核岛重要厂用水系统停泵水锤计算分析

许 拓，穆祥鹏，蒋序伦，王争光，张艳娥

（1.中广核工程有限公司设计院，广东 深圳 518045；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

核岛重要厂用水系统停泵水锤计算分析

许 拓1，穆祥鹏2，蒋序伦1，王争光1，张艳娥1

（1.中广核工程有限公司设计院，广东 深圳 518045；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

核岛重要厂用水（SEC）系统是核岛向最终热阱（大海）的直流海水输热系统、安全级系统，必须长期稳定、安全、可靠的运行。文章通过数值模拟的方法计算SEC系统停泵时的水锤过程，分析空气阀、单向调压水箱、缓闭止回阀水锤防护方案在SEC系统中的适用性。

重要厂用水系统；安全级系统；泵站；水锤

核岛重要厂用水（SEC）系统主要功能是通过海水将核岛安全有关的构筑物、系统和部件的热量输送到核电站最终热阱（大海）。SEC系统具有安全功能，是核电站冷却系统的一部分，是核安全相关系统。

每台CPR1000核电机组的SEC系统设计有两个系列，每个系列均为直流式的海水回路，由进水明渠、港池、滤网间、泵站、重要厂用水管道、贝类捕集器、SEC板式换热器、排水管、排水溢流堰、重要厂用水排放构筑物（GS排水廊道）等组成。每个系列有2台水泵机组，单台运行或并联运行，每个系列的2台水泵机组共用一条重要厂用水压力管道。SEC系统从位于联合泵房的循环水过滤系统鼓型滤网后取水。每个系列的设计要保证可冷却2台SEC板式热交换器（2×50%）。在SEC水泵之后的出水管，SEC板式换热器之前加设贝类捕集器。SEC系统流程简图如图1所示。SEC系统的主要特点：安全级系统；输送水量大；管道流速高；启停频繁；介质为海水；净水位差变化幅度大。

SEC系统是一个典型的开式循环泵站系统，根据《泵站设计规范》的规定，需要进行系统停泵瞬态分析，保证管道最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍，保证管道任何部位不应出现水柱分离现象[1]。由于SEC系统具有以上核系统独有的特点，其水锤瞬变分析及防护与传统的输水管路有所差异，水锤防护的难度更大。本文采用数值模拟的方法计算了SEC系统停泵时的水锤过程，分析了空气阀、单向调压水箱、缓闭止回阀等水锤防护方案在SEC系统中的适用性。

1 数值计算方法

管道水力瞬变的基本方程，压力管道中的水力瞬变过程可通过一对偏微分方程描述[2]：

式中：H——从基准线算起的测压管水头，m；

V——断面平均流速，m/s；

f——沿程阻力系数；

D ——管道直径，m；

a——水击波速，m/s；

g——重力加速度（取9.81 m/s2）；

χ——距离，m；

t——时间，s。

方程（1）和方程（2）为双曲型偏微分方程组，采用特征线方法，偏微分方程可以转化为两对常微分方程。

通过Fortran语言编程[2-3]和商业水力瞬态分析软件对SEC系统的停泵水锤过程进行模拟分析。

2 水锤分析及防护措施

2.1 普通止回阀条件下的水锤分析

通过对各种海潮位、单泵或双泵停泵工况、系统及设备洁净和污垢条件，进行组合计算分析，确定系统洁净条件下，最低海潮位时，系统停泵将发生最不利的水锤过渡过程。在此最不利工况条件下，在泵出口止回阀拒动时（或无阀系统），水泵出口附近管段因停泵水锤所造成的降压波在第一个水锤相长内（约0.58 s）达到最低值，约-5 m。约在停泵后7 s，管道系统的水体开始倒流，停泵后约10 s，泵开始倒转。

SEC系统的水泵出口装有快速关闭止回阀，在水泵出口装设止回阀的传统意图是防止事故停电时管路中水倒灌以及管理维修上的方便，选择合适的止回阀类型对管道水锤防护有很大的影响。泵站中大量的水锤事故与泵出口装设的止回阀有关。事故停泵后水流开始倒流，在倒泄水流的作用下，止回阀迅速关闭。阀瓣在流速为零时关闭完毕是止回阀关闭的最佳状态，要在流速为零时完成阀瓣关闭是不太可能的。一般认为，只要在零流量附近关闭完毕，就属于止回阀运行正常。如果止回阀由于故障或支座摩阻及其惯性的影响，止回阀的关闭滞后于开始倒流的时间，即在倒流量增至一定值，甚至在最大倒流量的瞬间迅速关闭，则会在止回阀处产生非常大的水锤压力，甚至会在管道沿线多处引起断流弥合水锤，因此必须对止回阀的多种可能的关闭情况进行水锤分析，对止回阀在供水管路中的适用性进行论证。

对于普通止回阀，根据其设计要求，在计算时当出现阀后背压大于阀前压力时，阀门开始关闭，由于缺少普通止回阀的流体阻断试验的相关数据，因此在停泵水锤分析时，对多种阀门关闭时间进行了分析。计算发现如果采用止回阀完全关闭时间滞后水体倒流时刻大于0.25 s时，止回阀关闭就会造成较大的水锤升压，随后的降压波将引起管道沿线多处压力下降至汽化压力，并出现水柱分离再弥合的情况。单泵停泵，止回阀完全关闭时间滞后水体倒流时刻0.25 s时，管道沿线的水头包络线如图2所示，泵后水头压力过程如图3所示。

管道水体发生汽化时，其危害不仅仅是汽穴弥合时的压力跃升，还会产生气蚀现象，对管道造成破坏。微射流理论认为，当水体汽化产生的圆形汽泡溃灭时，气泡周围的水体将发生向心流动，这种向心流动的后期不再稳定，球形气泡将发生变形而成为扁形空泡，并分裂为两个小空泡，同时会发出剧烈的响声，且在它们之间产生微射流，流速可达200 m/s左右，气泡将会被高压射入金属的缝隙或是打击在金属壁面上，会对管壁产生强烈的腐蚀作用。如果止回阀由于故障或支座摩阻及其惯性等原因造成关闭时间滞后，由于普通止回阀的快速关闭特性，在较大的倒流流量情况下，将会在管道沿线产生更为严重的关阀水锤升压，以及随后而来的多处断流弥合水锤，严重威胁系统安全[5]。因此必须对SEC系统的停泵水锤过程，采取水锤防护措施。

2.2 空气阀防护方案

为保证供水系统的安全运行，应设法提高系统在停泵过渡过程中的最小压力，空气阀是避免管道中出现水柱分离式断流弥合水锤的最有效的方法之一。空气阀的设置原则一般是：1）管道局部最高点（由水力坡度决定）；2）上升坡度变小点；3）长距离无折点管段，每400～800 m安装一个排气/吸气阀。SEC系统的空气阀布置重点应在管道系统水泵出口管段以及管道的局部最高点等易出现管道负压的区域。研究过程中对多种布置方案进行了验算，结果表明，换热器出口是整个管线的最高点，也是过渡过程中负压最大的区域之一，该位置在水泵正常运行时也处于较大的负压状态，但是空气阀到换热器的距离也不能太远，否则无法消除换热器附近较大的负压。该位置范围在系统正常运行时，水头压力始终为负压，所以需要采用电动自控装置控制该空气阀的启闭：在水泵启动和正常运行时，关闭该空气阀，在水泵事故断电或全部停机时立即开启该空气阀。

空气阀一般分为3类：进气阀、排气阀和复合式空气阀。进气阀，又称真空破坏阀，是一种只进气不排气的阀门。其特点是当管中压强大于大气压时能及时自动关闭，不使进入的空气排出。当分离开的水柱相互接近时，管道中的空气被压缩，并对水锤升压起缓冲作用，从而起到降低水柱弥合引起的压力升高的作用。排气阀的作用与进气阀的作用相反，是一种只排气不进气的阀门。这种阀的特点是只排气，不排水。当管道中的气体排出后，会自动关闭，防止液体泄出。复合式空气阀具有进气阀和排气阀的功能，当水压下降到大气压以下时，空气阀打开让空气进入，以减小管道内真空度；当水流压力大于大气压时，容许空气逐渐排出，以避免分离液体迅速聚合形成的巨大的冲击压力，SEC系统拟选用组合式吸排气空气阀。

空气阀的进排气特性对于水锤防护效果影响很大，进气口径过小则可能因进气量和进气速度不够而达不到水锤防护的效果，口径过大，在排气完毕，空气阀关闭时可能会产生较大的水锤升压，一般称为“Air Slam”[4]。在这种情况下一般采用“快进慢出”的进排气形式，因此，在空气阀应用时，一般应根据实际情况对进、排气孔口径进行优化，选择合理的空气阀形式及进出口面积。

空气阀的进气面积应由水锤发生时的所需要空气吸入量来决定。所需要的空气吸入量应等于管道爆炸时由重力引起的漏水流量。根据美国真空破坏阀的选型原则，空气阀所需的空气吸入流量可按公式（3）计算：

式中：s——管道的坡度，°；

D——管道的直径，in；

Q——空气流量，ft3/s。

为了方便地模拟空气阀对水力瞬变的影响，假定气体等熵流入流出空气阀，管内气体温度接近于液体温度且遵守等温定律。

综合考虑各方面因素，并通过多次计算确定SEC系统应采用复合式空气阀，进气孔直径采用0.1 m，出气孔直径采用0.01 m，这样可以实现气体的“快进慢出”，既能起到水柱分离式断流弥合水锤的防护效果，又可以避免气体释放时发生过大的水锤升压。空气阀的布置如图4所示。正常运行时换热器出口为负压，为避免空气阀动作，采用阀门隔离空气阀，停泵时，隔离阀需自动开启，进气后破坏虹吸，空气进入。

2.3 单向调压水箱方案

单向调压水箱是一种用于防止产生水柱分离的经济可靠的防护措施，常设于易产生负压的部位，这种单向调压水箱由一个小容量的水箱与辅助支管道（上水管和注水管）、阀件等组成。水箱通过逆止阀与泵站主管道连接，逆止阀的启闭由注水管道的压力控制，水泵启动时，逆止阀处于关闭状态，并通过上水管立即向水箱充水；当水位达到正常水位后，补水管出口的浮球阀关闭，自动保持箱内的水位。事故停泵后，当出水管道的压力下降到水箱的正常水位以下时，逆止阀迅速打开，通过注水管道立即向主管道补水，以防止管道中压力降低而产生液柱分离。

与双向调压水箱相比，单向调压水箱由于在与主管道相连的短管上装设有逆止阀，在补水管道的水箱端装设有控制水位的浮球阀，因此水箱的高度可以大大降低，即只要有足够的容积储水来补充由于水柱分离而产生的气穴就可以了。单向调压水箱如图5所示。

单向调压水箱的容积必须能满足整个水锤期间的总注水量，并保证有一定的余量，初步估算可以按照水柱分离量来考虑。水柱分离可能的汽穴体积可以按公式（4）估算[5]：

式中：V——水柱分离的汽穴体积，m3；

A——管道截面积，m2；

L——管道长度，m；

v——管道的初始流速，m/s；

H——水泵的实际扬程，m；

g——重力加速度（取9.81 m/s2）。

管道正常运行，吸水前池水位为设计低水位情况，单台水泵运行时，扬程为32.1 m，流量为1.1 m3/s，管长取365 m，由公式（4）可得单台水泵事故断电时的最大空穴体积为1.78 m3。模型计算，单泵事故停机时，水柱分离而出现的最大空腔体积为1.9 m3，2台水泵事故停机时在水泵出口后的管段所造成的2个最大水柱分离空腔体积可达3.2 m3。单向调压水箱的水体体积按照空腔体积并乘以一个安全系数来初步确定。由文献可知，安全系数一般取1.5～2.0，本研究采用较大的安全系数2.0，初步确定单向调压水箱的容积为6.5 m3。

2.4 两段关闭止回阀方案

当停泵时，可控的两段关闭止回阀可以按照事先优选后设定的关阀程序与速度动作实现两段关闭，实现第一阶段快关，第二阶段缓关。从而控制止回阀关闭引起的压力升高，同时也使得停泵引起的系统倒流量和水泵机组倒转速度得到控制。

通过SEC系统停泵水锤的模拟计算可知，延长止回阀的缓关时间，可以提高管道沿线的最低压力，且能够有效减小止回阀关闭所造成的最大水头波动。在一定范围内延长快关时间，有助于提升水泵出口附近管道的最低压力。但水泵出口止回阀快关时间和缓关时间越长，水泵机组在过渡过程中的最大倒流流量和反转转速就越大。因此必须通过水锤计算对两段关闭止回阀的关闭程序进行分析和优化。

阀门的固有流量特性主要分为4种：快关、线形、抛物线、等百分比。通过SEC系统模拟计算可知，等百分比特性的阀门采用缓关的形式就可大幅降低停泵关阀水锤升压，线形（快关）特性的阀门需要采用两阶段（或三阶段）关阀特性，方可大幅降低停泵关阀的水锤升压。

图6和图7分别为采用两段关闭止回阀后，单泵停泵时的水头包络线和泵出口后2.65 m高程处的压力过程，从图中可以看出，采用两段关闭止回阀可以有效防止停泵水锤过程中的水柱分离问题，能够保证系统安全。

3 水锤防护方案的比选

SEC系统是核安全相关系统，核岛最终热阱的执行系统，而且核电厂一旦投运，就需要SEC系统不停地导出核岛衰变热，其必须长期稳定、安全、可靠的运行。安全级系统应满足RCCP-3，系统设备应按照RCCM-3生产制造。通过数值模拟计算，可知3种水锤防护措施均能够保证停泵水锤过程中的系统安全，但在实际工程应用当中，3种水锤防护措施的适用性各不相同，3种水锤防护措施的适用性比较见表1。

4 结论

通过对SEC系统建模进行的瞬态分析，及对空气阀、单向调压水箱、缓闭止回阀方案的计算及比选，根据工程实际情况选择两阶段关闭的缓闭止回阀方案，以防止系统停泵造成的水柱分离问题。

[1] 中华人民共和国水利部. 泵站设计规范[S]. GB/T 50265—2006.（The Ministry of Water Resources of the PRC. Design Criteria of Pump Station [S]. GB/T 50265—2006.）

[2] E. B. Wylie，V. L. Streeter. Fluid transients[M]. FEB press, Michigan, 1984.

[3] 杨开林. 电站与泵站的水力瞬变及调节[M]. 北京：中国水利水电出版社，2000.（YANG Kai-lin. Hydraulic Power Transient and Regulation for Power Plant and Pump Station [M]. Beijing: China Water Power Press, 2000.）

[4] Naftail Zloczower. Air valves and pressure Surge [J]. international water and irrigation. 2007，27（3）：12-14.

[5] 金锥，蒋乃昌，等. 停泵水锤及其防护[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2004.（JIN Zhui, JIANG Nai-chang, et al. Pump-off Water Hammer and Its Protection [M]. Beijing: China Construction Industry Press, 2004.）

The Calculation and Analysis to the Pump-stop Water Hammer of the Essential Service Water System

XU Tuo1，MU Xiang-peng2，JIANG Xu-lun1，WANG Zheng-guang1，ZHANG Yan-e1
(1. Design Institute of China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518045，China；2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China)

The essential service water system (SEC) is the DC water heat transport system from nuclear island to sea. SEC is the safety related system, which must operate in longterm stability, security and reliable status. The pump-stop water hammer of SEC system is calculated with numerical simulation and the applicability of water hammer protection measures, such as air valve, one-way surge tank and slow close check valve, is analyzed in SEC system.

SEC；safety system；pump station；water hammer

TL32 Article character：A Article ID：1674-1617(2012)01-0017-07

TL32

A

1674-1617(2012)01-0017-07

2011-09-13

许 拓（1970—），男，陕西人，工程师，学士，从事核电站系统设计工作。