基于仿真模拟的VVER核电机组主给水系统水力计算研究

张铭洋，岳奕彤

(核电运行研究(上海)有限公司，上海 200126)

主给水系统是核电厂重要热力系统之一，承担向蒸汽发生器输送给水并控制二次侧水位等功能。作为主给水系统设计的关键环节，水力计算是给水泵扬程计算、支管流量分配预测、给水调节阀选型等工作的先决条件。在传统设计过程中，水力计算大多采用电子表格形式，缺少直观图形交互界面，复杂管系布置难以真实映射，多工况计算工作量较大，且输出结果单一，无法快速提取系统内任意目标点的实时参数。使用AFT Fathom专业仿真软件对核电厂主给水系统建模并开展水力计算，能够有效规避上述问题，提升计算精度和深度，并实现更为全面的系统参数预测，对核电厂精细化设计具有重要意义。

1 主给水系统模型

1.1 系统描述

本文以某VVER核电机组主给水系统为研究对象。该系统配置一台除氧器、五台定速给水泵(5×25%容量，四运一备)、两列高压加热器，给水最终进入四台蒸汽发生器，核岛与常规岛的设计分界位于给水调节阀前。图1为VVER核电机组主给水系统流程示意图。

图1 主给水系统流程示意图Fig.1 The main feedwater system diagram1-除氧器；2-低压给水隔离阀；3-滤网；4-给水泵；5-流量测量装置；6-泵出口止回阀；7、8-泵出口隔离阀；9-高加入口隔离阀；10-6号高加；11-7号高加；12-高加出口隔离阀；13、14、15-给水调节阀组；16-蒸汽发生器入口止回阀；17、18、19-给水泵再循环阀组；20-蒸汽发生器；21-泵出口母管；22-蒸汽发生器前母管

1.2 模型搭建

AFT Fathom是一款轻量级流体模拟分析软件，近年来在核能领域得到广泛应用和验证，包括ITER(国际热核聚变实验堆)装置冷却水系统水力分析[1]、AP1000核电机组IRWST低压安注系统设计核算[2]、滨海核电站循环冷却水系统优化[3]等项目均使用该软件开展工作。本文根据VVER核电机组主给水系统流程，使用AFT Fathom软件搭建水力计算模型。对于VVER核电机组，通常由核岛设计方提出主给水系统设计分界处的压力要求，常规岛设计方据此开展系统设计工作，因此本文基础模型范围与常规岛设计范围一致。

使用AFT Fathom工程元件库搭建主给水系统主要设备和阀门模型：

1)使用压力元件(Assigned Pressure)模拟除氧器和跨岛设计分界；

2)使用过滤元件(Screen)模拟给水泵入口滤网；

3)使用定速离心泵元件(Centrifugal Pump-fixed Speed)模拟给水泵；

4)使用热交换器元件(Heat Exchanger)模拟高压加热器；

5)使用控制阀元件(Control Valve)模拟给水调节阀。

AFT Fathom具备管件简化功能，即在不影响模拟结果的前提下将多个连续同类管件简化为一个，但为了精确模拟系统各空间位置的参数变化，本文按照该机组实际三维布置将每个管道直段和管件录入模型。图2为水力计算模型。

图2 水力计算模型Fig.2 The hydraulic calculation model

TMCR工况(即汽轮机最大连续功率工况)是主给水系统水力计算的基准工况，因此模型的主要边界条件和介质参数均按该机组TMCR工况输入，详见表1。系统元件参数均按该机组实际情况输入：阀门Kv值按TMCR工况实际参数输入；流量测量装置压降按压降-流量曲线输入；滤网阻力按压差报警定制保守输入；高加阻力按阻力-流量曲线输入。需要指出的是，根据GB/T 50958—2013《核电厂常规岛设计规范》[4]要求，在使用TMCR工况给水流量计算管道阻力时，应对阻力另加20%裕量，然而目前绝大部分一维流体仿真软件(包括AFT Fathom在内)均不支持用户自定义阻力裕量。考虑到给定管道的流动阻力与介质流速(或流量)的平方成正比[5]，此处将给水流量按TMCR工况的1.1倍输入模型，则管道流动阻力变为TMCR工况的1.21倍，符合规范要求。

表1 介质参数和边界条件Table 1 Medium parameters and boundary conditions

2 给水泵扬程计算

2.1 计算依据

给水泵是主给水系统重要设备之一，准确的扬程计算是给水泵选型的必要条件。根据GB/T 50958—2013《核电厂常规岛设计规范》[4]要求，给水泵的扬程应按下列各项之和计算：

1)从除氧器给水箱出口到常规岛与核岛主给水设计分界点处的管道介质流动阻力，另加20%裕量。计算阻力时，流量应按机组TMCR工况的给水消耗量；

2)从除氧器给水箱出口到常规岛与核岛主给水设计分界点处之间的设备阻力；

3)常规岛与核岛主给水设计分界点处标高与除氧器给水箱正常水位间的水柱静压差；

4)核岛在常规岛与核岛主给水设计分界点处要求的给水压力；

5)除氧器在机组TMCR工况下的工作压力(取负值)。

图3为给水泵扬程计算示意图，式(1)为给水泵扬程计算公式(单位m)。

图3 给水泵扬程计算示意图Fig.3 Calculation of the feedwater pump headH=h3+(h2-h1)+Δh设1+Δh设2+1.2Δh管-h0

2.2 扬程计算

给水泵扬程计算结果见表2。

从表2可以看出，四台运行给水泵的扬程沿给水流动方向依次减小，即靠近泵出口母管上游的给水泵D扬程最大(923.4 m)，靠近泵出口母管下游的给水泵A扬程最小(922.2 m)；四台泵扬程平均值为923.0 m，四台泵中最大扬程偏差绝对值为|922.2-923|/923=0.09%，对给水泵选型影响较小。四台给水泵的扬程存在略微差异，主要是由于靠近泵出口母管上游的支管接入点与母管出口距离不同，支管内的给水需克服的流动阻力(主要来自母管及其上各个三通，详见图5)不同。

表2 给水泵扬程计算结果Table 2 Results of pump head calculation

图4 局部模型(给水泵)Fig.4 Partial model (feedwater pumps)

J81、J62、J43、J23-泵出口母管上的四个三通(从上游至下游)图5 泵出口母管内的给水压力和流量随沿程流动方向的变化Fig.5 Change of feedwater pressure and flowrate along the flow in pump outlet header

为验证AFT Fathom计算结果的可靠性，使用传统表格法对该机组主给水系统水力计算开展独立验证。结果表明，传统表格法计算的给水泵扬程为920.0 m，AFT Fathom计算的给水泵扬程为923.4 m(取最大值)，两者偏差仅为0.3%，证明了AFT Fathom水力计算模型的准确性和可靠性。

3 流量分配和调节阀选型

流量分配偏差是并联水管路的常见问题，与母管和支管管径比、雷诺数[6]、各支管静压分布[7]、三通型式[8]、局部涡流损失[9]等因素相关。VVER核电机组设有四台蒸汽发生器，给水需通过四个并联支管分别进入蒸汽发生器，以TMCR工况为输入条件，基于图2的水力计算模型模拟蒸汽发生器前母管上各个三通处的静压分布和支管流量分配，结果如表3和表4所示。

表3 蒸汽发生器前母管三通处静压分布Table 3 Static pressure distribution at tees in the upstream header of the SG

表4 给水支管流量分配Table 4 Flow distribution in branch pipes

从蒸汽发生器前母管上游开始，四个三通(从A到D)的入口静压逐渐增大，由于支管终端已根据跨岛设计分界压力条件定义为恒定压力源(8.570 MPa.a)，则导致四个支管(从A到D)的前后压差逐渐增大，通过的给水流量也相应增大，支管A和支管D的流量分配偏差已达到175 m3/h。然而在机组正常运行时，一般维持四台蒸汽发生器的给水流量和入口压力相同。优化管径比和三通型式能够在一定程度上减小流量分配偏差，但仍需使用给水调节阀精确控制以实现流量平衡。

给水调节阀选型通常需要多个运行工况(包含TMCR工况)的流量和阀门前后压差等参数。将蒸汽发生器前给水支管和给水调节阀录入水力模型，见图6。以该机组TMCR、75%TMCR和50%TMCR工况为例(分别代表4台、3台、2台给水泵投入运行的工况)，输入支管流量边界和阀后压力边界(7.000 MPa.a)，模拟给水调节阀前后压差，结果如表5～表7所示。

图6 局部模型(给水调节阀)Fig.6 Partial model (feedwater control valves)

表5 给水调节阀前后压差(TMCR工况)Table 5 Differential pressures in feedwater control valves (TMCR)

表6 给水调节阀前后压差(75%TMCR工况)Table 6 Differential pressures in feedwater control valves (75%TMCR)

表7 给水调节阀前后压差(50%TMCR工况)Table 7 Differential pressures in feedwater control valves (50%TMCR)

在不同负荷下，给水调节阀前后压差根据系统流量和阻力特性发生变化；在相同负荷下，为了维持四台蒸汽发生器流量平衡，不同给水调节阀的前后压差因其所在支管的始端静压分布而发生变化，变化规律与表3数据相吻合，即从蒸汽发生器前母管上游开始，四个给水调节阀(从A到D)的前后压差逐渐增大。以上数据可作为给水调节阀选型的边界条件。除机组负荷变化外，使用该水力模型还可模拟包括高加切除、蒸汽发生器启动注水和预热等在内的其他非额定工况，提高给水调节阀选型精度。

4 结语

作为核电厂重要热力系统之一，主给水系统的合理设计是机组安全运行的基础。本文以某VVER核电机组主给水系统为例，使用AFT Fathom专业仿真软件按实际系统流程和布置搭建了水力计算模型，对给水泵扬程计算、支管流量分配和给水调节阀选型等问题开展了仿真模拟和分析，结论和建议如下：

1)同步计算了所有给水泵的扬程(计算结果与传统表格法偏差极小)，并反映出并联泵的扬程差异。需注意调整模型的流量参数以满足规范对管道阻力裕量的要求。

2)并联给水支管流量分配偏差的直接原因是各个支管两端的压差不同。在终端压力边界确定的情况下，始端(蒸汽发生器前母管三通)静压分布显著影响流量分配。

3)为维持四台蒸汽发生器的流量平衡，需在给水支管设置给水调节阀。基于仿真模拟技术，以不同工况下给水调节阀前后压差，以及相同工况下各支管给水调节阀压差为输入，实现精细化设计。