非能动先进核电厂主给水管道水锤模拟计算

盛美玲，田卫卫，丘锦萌，李 军，于 沛

（中国核电工程有限公司 系统与布置设计所，北京 100840）

主给水系统是核电厂二回路的重要组成部分，主要用以保证蒸汽发生器的冷却，主给水管道作为其中重要的压力管道，直接向蒸汽发生器提供所需温度、压力和流量的给水［1］。在压力管道中，当某些工况下流体流速发生急剧变化，会引起瞬时压力显著变化，即发生水锤现象，对系统的使用和运行造成危害［2-3］。因此，研究水锤对主给水管道的影响是主给水系统设计的重要内容。

据统计，自1961年到1985年美国核电厂发生的水锤事故，有78%出现在二回路，且多数出现在主给水系统上［4］。主给水系统是一个复杂的系统，其中主给水管道上的设备有主给水泵、主给水隔离阀、主给水调节阀、主给水止回阀及相关的测量仪表。针对这样的系统不可能进行水锤试验，因此水锤的模拟计算非常重要。PIPENET 软件是目前先进可靠的管网流体计算与分析软件，可用以进行管网系统计算和优化、设备选型及事故时水锤分析［5］。主给水隔离阀的快关和主给水泵的关闭，会产生水锤现象。本文以非能动先进核电厂主给水系统的设计为例，通过PIPENET 软件的瞬态计算功能对主给水管道的水锤现象进行模拟计算，分析主给水隔离阀不同的关闭形式、不同的关闭时间及主给水泵不同的关闭时间对管道内水锤压力和载荷的影响。

1 计算模型

1.1 管网模型

对非能动先进核电厂的主给水系统建立PIPENET 管网模型（图1），选取从主给水泵到蒸汽发生器的主给水管道作为研究对象，主要设备有主给水泵、主给水调节阀、主给水隔离阀、主给水止回阀及蒸汽发生器，由于主给水隔离阀存在快关要求、主给水泵存在失效可能，本文主要分析主给水隔离阀的快关和主给水泵的关闭对管道水锤的影响。

图1 主给水管道PIPENET 管网模型Fig.1 PIPENET network model of main feedwater line

1.2 管道尺寸

针对主给水泵到蒸汽发生器的主给水管道，PIPENET在计算时分为12段管线，每段管线的布置如图1所示，每段管线的长度列于表1，这些管道的外径均为508mm，内径为456mm。

1.3 初始条件

在进行瞬态计算前，需做如下假设：1）主给水隔离阀处于全开；2）主给水系统运行在正常工况，即主给水流量为955kg／s、温度为500K；3）蒸汽发生器侧压力维持在5.9 MPa（绝压）；4）主给水泵的特性曲线如图2所示；5）主给水调节阀、主给水隔离阀、主给水止回阀的阻力特性为稳态计算结果。

表1 主给水管道长度Table 1 Length of main feedwater line

图2 主给水泵的特性曲线Fig.2 Characteristic curve of main feedwater pump

2 水锤计算分析

2.1 稳态计算

利用上述的计算模型和假设条件，可得到主给水系统在稳定运行时的相关结果（表2）。根据稳态计算结果得到的泵前入口压力及主给水调节阀、主给水隔离阀和主给水止回阀的阻力系数（K 系数），均作为瞬态计算时的输入条件之一。

表2 稳态计算结果Table 2 Result of steady calculation

2.2 主给水隔离阀关闭形式

1）主给水隔离阀的行程-时间曲线

主给水隔离阀的执行机构有电动型、气压／液压型等不同的类型，不同的执行机构则对应不同的关闭形式，一般常见的阀门行程随时间的变化曲线有3种，即匀速关闭、先快后慢、先慢后快（图3）。由于在PIPENET 软件中，对阀门关闭形式的设置是根据阀门关闭时截面积随时间的变化，因此将阀门的行程随时间的变化曲线转换为阀门的关闭截面积随时间的变化曲线（图4）。

图3 主给水隔离阀行程-时间曲线Fig.3 Stroke-time curve of main feedwater isolation valve

图4 主给水隔离阀关闭截面积-时间曲线Fig.4 Closing area-time curve of main feedwater isolation valve

2）计算结果及分析

通过PIPENET 软件对上述3种主给水隔离阀关闭截面积随时间的变化曲线进行计算，可得到不同关闭形式下，主给水管道出现的最大水锤压力和载荷（表3），最大水锤载荷随时间的变化曲线示于图5。

表3 主给水管道最大水锤压力和载荷Table 3 Maximum water hammer pressure and force in main feedwater line

图5 最大载荷随时间的变化Fig.5 Maximum force vs time

以上结果表明，主给水隔离阀在关闭时选择先快后慢的方式，对管道造成的水锤影响最小。对于主给水隔离阀不同的关闭形式造成的水锤载荷差距较大（先慢后快的关闭形式产生的水锤载荷是先快后慢的关闭形式产生水锤载荷的6.5倍），因此在对主给水隔离阀进行设备选型时，需考虑阀门关闭形式对主给水系统的水锤影响。

2.3 主给水隔离阀关闭时间

主给水的隔离功能主要通过主给水隔离阀实现，为防止在严重工况下流体从隔离阀的任何一侧破口流出，主给水隔离阀要求在一定的时间内关闭，如5s内快关。但阀门较快关闭会对管道产生较大的瞬时压力，因此需分析主给水隔离阀在快关时对管道水锤的影响，以便更好地选择关闭时间。本文对主给水隔离阀在1～7s之间快关时的水锤压力和载荷进行分析，得到水锤与阀门关闭时间的关系曲线示于图6。可看出，主给水隔离阀关闭时间越缓慢，产生的管道水锤压力和载荷越小；主给水隔离阀的关闭时间仅相差6s，水锤载荷却相差近7倍，水锤压力也从6.7 MPa增大至11.5 MPa，可见阀门的快关时间对管道水锤有较大的影响；在主给水隔离阀关闭时间为1s时，水锤载荷达260kN、水锤压力达11.5 MPa，对管道的应力和设计压力的影响均不能忽略。

图6 水锤与主给水隔离阀关闭时间的关系Fig.6 Relationship between water hammer and closing time of main feedwater isolation valve

2.4 主给水泵关闭时间

主给水系统主要依靠主给水泵供水，主给水泵的跳闸、失效或关闭不仅会引起主给水流量丧失，也会对主给水管道造成水锤冲击。主给水泵的关闭时间可能从几秒到几十秒。本文对主给水泵关闭时间在5～20s之间进行了水锤计算，水锤压力和载荷变化趋势示于图7。可看出，主给水泵的关闭时间越长，产生的管道水锤压力和载荷越小；主给水泵的关闭时间相差15s时，水锤压力仅有0.3 MPa的差距，水锤载荷仅相差2.5倍，与主给水隔离阀不同快关时间引起的水锤相比，差距较小；即使主给水泵在5s 内关闭，产生的水锤载荷也只有17kN，远小于主给水隔离阀快关引起的水锤载荷。

图7 水锤与主给水泵关闭时间的关系Fig.7 Relationship between water hammer and closing time of main feedwater pump

3 结论

针对主给水系统经常出现的水锤现象，本文通过PIPENET 软件对非能动先进核电厂的主给水系统进行水锤模拟计算，建立从主给水泵到蒸汽发生器之间长约53m、直径0.5m 的主给水管道管网模型，分析主给水隔离阀不同关闭形式、不同关闭时间和主给水泵不同关闭时间下，管道内水锤压力和水锤载荷的变化。计算结果表明，主给水隔离阀的关闭时间越缓慢、主给水泵关闭时间越长，主给水管道内的水锤压力和载荷越小；且主给水隔离阀的关闭时间仅相差6s，水锤载荷却相差近7倍，水锤压力增大4.8 MPa；主给水泵的关闭时间相差15s，水锤载荷仅相差2.5倍，水锤压力仅增大0.3 MPa；主给水泵关闭引起的水锤压力和载荷远小于主给水隔离阀快关引起的水锤压力和载荷；主给水隔离阀不同的关闭形式造成的水锤载荷差距可达到6.5倍，选择行程-时间曲线为先快后慢的类型，产生的水锤压力和载荷最小。对于主给水泵的关闭和主给水隔离阀的快关产生的水锤载荷，在主给水管系载荷计算中需考虑。

［1］ 广东核电培训中心.900 MW 压水堆核电站系统与设备［M］.北京：原子能出版社，2007：346-353.

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