核電廠輔助冷卻水系統(tǒng)水錘計(jì)算與防護(hù)

王學(xué)華，熊興才，薛海青

（中廣核工程有限公司，廣東深圳 518124）

水錘是壓力管道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)速度驟然發(fā)生變化而引起的水壓力的瞬變過程[1-3]，管道內(nèi)水錘具有很大的破壞性，科學(xué)分析管道系統(tǒng)中的停泵水錘的發(fā)生和發(fā)展[4-7]，及時(shí)采取合理的防護(hù)措施對(duì)保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要的意義[8]。濱海核電廠常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)的功能是向常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)的換熱器和凝汽器真空泵的換熱器提供海水作為冷卻水[9]。核電廠的常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)流程，海水由兩條主循環(huán)水進(jìn)口涵洞提供，通過兩組輔助冷卻水升壓泵“唧送”，從泵排出后，海水通向閉路冷卻水系統(tǒng)的換熱器，換熱器型式為采用鈦板的板式換熱器，最后排到循環(huán)水的出口涵洞。某核電廠在調(diào)研國(guó)內(nèi)火電相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行情況后從簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置的角度提出了將板式換熱器改為管殼式換熱器同時(shí)取消輔助冷卻水泵的優(yōu)化方案。系統(tǒng)配置方案見圖1。

從圖1可以看出核電廠常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)聯(lián)為一體，因此需要對(duì)在核電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)存在的水錘現(xiàn)象在輔助冷卻水系統(tǒng)是否存在進(jìn)行建模計(jì)算并對(duì)可能存在的水錘現(xiàn)象針對(duì)性的采取防護(hù)措施。

1 系統(tǒng)水錘現(xiàn)象分析

水錘現(xiàn)象一般容易在管線較長(zhǎng)，管線標(biāo)高沿程起伏較大系統(tǒng)中產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)在停泵水力過渡過程中，局部容易產(chǎn)生負(fù)壓，使水體汽化形成氣泡，而當(dāng)正壓力波到來(lái)時(shí)，汽泡破裂，會(huì)誘發(fā)空泡潰滅水錘。此外，當(dāng)停泵時(shí)，開始出現(xiàn)的降壓可能在較大范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，形成水柱分離。這種分離的水柱由于其他原因而產(chǎn)生再?gòu)浐蠒r(shí)，被分離的水柱以高速互相撞擊，在管道中形成很大的水錘升壓，造成爆管現(xiàn)象，使管道遭受破壞。

核電廠采用管殼式換熱器的常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)作為新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)為利用循環(huán)水泵揚(yáng)程供水的無(wú)動(dòng)力虹吸直流冷卻系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要由兩臺(tái)輔助冷卻水系統(tǒng)管殼式換熱器、3臺(tái)凝汽器抽真空系統(tǒng)管殼式換熱器，和電動(dòng)蝶閥組成。換熱器在系統(tǒng)的最高點(diǎn)，正常運(yùn)行過程時(shí)管殼式換熱器后水室為負(fù)壓運(yùn)行，因此在循環(huán)水泵停運(yùn)過程中，輔助冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)一樣將可能會(huì)由于負(fù)壓氣化，如果不采取相應(yīng)措施可能會(huì)產(chǎn)生停泵水錘，同樣在循環(huán)水泵電機(jī)電壓波動(dòng)過程中，閉式冷卻水換熱器后水室同樣可能氣化而產(chǎn)生水錘。

2 系統(tǒng)水錘計(jì)算

2.1 水錘計(jì)算方法

水錘計(jì)算采用國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期研究并相對(duì)成熟的特征線方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過建立管內(nèi)非恒定流動(dòng)的微分方程及各類復(fù)雜的邊界條件方程并求解，以獲得水泵啟動(dòng)、停運(yùn)等水力過渡過程的數(shù)值解，為水錘防護(hù)措施的研究提供依據(jù)[10-11]。

給出的水錘基本方程是由運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程組成的雙曲型偏微分方程組。為了便于計(jì)算機(jī)編程計(jì)算，將該偏微分方程組離散化，為此，在特征線方向?qū)⑺D(zhuǎn)換為水錘全微分方程：

由式（1）和式（2）進(jìn)行有限差分近似，可以得到對(duì)應(yīng)于圖2所示的水錘離散特征線方程：

圖2 水錘計(jì)算的特征線網(wǎng)絡(luò)Fig. 2 The characteristic grid of the water hammer calculation

式中，HP、HA和HB分別為P點(diǎn)、A點(diǎn)和B點(diǎn)的水力坡度線高度；Q，P、Q，A和Q，B分別為P點(diǎn)、A點(diǎn)和B點(diǎn)的體積流量；a為波速；g為重力加速度；A為面積；f為摩擦因數(shù)；D為管徑；Δx為管道長(zhǎng)度的步長(zhǎng)。

2.2 水錘計(jì)算模型

核電廠循環(huán)水泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下。流量：24.31 m3/s，揚(yáng)程：19.27 m，循環(huán)水進(jìn)排水管為現(xiàn)澆鋼筋混凝土管溝的結(jié)構(gòu)型式，斷面型式為內(nèi)圓外方，管內(nèi)徑3.20 m，最小壁厚為0.60 m。循環(huán)水排水管采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土管，斷面型式為方形，每條過水?dāng)嗝鏋?.00 m×3.00 m，壁厚為0.9 m。

凝汽器的主要參數(shù)如下：設(shè)計(jì)冷卻水量60 m3/s，冷卻管規(guī)格（外徑×壁厚）Φ22×0.5 mm。

管殼式換熱器的主要參數(shù)如下：設(shè)計(jì)冷卻水量：2.5 m3/s，冷卻管規(guī)格（外徑×壁厚）：Φ25×0.5 mm。

輔助冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)合建立的模型見圖3。

圖3 輔助冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)合模型Fig. 3 The combined model of the auxiliary cooling water system and circulating water system

2.3 停泵水錘計(jì)算

從以上分析可以知道，常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)直接相連成為一個(gè)整體時(shí)則必須考慮循環(huán)水泵停運(yùn)時(shí)，輔助冷卻水系統(tǒng)中的水流由于倒流會(huì)產(chǎn)生的水柱分離彌合水錘，并通過建立相應(yīng)模型定量計(jì)算出系統(tǒng)中產(chǎn)生水錘的具體數(shù)值，圖4給出了循環(huán)冷卻水泵停運(yùn)時(shí)輔助冷卻水系統(tǒng)換熱器后水室在20 s左右產(chǎn)生75 m的水錘壓力，超過了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。

圖4 系統(tǒng)無(wú)防護(hù)措施時(shí)停泵水錘計(jì)算Fig. 4 Pump-stopping water hammer calculation without prevention

2.4 停泵重啟水錘計(jì)算

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象的工況除了循環(huán)水泵停泵以外，還有一種工況是當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)電壓由于某種原因突然降的很低，此時(shí)循泵轉(zhuǎn)速降低揚(yáng)程減小，在約5 s的時(shí)間內(nèi)電機(jī)電壓又重新恢復(fù)，循泵的轉(zhuǎn)速和揚(yáng)程在短時(shí)間內(nèi)又重新恢復(fù)，稱為“停泵重啟工況”。對(duì)于與循環(huán)水系統(tǒng)直接相連的常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)由于采取的消除水錘的措施為控制閥門關(guān)閉時(shí)間，在循環(huán)水泵停泵重啟這種工況時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生停泵重啟水錘，需要進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)水泵停泵重啟這種工況，圖5顯示經(jīng)計(jì)算在循環(huán)停泵重啟時(shí)常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)最大壓力為35 m，系統(tǒng)沒有水錘現(xiàn)象。

圖5 系統(tǒng)停泵重啟時(shí)水錘計(jì)算Fig. 5 Pump-restarting water hammer calculation

3 水錘防護(hù)措施

從以上計(jì)算可以看出，常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)與循環(huán)冷卻水系統(tǒng)連為一個(gè)整體之后，相應(yīng)地在循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)水泵停運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的停泵水錘現(xiàn)象同樣也會(huì)在輔助冷卻水系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)生，并定量計(jì)算了水錘發(fā)生的時(shí)間和水錘大小。

對(duì)于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，由于整個(gè)循環(huán)水管道是虹吸直流無(wú)閥系統(tǒng)，采取的水錘防護(hù)措施為在凝汽器后水室安裝虹吸破壞閥在停泵時(shí)及時(shí)進(jìn)氣來(lái)消除水錘。而輔助冷卻水系統(tǒng)是有閥系統(tǒng)，在輔助冷卻水系統(tǒng)與循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相連接之處都設(shè)置有起關(guān)斷作用的閥門，同時(shí)從圖4可以看出輔助冷卻水系統(tǒng)中水錘在整個(gè)冷卻水發(fā)生倒流后才會(huì)出現(xiàn)，而從循環(huán)水泵停運(yùn)到系統(tǒng)中水錘出現(xiàn)的時(shí)間在20 s左右，因此對(duì)于有閥的常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)，為了有效的消除水柱分離彌合水錘，可以通過調(diào)整閥門關(guān)閉時(shí)間為8～10 s的方式，在水錘發(fā)生之前將輔助冷卻水系統(tǒng)把與循環(huán)水系統(tǒng)相連接的進(jìn)出口閥門關(guān)閉，從而把輔助冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)隔離來(lái)消除水柱分離彌合水錘，圖6顯示了輔助冷卻水系統(tǒng)在停泵工況下閥門8～10 s內(nèi)關(guān)閉時(shí)輔助冷卻水冷卻器后水室沒有水錘現(xiàn)象發(fā)生。

圖6 系統(tǒng)有防護(hù)措施時(shí)停泵水錘計(jì)算Fig. 6 Pump-stopping water hammer calculation with prevention

4 結(jié)論

核電廠輔助冷卻水系統(tǒng)的換熱器參考火電采用管殼式換熱器的方案簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性更好。但由于常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)是直接利用循環(huán)水泵的揚(yáng)程來(lái)供水，因此它與循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是直接相連的，在系統(tǒng)簡(jiǎn)化配置的同時(shí)需要關(guān)注輔助冷卻水系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象。

核電廠輔助冷卻水系統(tǒng)在進(jìn)行水錘分析時(shí)必須和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)放在一起建模分析，常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)是有閥系統(tǒng)，系統(tǒng)防水錘的措施為當(dāng)循環(huán)冷卻水泵停運(yùn)時(shí)相應(yīng)的聯(lián)鎖關(guān)閉輔助冷卻水系統(tǒng)進(jìn)口和出口管道上的閥門以達(dá)到消除水錘的目的，閥門的關(guān)閉時(shí)間需要根據(jù)輔助冷卻水系統(tǒng)的瞬態(tài)計(jì)算來(lái)確定。通過調(diào)整輔助冷卻水系統(tǒng)與循環(huán)水系統(tǒng)相連接的進(jìn)口出口閥門關(guān)閉時(shí)間，可以有效地消除輔助冷卻水系統(tǒng)水錘。

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