核电厂辅助冷却水系统水锤计算与防护

王学华，熊兴才，薛海青

（中广核工程有限公司，广东深圳 518124）

水锤是压力管道内流体运动速度骤然发生变化而引起的水压力的瞬变过程[1-3]，管道内水锤具有很大的破坏性，科学分析管道系统中的停泵水锤的发生和发展[4-7]，及时采取合理的防护措施对保证系统的安全运行有重要的意义[8]。滨海核电厂常规岛辅助冷却水系统的功能是向常规岛闭式冷却水系统的换热器和凝汽器真空泵的换热器提供海水作为冷却水[9]。核电厂的常规岛辅助冷却水系统流程，海水由两条主循环水进口涵洞提供，通过两组辅助冷却水升压泵“唧送”，从泵排出后，海水通向闭路冷却水系统的换热器，换热器型式为采用钛板的板式换热器，最后排到循环水的出口涵洞。某核电厂在调研国内火电相关系统运行情况后从简化系统配置的角度提出了将板式换热器改为管壳式换热器同时取消辅助冷却水泵的优化方案。系统配置方案见图1。

从图1可以看出核电厂常规岛辅助冷却水系统优化设计后和循环冷却水系统联为一体，因此需要对在核电厂循环冷却水系统存在的水锤现象在辅助冷却水系统是否存在进行建模计算并对可能存在的水锤现象针对性的采取防护措施。

1 系统水锤现象分析

水锤现象一般容易在管线较长，管线标高沿程起伏较大系统中产生，当系统在停泵水力过渡过程中，局部容易产生负压，使水体汽化形成气泡，而当正压力波到来时，汽泡破裂，会诱发空泡溃灭水锤。此外，当停泵时，开始出现的降压可能在较大范围内出现负压，形成水柱分离。这种分离的水柱由于其他原因而产生再弥合时，被分离的水柱以高速互相撞击，在管道中形成很大的水锤升压，造成爆管现象，使管道遭受破坏。

核电厂采用管壳式换热器的常规岛辅助冷却水系统作为新设计的系统，其主要特点为利用循环水泵扬程供水的无动力虹吸直流冷却系统，整个系统主要由两台辅助冷却水系统管壳式换热器、3台凝汽器抽真空系统管壳式换热器，和电动蝶阀组成。换热器在系统的最高点，正常运行过程时管壳式换热器后水室为负压运行，因此在循环水泵停运过程中，辅助冷却水系统和循环水系统一样将可能会由于负压气化，如果不采取相应措施可能会产生停泵水锤，同样在循环水泵电机电压波动过程中，闭式冷却水换热器后水室同样可能气化而产生水锤。

2 系统水锤计算

2.1 水锤计算方法

水锤计算采用国内外长期研究并相对成熟的特征线方法进行数值模拟分析，通过建立管内非恒定流动的微分方程及各类复杂的边界条件方程并求解，以获得水泵启动、停运等水力过渡过程的数值解，为水锤防护措施的研究提供依据[10-11]。

给出的水锤基本方程是由运动方程和连续性方程组成的双曲型偏微分方程组。为了便于计算机编程计算，将该偏微分方程组离散化，为此，在特征线方向将它转换为水锤全微分方程：

由式（1）和式（2）进行有限差分近似，可以得到对应于图2所示的水锤离散特征线方程：

图2 水锤计算的特征线网络Fig. 2 The characteristic grid of the water hammer calculation

式中，HP、HA和HB分别为P点、A点和B点的水力坡度线高度；Q，P、Q，A和Q，B分别为P点、A点和B点的体积流量；a为波速；g为重力加速度；A为面积；f为摩擦因数；D为管径；Δx为管道长度的步长。

2.2 水锤计算模型

核电厂循环水泵主要设计参数如下。流量：24.31 m3/s，扬程：19.27 m，循环水进排水管为现浇钢筋混凝土管沟的结构型式，断面型式为内圆外方，管内径3.20 m，最小壁厚为0.60 m。循环水排水管采用现浇钢筋混凝土管，断面型式为方形，每条过水断面为3.00 m×3.00 m，壁厚为0.9 m。

凝汽器的主要参数如下：设计冷却水量60 m3/s，冷却管规格（外径×壁厚）Φ22×0.5 mm。

管壳式换热器的主要参数如下：设计冷却水量：2.5 m3/s，冷却管规格（外径×壁厚）：Φ25×0.5 mm。

辅助冷却水系统和循环水系统联合建立的模型见图3。

图3 辅助冷却水系统和循环水系统联合模型Fig. 3 The combined model of the auxiliary cooling water system and circulating water system

2.3 停泵水锤计算

从以上分析可以知道，常规岛辅助冷却水系统和循环冷却水系统直接相连成为一个整体时则必须考虑循环水泵停运时，辅助冷却水系统中的水流由于倒流会产生的水柱分离弥合水锤，并通过建立相应模型定量计算出系统中产生水锤的具体数值，图4给出了循环冷却水泵停运时辅助冷却水系统换热器后水室在20 s左右产生75 m的水锤压力，超过了系统的设计压力。

图4 系统无防护措施时停泵水锤计算Fig. 4 Pump-stopping water hammer calculation without prevention

2.4 停泵重启水锤计算

循环冷却水系统会产生水锤现象的工况除了循环水泵停泵以外，还有一种工况是当循环水系统正常运行时电机电压由于某种原因突然降的很低，此时循泵转速降低扬程减小，在约5 s的时间内电机电压又重新恢复，循泵的转速和扬程在短时间内又重新恢复，称为“停泵重启工况”。对于与循环水系统直接相连的常规岛辅助冷却水系统由于采取的消除水锤的措施为控制阀门关闭时间，在循环水泵停泵重启这种工况时是否会产生停泵重启水锤，需要进行计算。对于循环水系统中循环水泵停泵重启这种工况，图5显示经计算在循环停泵重启时常规岛辅助冷却水系统最大压力为35 m，系统没有水锤现象。

图5 系统停泵重启时水锤计算Fig. 5 Pump-restarting water hammer calculation

3 水锤防护措施

从以上计算可以看出，常规岛辅助冷却水系统与循环冷却水系统连为一个整体之后，相应地在循环水系统中循环水泵停运时产生的停泵水锤现象同样也会在辅助冷却水系统当中发生，并定量计算了水锤发生的时间和水锤大小。

对于循环冷却水系统，由于整个循环水管道是虹吸直流无阀系统，采取的水锤防护措施为在凝汽器后水室安装虹吸破坏阀在停泵时及时进气来消除水锤。而辅助冷却水系统是有阀系统，在辅助冷却水系统与循环冷却水系统相连接之处都设置有起关断作用的阀门，同时从图4可以看出辅助冷却水系统中水锤在整个冷却水发生倒流后才会出现，而从循环水泵停运到系统中水锤出现的时间在20 s左右，因此对于有阀的常规岛辅助冷却水系统，为了有效的消除水柱分离弥合水锤，可以通过调整阀门关闭时间为8～10 s的方式，在水锤发生之前将辅助冷却水系统把与循环水系统相连接的进出口阀门关闭，从而把辅助冷却水系统和循环冷却水系统隔离来消除水柱分离弥合水锤，图6显示了辅助冷却水系统在停泵工况下阀门8～10 s内关闭时辅助冷却水冷却器后水室没有水锤现象发生。

图6 系统有防护措施时停泵水锤计算Fig. 6 Pump-stopping water hammer calculation with prevention

4 结论

核电厂辅助冷却水系统的换热器参考火电采用管壳式换热器的方案简单，经济性更好。但由于常规岛辅助冷却水系统是直接利用循环水泵的扬程来供水，因此它与循环冷却水系统是直接相连的，在系统简化配置的同时需要关注辅助冷却水系统的水锤现象。

核电厂辅助冷却水系统在进行水锤分析时必须和循环冷却水系统放在一起建模分析，常规岛辅助冷却水系统是有阀系统，系统防水锤的措施为当循环冷却水泵停运时相应的联锁关闭辅助冷却水系统进口和出口管道上的阀门以达到消除水锤的目的，阀门的关闭时间需要根据辅助冷却水系统的瞬态计算来确定。通过调整辅助冷却水系统与循环水系统相连接的进口出口阀门关闭时间，可以有效地消除辅助冷却水系统水锤。

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