核电站海水循环泵进水流道试验研究

郑海霞

上海阿波罗机械股份有限公司，上海 201401

循环水泵是核电站三回路系统的重要物项，其设计的可靠性是保证循环水系统可靠运行的关键。循环水系统的功能是在机组运行期间向汽轮机的凝汽器和常规岛辅助冷却水系统的热交换器提供必需的冷却水。循环水泵是循环水系统的重要设备，循环水泵的可靠运行关系到核电站的稳定运行。循环水泵进水流道流态的检验是循环水泵进水流道合理性的关键指标，进水流道设计的合理性是保证循环水泵常态稳定运行的重要因素。为了验证进水流道的合理性，现搭建循环水泵进水流道试验台架，以观察水流经过流道、粗格栅、细格栅、鼓网、前池、泵进水流道的流态。

1 设计参数

某核电站循环水泵设计参数如下：流量Q=29.56m3/s，扬程H=16m，转速n=173r/min。该循环水泵运行的主要特征水位如表1所示。

表1 某核电厂循环水泵特征水位 单位：m

2 试验模型设计

2.1 佛汝德相似准则

循环水泵进水流态模型试验中的水流流动是具有自由表面的、主要由重力和惯性力支配的流动。根据《美国国家标准：水泵进水设计》（ANSI/HI 9.8—1998）（以下简称《水泵进水设计》），为了模拟循环水泵进水流态，应采用佛汝德相似准则，原型和模型的佛汝德数必须相等，即

式中：p、m、r分别为原型、模型和原型与模型参数间的比值。

佛汝德数表达为惯性力与重力的比值，对水泵进水口而言，有

式中：u为轴向平均流速（比如在水泵进口处）；g为重力加速度；L为水泵进口直径。

按佛汝德相似准则，设原型、模型的几何比为λ，则水深、流速和流量的比尺分别为

在进行水面涡试验时，偏于安全的做法是保持淹没深度在1倍佛汝德数的数值，但按1.6倍佛汝德数适当加大试验流量，以进一步削弱比尺效应。

2.2 雷诺数和韦伯数选择

在研究水泵进口可能产生的漩涡时，应选择合理的模型比尺，较大尺寸的模型所得的试验结果更精确、更可靠，可将黏滞力和表面张力的比尺效应减到最小，但所需费用较高。因此，在选择模型比尺时，要兼顾试验精度和试验费用。根据《水泵进水设计》，如果雷诺数和韦伯数的数值分别大于3×104和120，黏滞力和表面张力对漩涡的影响就可以忽略不计。

该项目循环水泵进口前的雷诺数和韦伯数分别为1.29×105和199.5，可在采用佛汝德数相似准则的条件下满足对雷诺数和韦伯数的要求。

2.3 模型进水流道出口直径和模型水深

为了尽可能准确地模拟前池和进水流道内的流态，得到精确的测量结果，该项目模型试验选用的模型比尺应使模型进水流道出口的直径不小于100mm、最小试验水深不小于150mm。为此，此次模型试验取模型进水流道出口的直径为120mm。该项目循环水泵进水流道出口的直径为2700mm，则此次模型试验的模型比为λ=2700/120=22.5。

此次模型试验鼓网和进水流道、前池建筑物的几何尺寸的比尺为Lr=λ=22.5。

此次模型试验水深比尺为hr=λ=22.5。

此项目循环水泵前池最小水深为（-5.97）-（-11.50）=5.53m，换算至模型的最小试验水深为245.8mm，满足最小试验水深的要求。

2.4 试验流量和速度

此次模型试验流速和流量的比尺分别为Vr=λ0.5=4.74，Qr=λ2.5=2401。

按照《水泵进水设计》，模型试验流量的换算关系为

此次模型试验采用加大模型试验流量，流量换算关系为

通过换算原型、模型流量及主要断面平均流速，对照情况如表2所示。

表2 原型、模型的流量及主要断面平均流速对照表

3 试验结构设计

进水流道试验台架包含进水流道、出水管、旋度计、电磁流量计、管道泵、电动阀门、进水流道前池、鼓网室、试验用管路等。进水流道示意图如图1所示。

图1 进水流道示意图

为了便于观察流态，进水流道前池、鼓网室、进水流道、出水管设计为亚克力透明材质。各组件之间的连接通过螺栓、螺母、垫片把合。

进水流道：内表面每隔5cm粘贴红色丝线，以便通过观察丝线摆度进水流道内表面流态，同时定性分析进水流道入口预旋状态。

旋度计：根据《水泵进水设计》标准设计旋度计，旋度计轴线与管道中心线重合，旋度计包含4叶片式转动部件、支撑架、接近开关、转速表、2个水润滑轴承等。旋度计装置如图2所示。

图2 旋度计装置

鼓网室：鼓网安装在鼓网室内，鼓网的结构设计有两种方案。方案一：两股水流经鼓网过滤后汇集进入进水流道；方案二：两种水流汇入鼓网内，水流经鼓网过滤后流入进水流道。该试验采用方案一。两种方案水流示意图如图3所示。

图3 水流示意图

由管道泵供水，流量由电磁流量计测量，通过控制电动阀门开度调整流量。关注流量计安装时，流量计前直管段的长度不应小于5D（D为管径），后直管段不得小于2D。

4 试验内容及要求

（1）试验流量为设计流量。

（2）不同泵前水位为多年平均低潮位、百年一遇低潮位及平均潮位。

（3）不同鼓网堵塞情况为鼓网不堵，鼓网一侧封堵、一侧不堵，鼓网均匀半堵三种情况。

（4）在不同组合的水泵运行工况下，观测并记录进水流态。若存在有害水面涡或水下涡带，通过试验研究确定采取适当的措施，确保做到在所有水泵运行工况下，无影响水泵稳定运行的吸气涡和水下涡带。不同工况下，进水流道试验方案如表3所示。

表3 进水流道试验方案

（5）《水泵进水设计》中列出了6种面涡类型，如图4所示，用于试验过程中面涡类型对比。

图4 水面涡类型

5 试验验证

该试验在上海阿波罗机械股份有限公司试验台架上进行，试验介质为自来水。保持试验流量为1.6倍佛汝德数（70.9m3/h），对表3所列的各试验方案进行了循环水泵进水流态模型试验。试验前检查系统连接、管道泵旋向，试验仪表在标定有效期内。进水流道试验台架如图5所示。按照鼓网堵塞情况进行试验，试验结果如下。

图5 进水流道试验台架

5.1 鼓网不堵

（1）整流段基本流态。整流段整体流态顺畅且转向平缓，未见有漩涡区域产生。

（2）进水流道进口前的流态。对于鼓网不堵的工况，分别在A1、A4、A7三种工况下进行了观察。

A1工况：总体液面流动非常平稳，未见零散气泡。A1工况鼓网液面流态如图6所示。

图6 A1工况鼓网液面流态

A4工况：水流从鼓网室的两侧流入鼓网室，鼓网室水面的水流相向流动，水流之间因相互搓动而产生具有一般旋转强度、水面凹陷的漩涡运动。这种漩涡与图4所描述的第2种类型漩涡相符。A4工况鼓网液面流态如图7所示。

图7 A4工况鼓网液面流态

A7工况：该工况的水位略高于进水流道过渡段进口断面的上缘，鼓网室水面相向而行的水流相遇后转向流入进水流道衔接段，形成较小的水面涡。这种漩涡与图4所描述的第2种类型漩涡相符。A7工况鼓网液面流态如图8所示。

图8 A7工况鼓网液面流态

（3）进水流道内的流态。借助进水流道内壁粘贴的红线可以清楚地观察进水流道内的流态。A1、A4和A7三种工况进水流道内的流态基本相同，各工况的水流在进水流道立面和平面两个方向的收缩都很均匀；在进水流道喇叭管段，水流收缩快速增加，同时流速分布得到了进一步调整，所有工况在流道出口处水流均趋于顺直均匀。各工况进水流道内的流场均较为理想，可为水泵叶轮室进口提供良好的进水流态。鼓网不堵状态进水流道内流态如图9所示。

图9 鼓网不堵状态进水流道内流态

A1、A4和A7工况进水流道出口水流涡角的测量结果如表4所示。可以看到，最大涡角发生在A7工况，为4.84°。鼓网不堵工况下各水位工况的涡角均满足《水泵进水设计》关于涡角不大于5°的要求。

表4 进水流道出口水流的涡角（鼓网不堵）

5.2 鼓网一侧封堵、一侧不堵

用胶带将鼓网的右侧（顺水流方向看）完全封堵，左侧保持不堵，其他试验条件与鼓网不堵的试验条件相同。

（1）整流段基本流态。整流段整体流态顺畅且转向平缓，未见有漩涡区域产生。

（2）进水流道进口前的流态。对于鼓网一侧封堵、一侧不堵的工况，分别在A2、A5、A8三种工况下进行了观察。

A2工况：水流从鼓网室的两侧流入鼓网室，左侧上部水流穿过鼓网向右后方向运动，受鼓网右侧封堵影响，右侧水流主要从鼓网下部向左前方向运动；鼓网室上部左右两侧水流之间因搓动产生了具有较大旋转强度、较大水面凹陷的漩涡运动，这些漩涡形成后即随水流向鼓网室右后方移动，且伴随有线状气泡吸入。这种漩涡与图4所描述的第5种类型漩涡相符。A2工况鼓网液面流态如图10所示。

图10 A2工况鼓网液面流态

A5工况：鼓网室上部水流之间因搓动产生了具有较小旋转强度、较小水面凹陷的漩涡运动，这些漩涡形成后即随水流向鼓网室右后方移动。这种漩涡与图4所描述的第2种类型漩涡相符，无气泡产生。A5工况鼓网液面流态如图11所示。

图11 A5工况鼓网液面流态

A8工况：鼓网室液面由于存在两种方向液流相交汇，产生了明显的液流冲击，伴随冲击产生了气泡漂浮于液面表面，且由于水位仅略高于进水流道过渡段进口断面的上缘，故伴随有少量气泡卷入进水流道入口；且液下有带状涡一直存在。A8工况鼓网液面流态如图12所示。

（3）进水流道内的流态。借助进水流道内壁粘贴的红线可以清楚地观察进水流道内的流态。A2、A5和A8三种工况进水流道内的流态基本相同，水流呈螺旋状进入进水流道，顺水流方向看，水流旋转方向为顺时针。水流在进水流道立面和平面两个方向均匀收缩，水流在流道内90°转向后，水流收缩快速增加；水流从流道进口至流道出口始终保持旋转流动状态。进水流道内的流态照片如图13所示。

图13 鼓网一侧封堵、一侧不堵进水流道内流态

A2、A5和A8工况进水流道出口水流涡角的测量结果如表5所示。可以看到，最大涡角发生在A8工况，为14.93°，鼓网一侧封堵、一侧不堵的工况下各水位工况的涡角均不满足《水泵进水设计》关于涡角不大于5°的要求。因此不建议在此工况下运行。

表5 进水流道出口水流的涡角（鼓网一侧封堵、一侧不堵）

5.3 鼓网均匀半堵

用宽度为50mm的胶带将鼓网的一半面积均匀封堵，以模拟鼓网部分堵塞的情况。鼓网均匀半堵布置情况如图14所示。其他试验条件与鼓网不堵的试验条件相同。

图14 鼓网均匀半堵示意图（单位：mm）

（1）整流段基本流态。整流段整体流态顺畅且转向平缓，未见有漩涡区域产生。

（2）进水流道进口前的流态。对于鼓网均匀半堵的工况，分别在A3、A6、A9三种工况下进行了观察。

A3工况：总体液面流动非常平稳，未见产生零散气泡。A3工况鼓网液面流态如图15所示。

图15 A3工况鼓网液面流态

A6工况：水流从鼓网室的两侧流入鼓网室，鼓网室水面的水流相向流动，水流之间因相互挫动而产生具有一般旋转强度、水面凹陷的漩涡运动。这种漩涡与图4所描述的第2种类型漩涡相符。A6工况鼓网液面流态如图16所示。

图16 A6工况鼓网液面流态

A9工况：鼓网室液流由于从鼓网不堵的孔洞流出，液面波动较大，但未见有漩涡生成，水位仅略高于进水流道过渡段进口断面的上缘，整体流态较好，仅有极少数气泡吸入进水流道内。A9工况鼓网液面流态如图17所示。

图17 A9工况鼓网液面流态

（3）进水流道内的流态。借助进水流道内壁粘贴的红线可以清楚地观察进水流道内的流态。A3、A6和A9三种工况进水流道内的流态基本相同，各工况的水流在进水流道立面和平面两个方向的收缩都很均匀；在进水流道喇叭管段，水流收缩快速增加，同时流速分布得到了进一步调整，所有工况在流道出口处水流均趋于顺直均匀。各工况进水流道内的流场均较为理想，可为水泵叶轮室进口提供良好的进水流态。进水流道内的流态照片如图18所示。

图18 均匀半封堵进水流道内流态

A3、A6和A9工况进水流道出口水流涡角的测量结果如表6所示。可以看到，最大涡角发生在A9工况，为4.74°，鼓网均匀半堵的工况下各水位工况的涡角满足《水泵进水设计》关于涡角不大于5°的要求。

表6 进水流道出口水流的涡角（鼓网均匀半堵）

6 结论

（1）该试验台架用于核电循环水泵进水流道试验，在循环水泵设计固化前进行试验，以检验进水流道设计的可行性，试验台架可用于检验不同进水流道模型，无须拆除整个试验台架，仅需要对进水流道部分进行调整。

（2）在设计流量和平均潮位、多年平均低潮位、百年一遇低潮位等各个工况，在鼓网一侧封堵、一侧不堵的条件下，鼓网室水面均会产生具有较大旋转强度、较大水面凹陷的漩涡运动，同时伴随产生较多的零散气泡，其中有少量气泡随水流流向进水流道出口。这种漩涡的基本特征接近《水泵进水设计》所述的第5、6种类型漩涡，部分漩涡为有害涡，会将气体带入进水流道内。

（3）在设计流量和平均潮位、多年平均低潮位、百年一遇低潮位等各个工况，在鼓网均匀半堵的工况下，鼓网室水面具有一般旋转强度、水面凹陷的漩涡运动。这种漩涡多属于《水泵进水设计》所述的第2种类型。进水流道内的流态均平顺、均匀。

（4）在设计流量、鼓网不堵的工况下，处于多年平均低潮位时，或处于最高潮位时，整体鼓网室液面流动平稳，未见有漩涡产生；处于百年一遇低潮位时，由于液面接近过渡段进口断面的上缘，鼓网室液面形成的少量小漩涡偶尔会将小气泡带入进水流道内，进水流道内的流态均平顺、均匀。进水流道出口水流的涡角均满足《水泵进水设计》关于涡角不大于5°的要求，说明进水流道可为水泵叶轮室进口提供良好的进水流态。