某百万级VVER核电机组主给水系统水锤分析研究

吴 磊

(中国电力工程顾问集团国际工程有限公司，北京 100029)

0 引言

主给水系统是核电厂主要系统之一，是核电厂常规岛部分与核岛部分联系的纽带，用来向蒸汽发生器输送通过高压加热器加热的高压给水。因此，给水管道的安全稳定运行关乎到整个核电厂的安全运行。

管路中的阀门突然关闭、水泵机组突然停车等外部原因，使管内流体的流速突然发生变化，引起管内流体的动量交换，导致管内压强急剧升高和骤然降低交替变化，这种变化以波的形式在管路内传递，从而形成水锤[1]。水锤发生时，压力可达到运行值的数倍甚至更高，严重威胁设备和系统的安全稳定运行[2]。水锤现象引起国内外专家的高度重视，先后提出了多种水锤的计算方法，其中主要有解析法、图解法和数值解法。目前对于一维水锤偏微分方程组的数值求解，应用最广泛和有效的是特征线法[3]。随着计算机技术的不断发展，出现了众多水锤计算程序，如EASYPIPE、KEDRU、FLOTRAN等[4-5]，其中，PIPENET软件是一款一维工程流体管路系统的分析软件，其瞬态模块具有水锤(汽锤)分析、泵阀的启停设计、管道振动分析、控制系统的动态响应模拟、动态力的数值计算等功能，在工程设计中应用广泛。

本文针对某百万级VVER核电机组主给水系统，分析其瞬态过程，确定瞬态工况，采用PIPENET软件进行建模，利用瞬态计算功能模拟水锤的发生及衰减过程，计算管道内压力、流量和波动力的数值变化情况，为给水系统管道设计优化提供指导和依据。

1 瞬态工况及计算模型

某百万级VVER核电机组配置5台定速电动给水泵(A、B、C、D、E)，正常4台运行1台备用，电动给水泵采用弹性基础。给水系统几何模型见图1。

图1 给水系统几何分析模型

给水泵为电动定速泵，给水泵自启动到达额定转速仅需2.7s，根据H-Q曲线(图2)，给水泵最小流量448 m3/h时，扬程为1 148 m，最大流量1 926 m3/h时，扬长为895 m。根据水锤发生的机理并结合定速泵的特点，确定了给水泵启动、正常停运、事故停运以及主阀门事故关闭四个瞬态工况进行分析，利用PIPENET软件建立给水系统流场分析模型(图3)，E泵处于管系最末端，以下瞬态分析针对E泵进行。

图2 给水泵H-Q曲线

图3 给水系统流场分析模型

2 工况一：给水泵启动

1)计算边界条件

①给水泵2.7 s时达到额定转速；

②再循环管道关断阀起始处于全开状态；

③泵出口关断阀起始处于关闭状态，从第5 s开始关闭；

④再循环管道关断阀关闭与泵出口关断阀开启联锁动作，延时差为30 s；

⑤给水泵关断阀后边界条件为压力边界条件：第1 s时，管道注满水后的静水压；第5s时，压力达到8 MPa(g)；第48 s时，压力达到额定压力。

2)流场计算结果

由图4、图5可以看出，自泵开始启动，泵出口压力上升，同时流量增加；经3.7 s时泵出口压力达到最大值；给水泵出口关断阀开启后，压力下降，随着关断阀开度增加，泵出口压力逐渐达到额定值。泵出口流量随着关断阀开度的增加而增加，达到极大值1 554 m3/h，之后流量开始减小；随着阀门开度的不断增大，流量增大，当泵出口关断阀全开，泵出口流量达到稳定值约1 697 m3/h。

图4 泵出口压力—时间变化曲线

图5 泵出口流量—时间变化曲线

由图6可知，泵出口水平管道在泵启动到关断阀打开时间段，管道出现较大波动力，最大值达194.7 N。

图6 泵出口水平管道动态力—时间曲线

3 工况二：给水泵正常停运

1)计算边界条件

①泵起始处于额定负荷运行状态，从第43s开始关闭；

②再循环关断阀全程打开；

③给水泵出口关断阀起始全开，第43 s完全关闭。

2)流场计算结果

根据图7、图8可以看出，泵出口压力在关断阀即将关闭之前有所上升，随后随着给水负荷的出现将急剧下降。同时流量在泵出口关断阀全关后迅速减小，直至停泵流量为0。

图7 泵出口压力—时间变化曲线

图8 泵出口流量—时间变化曲线

由图9可以看出，泵出口水平管道在泵出口关断阀及再循环关断阀全关瞬时出现较大波动力，最大值达435 N。

图9 泵出口水平管道动态力—时间曲线

4 工况三：给水泵事故停运工况

1) 计算边界条件

①给水泵紧急停运时间0.2 s；

②再循环管道与除氧器接口边界条件取流量条件，流量为0；

③给水泵出口关断阀后边界取压力边界条件，压力取管系最大工作压力94 bar(g)。

2) 流场计算结果

根据图10、图11可以看出，自泵初始降低转速开始，泵出口压力逐步降低至11.56 bar(g)。泵出口流量出现激烈波动，并慢慢减小。

图10 泵出口压力—时间变化曲线

图11 泵出口流量—时间变化曲线

由图12可以看出，泵出口水平管道在泵降低转速开始出现激烈的波动力，最大值达到21 665 N。管段波动力作用对泵接口力影响较明显，需要通过增设阻尼器吸收管系波动力。

图12 泵出口水平管道动态力-时间曲线

5 工况四：给水泵出口主关断阀事故关闭

1)计算边界条件

①泵全程处于额定负荷运行状态；

②再循环管道与除氧器接口边界条件取流量条件，取值正常运行工况下除氧器接口流量为零；

③给水泵出口关断阀关闭后边界条件取压力条件，压力取最大工作压力94 bar(g)；

④给水泵出口关断阀起始处于全开状态，第43 s完全关闭。控制逻辑中，主关断阀事故关闭时，系统应联锁开启再循环管道关断阀，本文考虑不联锁开启再循环管道关断阀。

2) 流场计算结果

根据图13、图14可以看出，泵出口压力在关断阀即将关闭之前急剧增高，关断阀完全关闭后，泵出口压力增值最大。泵出口流量在关断阀即将关闭之前急剧下降，关断阀完全关闭后，泵出口流量降至0。

图13 泵出口压力—时间变化曲线

图14 泵出口流量—时间变化曲线

由图15可以看出，泵出口水平管道在泵出口关断阀及再循环关断阀全关瞬时出现波动力，最大值达到389 N。

图15 泵出口水平管道动态力-时间曲线

6 结语

根据以上四个工况计算结果，给水泵事故停运工况水锤现场最剧烈, 泵出口水平管道在泵降低转速开始出现激烈的波动力,最大值达到21 665 N，必然会对管系及泵本身造成不利影响。

主给水系统与核电厂运行息息相关，主给水系统的安全运行直接影响到核电厂的安全运行，所以在核电厂日常运行过程中应当避免给水泵事故停运的事故发生，另外，应采取有关措施优化给水管道设计，如增加阻尼器和限位，以消除水锤力对管系和设备的破坏作用。