)生在A8工況，為14.93°，鼓網(wǎng)一側(cè)封堵、一側(cè)不堵的工況下各水位工況的渦角均不滿(mǎn)足《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》關(guān)于渦角不大于5°的要求。因此不建議在此工況下運(yùn)行。

表5 進(jìn)水流道出口水流的渦角（鼓網(wǎng)一側(cè)封堵、一側(cè)不堵）

5.3 鼓網(wǎng)均勻半堵

用寬度為50mm的膠帶將鼓網(wǎng)的一半面積均勻封堵，以模擬鼓網(wǎng)部分堵塞的情況。鼓網(wǎng)均勻半堵布置情況如圖14所示。其他試驗(yàn)條件與鼓網(wǎng)不堵的試驗(yàn)條件相同。

圖14 鼓網(wǎng)均勻半堵示意圖（單位：mm）

（1）整流段基本流態(tài)。整流段整體流態(tài)順暢且轉(zhuǎn)向平緩，未見(jiàn)有漩渦區(qū)域產(chǎn)生。

（2）進(jìn)水流道進(jìn)口前的流態(tài)。對(duì)于鼓網(wǎng)均勻半堵的工況，分別在A3、A6、A9三種工況下進(jìn)行了觀察。

A3工況：總體液面流動(dòng)非常平穩(wěn)，未見(jiàn)產(chǎn)生零散氣泡。A3工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)如圖15所示。

圖15 A3工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)

A6工況：水流從鼓網(wǎng)室的兩側(cè)流入鼓網(wǎng)室，鼓網(wǎng)室水面的水流相向流動(dòng)，水流之間因相互挫動(dòng)而產(chǎn)生具有一般旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、水面凹陷的漩渦運(yùn)動(dòng)。這種漩渦與圖4所描述的第2種類(lèi)型漩渦相符。A6工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)如圖16所示。

圖16 A6工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)

A9工況：鼓網(wǎng)室液流由于從鼓網(wǎng)不堵的孔洞流出，液面波動(dòng)較大，但未見(jiàn)有漩渦生成，水位僅略高于進(jìn)水流道過(guò)渡段進(jìn)口斷面的上緣，整體流態(tài)較好，僅有極少數(shù)氣泡吸入進(jìn)水流道內(nèi)。A9工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)如圖17所示。

圖17 A9工況鼓網(wǎng)液面流態(tài)

（3）進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)。借助進(jìn)水流道內(nèi)壁粘貼的紅線可以清楚地觀察進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)。A3、A6和A9三種工況進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)基本相同，各工況的水流在進(jìn)水流道立面和平面兩個(gè)方向的收縮都很均勻；在進(jìn)水流道喇叭管段，水流收縮快速增加，同時(shí)流速分布得到了進(jìn)一步調(diào)整，所有工況在流道出口處水流均趨于順直均勻。各工況進(jìn)水流道內(nèi)的流場(chǎng)均較為理想，可為水泵葉輪室進(jìn)口提供良好的進(jìn)水流態(tài)。進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)照片如圖18所示。

圖18 均勻半封堵進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)

A3、A6和A9工況進(jìn)水流道出口水流渦角的測(cè)量結(jié)果如表6所示?？梢钥吹剑畲鬁u角發(fā)生在A9工況，為4.74°，鼓網(wǎng)均勻半堵的工況下各水位工況的渦角滿(mǎn)足《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》關(guān)于渦角不大于5°的要求。

表6 進(jìn)水流道出口水流的渦角（鼓網(wǎng)均勻半堵）

6 結(jié)論

（1）該試驗(yàn)臺(tái)架用于核電循環(huán)水泵進(jìn)水流道試驗(yàn)，在循環(huán)水泵設(shè)計(jì)固化前進(jìn)行試驗(yàn)，以檢驗(yàn)進(jìn)水流道設(shè)計(jì)的可行性，試驗(yàn)臺(tái)架可用于檢驗(yàn)不同進(jìn)水流道模型，無(wú)須拆除整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架，僅需要對(duì)進(jìn)水流道部分進(jìn)行調(diào)整。

（2）在設(shè)計(jì)流量和平均潮位、多年平均低潮位、百年一遇低潮位等各個(gè)工況，在鼓網(wǎng)一側(cè)封堵、一側(cè)不堵的條件下，鼓網(wǎng)室水面均會(huì)產(chǎn)生具有較大旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、較大水面凹陷的漩渦運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伴隨產(chǎn)生較多的零散氣泡，其中有少量氣泡隨水流流向進(jìn)水流道出口。這種漩渦的基本特征接近《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》所述的第5、6種類(lèi)型漩渦，部分漩渦為有害渦，會(huì)將氣體帶入進(jìn)水流道內(nèi)。

（3）在設(shè)計(jì)流量和平均潮位、多年平均低潮位、百年一遇低潮位等各個(gè)工況，在鼓網(wǎng)均勻半堵的工況下，鼓網(wǎng)室水面具有一般旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、水面凹陷的漩渦運(yùn)動(dòng)。這種漩渦多屬于《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》所述的第2種類(lèi)型。進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)均平順、均勻。

（4）在設(shè)計(jì)流量、鼓網(wǎng)不堵的工況下，處于多年平均低潮位時(shí)，或處于最高潮位時(shí)，整體鼓網(wǎng)室液面流動(dòng)平穩(wěn)，未見(jiàn)有漩渦產(chǎn)生；處于百年一遇低潮位時(shí)，由于液面接近過(guò)渡段進(jìn)口斷面的上緣，鼓網(wǎng)室液面形成的少量小漩渦偶爾會(huì)將小氣泡帶入進(jìn)水流道內(nèi)，進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)均平順、均勻。進(jìn)水流道出口水流的渦角均滿(mǎn)足《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》關(guān)于渦角不大于5°的要求，說(shuō)明進(jìn)水流道可為水泵葉輪室進(jìn)口提供良好的進(jìn)水流態(tài)。