基于RELAP5的主泵试验台架建模及特性分析

费立凯，沈 峰，白 宁，高 彬，龚春鸣，雍兴平，佟延文

(1. 国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209；2. 沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

基于RELAP5的主泵试验台架建模及特性分析

费立凯1，沈 峰1，白 宁1，高 彬1，龚春鸣1，雍兴平2，佟延文2

(1. 国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209；2. 沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

本文依据大功率压水堆主泵及试验台架设计参数，通过RELAP5程序建立主泵试验台架模型。并依据主泵样机试验规范对热态试验、惰转试验、汽蚀试验工况进行模拟分析。通过与热态试验、惰转试验工况的理论值比较，验证RELAP5建模的准确性。对于惰转试验工况，记录惰转流量、扬程随时间的瞬态变化。对于汽蚀试验工况，随着体积流量的减小，发生汽蚀现象的入口压力减小；并且可以较准确预测发生汽蚀现象的压力点。通过对主泵试验工况的模拟分析，证明RELAP5模拟主泵试验具备一定的适用性，可为主泵试验提供指导。

主泵模型；RELAP5；汽蚀试验

大功率先进压水堆是我国第三代核电技术自主创新的标志[1]。目前，已完成大功率压水堆主泵(以下简称“主泵”)初步设计。从技术和进度角度来看，主泵试验台是制约主泵研发的关键因素[2，3]。为此，设计高标准的主泵试验台架，完成主泵的关键试验尤为重要。但有的关键试验是具有一定破坏性的，例如：汽蚀试验是验证主泵性能特性曲线的重要试验。但是由于汽蚀试验不仅在试验过程中产生振动和噪音，而且在固体表面上产生很高的局部冲击应力，导致材料表面破损，对主泵样机和试验台架都具有很大的破坏性。因此，更需要数值模拟的方法，确定主泵试验台架具备试验能力，为主泵试验提供理论支持，为关键试验提供保障。

目前，国内外针对主泵试验台架及关键试验开展的数值研究较少，本文主要是针对主泵试验台架，采用RELAP5mod3.4程序，对试验台架进行准确建模，并根据核主泵样机试验规范，模拟热态性能试验、惰转试验、汽蚀试验等主泵试验工况。不仅验证RELAP5程序模拟主泵试验是具有适用性的，也为主泵试验提供指导。

1 主泵模型等效

1.1 主泵全特性曲线

主泵是主泵试验台架中的最核心部件，也是模型等效的技术难点。主泵的全特性曲线(又称四象限特性曲线)表征泵的不同运行状态，泵的运行模式如表1所示。在RELAP5程序中，是通过扬程、转速、流量、转矩等参数的设计值进行无量纲化[4，5](实际值与额定值之比)。即得到转速比α、流量比v、扬程比h、转矩比β。作为RELAP5主泵模型输入参数，用于模拟泵的全特性曲线。其中以HAN和HVN曲线为例，HAN和HVN是泵正常运行时的扬程曲线。其中HAN曲线是以v/α为横坐标，h/α2为纵坐标(HAN曲线)；HVN曲线是以α/v为横坐标，h/v2为纵坐标，如图1所示。

表1 泵的运行模式Table 1 The operation mode of coolant pump

图1 主泵HAN、HVN曲线Fig.1 HAN and HVN curve of main pump

1.2 主泵的转动力矩模型

(1)

其中摩擦力矩如公式2所示。M0、M1、M2、M3为常数，wR为主泵额定转速。

(2)

由此建立完整的主泵仿真模型，可以进行主泵的测试试验，开展稳态和瞬态计算。

2 试验系统及模型等效

试验台架系统分为主回路和辅助回路。其中主回路由屏蔽电机主泵、主调节阀、文丘里流量计组成，辅助回路是由供压泵、压力释放阀、加热系统、冷却系统、过滤装置等组成，如图2所示。

图2 试验回路示意图Fig.2 The schematic diagram of test bench loop

在建模过程中，文丘里流量计等效为渐缩渐扩管，水力部件为104、106；主调节阀起到主回路阻力调节的作用，水力部件为224、225；辅助回路中的供压泵和压力释放阀起到回路稳定压力的作用，等效为稳压器，水力部件为301；加热系统和冷却系统起到回路温度调节作用，等效为热构件，分别为210，220，230。其余管道按照实际尺寸进行等效，局部损失系数参照流体力学中经验系数设置。由于核主泵试验的冷却剂为单相，如涉及两相流，采取在单相流基础上进行修正的方法[6，7]。综上所述，主泵试验主辅回路节点图，如图3所示。

3 计算结果与分析

3.1 热态试验计算结果与分析

热态性能试验工况是主泵稳态试验工况，其入口压力为15.5MPa，入口温度为284.3℃以下[8]。又由于额定流量和转速呈正比关系，如公式3所示:

(3)

式中：Q1表示额定流量，n1表示额定转速。额定扬程和转速的平方呈正比关系，如公式4所示:

(4)

图3 试验回路节点划分Fig.3 Nodalization diagram of test bench loop

表2 不同频率下额定流量和额定扬程的理论值Table 2 Theoretical values of rated flow and rated head at different frequencies

在热态试验过程中，当达到额定流量时，RELAP5模拟得到的主泵扬程值和理论值是相同的，如图4所示。模拟值与理论值基本吻合，验证RELAP5建模的准确性，并证明RELAP5程序模拟核主泵试验是具有一定的适用性。

图4 不同频率下的额定扬程Fig.4 Rated head at different frequencies

3.2 惰转试验计算结果与分析

主泵断电是主泵最严重的事故之一，断电后，发生惰转现象。惰转流量试验就是验证在主泵失去电源后，主泵飞轮、叶轮以及泵轴等组成的转子组件的转动惯量产生的非能动惰转能量。本文首先采用理论模型计算方法验证RELAP5建模准确性，通过RELAP5程序模拟主泵惰转试验过程。

3.2.1 理论模型计算

根据公式1，忽略摩擦力矩Mf，主泵断电后，主泵失去电磁力矩，则有：

(5)

假设试验回路流动惯性对惰转性能没有影响，则有：

P=Mw

(6)

(7)

式中：η为主泵效率，P为功率。通过式(7)可以得到瞬时流量与额定流量的比值随时间的变化关系，瞬时流量降至额定流量一半的时间为7.9s，如图5所示。从图5中可以得到，理论模型结果与RELAP5程序计算结果基本吻合。验证RELAP5建模的准确性。

图5 惰转流量理论值与计算值比较Fig.5 Comparing of theoretical value with calculated value on coastdown flow

3.2.2 惰转试验工况计算结果

根据主泵样机试验规范[8]，使用上述建模方法，模拟主泵惰转试验。其主泵惰转试验的工况要求：稳态调试100s，满足表3的稳态工况条件。当100s时，给予主泵触发停泵信号，其回路流量随时间的变化，如图6所示；扬程随时间的变化，如图7所示。

表3 试验稳态工况参数Table 3 Test conditions

图6 体积流量随时间的瞬态变化Fig.6 Variation of volume flow at different moment of inertia

图7 扬程随时间的瞬态变化Fig.7 Variation of head at different moment of inertia

3.3 汽蚀试验计算结果与分析

主泵汽蚀试验(NPSHR)是验证主泵性能特性曲线的重要试验。但由于汽蚀试验对主泵样机和试验台架都具有很大的破坏性。因此，可以通过RELAP5程序模拟汽蚀试验，预测发生汽蚀现象的压力点，进而保护主泵和试验台架。

汽蚀试验的回路入口压力为2.7MPa，回路入口温度为93℃，参照主泵样机试验规范要求[8]，模拟五个不同的体积流量工况，如表4所示。模拟方法：通过降低入口压力直至发生汽蚀现象，本文从入口压力2.7MPa依次降低到2.5MPa、2.0MPa、1.5MPa、1.0MPa、0.5MPa、0.4MPa、0.35MPa、0.31MPa、0.3MPa、0.29MPa、0.28MPa、0.27MPa、0.25MPa，直至发生汽蚀现象。根据试验规范中汽蚀现象试验判断准则进行判定，其准则如下：(1)扬程损失超过3%；(2)入口温度变化超过10℃；(3)体积流量发生明显改变。其中，扬程损失超过3%是最重要的判定准则。

表4 汽蚀试验工况Table 4 Cavitation test conditions

图8至图10分别是五个工况的扬程、温度、体积流量变化。从图中可以看出，对于工况1(压力为2.7MPa，体积流量为17140 m3/h，温度为370K)，当入口压力为0.3MPa时，体积流量为16542 m3/h，温度是387K，扬程为43.88m；其与稳定值比较，扬程降低23.4%，超过扬程损失3%，温度变化超过15.4K，体积流量降低3.5%，证明工况1发生汽蚀现象。同理，工况2、工况3、工况4、工况5发生汽蚀现象的入口压力分别为0.3MPa、0.29MPa、0.28MPa、0.27MPa，如表5所示，表明发生汽蚀现象时，体积流量、扬程与稳态工况相比，降低百分比，用负号表示降低；温度与稳态工况相比，升高差值。

图8 不同初始压力的扬程变化Fig.8 Head of different initial pressure

图9 不同初始压力的温度变化Fig.9 Temperature of different initial pressure

图10 不同初始压力的体积流量变化Fig.10 Volume flow of different initial pressure

表5 不同工况发生汽蚀现象的性能参数Table 5 The performance parameters of cavitation in different conditions

从表5可以得到，主泵在36Hz下稳态运行，发生汽蚀现象的入口压力基本保持一致，随着体积流量的减小，发生汽蚀现象的入口压力减小。

4 结论

本文依据主泵设计参数，进行参数无量纲化，表征泵的全性能特性曲线，建立主泵模型。根据试验台架系统部件，建立试验台架模型。依据主泵样机规范，对主泵热态性能试验、惰转试验、汽蚀试验工况进行分析研究。结果表明：

(1) 通过与理论值的比较，证明RELAP5模拟主泵试验是具备一定的适用性，同时验证RELAP5程序建模合理。

(2) 汽蚀试验对于主泵和试验台架是具有破坏性的，可以使用RELAP5程序进行模拟计算。预测发生汽蚀现象的压力点，在保护主泵和试验台架安全的原则下，为汽蚀试验提供指导作用。

(3) RELAP5程序可以准确模拟主泵试验工况，验证主泵试验台架的试验能力，并为主泵试验提供技术支持和指导作用。

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ModelingandAnalysisofReactorCoolantPumpTestBenchBasedonRELAP5Code

FEILi-kai1，SHENFeng1，BAINing1，GAOBin1，GONGChun-ming1，YONGXing-ping2，TONGYan-wen2

(1.State Power Investment Central Research Institute，Beijing 102209，China；2. Shen Yang Blower Works Group Corporation，Shenyang，Liaoning 110869，China)

According to design parameters of high-power PWR coolant pump and test bench，test bench system was modeled by REALP5 code. And thermal test，coasting test，cavitation test were simulated and analyzed，based on the test specification of reactor coolant pump prototype. Modeling method was of accuracy by comparing theoretical value. coasting flow and head were recorded with the calculated values in the coasting test. In addition，the inlet pressure of occurring cavtitation was smaller in the cavitation test with smaller volume flow. And the pressure of occurring cavtitation was accurately predicted. According to the modeling and analysis，RELAP5 is basically feasible for test of reactor coolant pump，and the results provide theoretical guidance for test of reactor coolant pump.

Reactor coolant pump model；RELAP5；Cavitation test

2017-04-18

国家科技重大专项资助项目(2015ZX06002003)

费立凯(1988—)，男，北京人，工程师，从事反应堆安全分析及试验技术研究

TL353

A

0258-0918(2017)06-0936-07