秦山二期RRI系统局部超压问题的研究与解决1)

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

1 问题研究的总体技术路线

由于RRI系统庞大、冷却的热负荷众多，厂房中的管线布置复杂，为重点研究机组运行过程中出现较严重超压问题的管线，对这些负荷用户做详细的分析计算，通过阻力等效的原则将一些对计算分析影响较小的管线适当简化。制定了该项目的总体技术路线如图1所示。

图1 项目总体技术路线

2 RRI系统仿真计算分析

本文采用目前行业内常用的系统仿真软件Flowmaster进行RRI系统管道超压问题的分析，Flowmaster是当今全球最为著名的热流体系统仿真分析平台，已在核电相关系统的仿真中得到了广泛应用与成功验证，帮助解决了很多复杂的系统问题。在核电行业流体系统的设计中，流量、压力、温度、流速等参数是影响整个系统安全性与可靠性的关键参数。Flowmaster可以从概念设计到维护阶段的全生命周期中对这些参数进行预测，并且对运行过程进行监控。通过对关键运行参数的预测与监控，工程师能正确的做出分析和判断，进而优化改进系统，从而最大程度的避免水锤与气穴等不利现象，提高系统的安全性与稳定性。

2.1 Flowmaster数值计算方法

在求解管道中的水锤问题时，通常将流动看作一维非恒定流动。 一维非恒定流动的连续性方程和运动方程形式为：

(1)运动方程

(1)

(2)连续性方程

(2)

式中，H为压力水头，m；v为流速，m/s；f为摩擦阻力系数；D为管道直径，m；α为管道倾角，°；a为水锤波传播速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；x为管长，m；t为时间，s。

利用数值模拟计算求解水锤问题，目前主要有特征线法和有限差分法两种，其中特征线法是国内外长期研究并相对成熟。本文应用特征线法进行求解，其原理是：将偏微分方程组转化为特殊的全微分方程(特征方程)，然后再通过有限差分进行离散得到有限差分方程。正向波特征线C+和逆向波特征线C-的有限差分方程的形式为：

沿

C+：HPi=CP-BQPi

(3)

沿

C-：HPi=CM-BQPi

(4)

CP=Hi-1+BQi-1-RQi-1|Qi-1|

(5)

CM=Hi+1-BQi+1+RQi+1|Qi+1|

(6)

图2 特征线时间—空间网格图

2.2 计算模型及基本参数

图3为分析RRI系统局部超压问题的简化计算模型，通过阻力等效的方法，将RRI系统中的所有支路简化成了图3中的上中下三条支路，RRI泵运行的额定流量为2 500 m3/h，其中中间支路为EAS热交换器所在回路，中间支路为EAS安全壳喷淋热交换器设计流量1 920 m3/h，阀门2为RRI系统中的阀门RRI035VN(A列)或RRI036VN(B列)，模型中阀门2前端的管道长度取值为20 m，后端管道长度10 m，管道直径0.597 m。具体设置参数见表1。

图3 分析RRI系统局部超压问题的Flowmaster模型

计算设置参照对RRI系统倒列操作主控关闭气动隔离阀的过程：初始时刻EAS热交换器冷却水管线气动隔离阀全开，系统压力为0.75 MPa，气动隔离阀在1～5 s内快速关闭，计算时间共20 s。

表1 计算模型参数

2.3 模型计算结果分析

模型计算EAS热交换器冷却水管线隔离阀不同关闭时间下的压力波动情况，图4～图6分别给出了控制阀关闭时间为1 s、3 s、5 s时的EAS壳侧气动隔离阀前的压力变化曲线，图7～图9分别给出了控制阀关闭时间为1 s、3 s、5 s时支路1的压力变化曲线。

图4 阀门关闭时间1 s时EAS气动隔离阀前压力变化曲线(1 s)

图5 阀门关闭时间3 s时EAS气动隔离阀前压力变化曲线(3 s)

图6 阀门关闭时间5s时EAS气动隔离阀前压力变化曲线(5 s)

图7 阀门关闭时间1s时支路1的压力变化曲线(1 s)

图8 阀门关闭时间3s时支路1的压力变化曲线(3 s)

图9 阀门关闭时间5s时支路1的压力变化曲线(5 s)

根据模型的计算结果可以看出，阀门关闭的过程中，阀前压力会逐渐上升，在阀门完全关闭的瞬间其前端压力会达到峰值，然后压力开始波动并逐渐减小，该计算结果与项目前期试验测量的数据趋势基本一致；同时其他的管线的压力也会波动，但是波动的幅度小于中间的支路。

根据模型的计算结果分析，主控在关闭隔离阀过程中系统发生了水锤效应导致压力峰值超过了管道的设计压力，即在某些工况下系统内的流体流速发生急剧变化，引起了管道压力的瞬变过程。水锤效应是指当打开的阀门突然关闭或给水泵停止，水流对阀门及管壁会产生一个压力，由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，水力迅速达到最大，并产生破坏作用，即水力学中的“水锤效应”，管道内水锤具有很大的破坏性。

3 解决方案的分析以及在Flowmaster模型中的试验

3.1 适当调整延长气动隔离阀的关闭时间

比较图4～图6，阀门不同关闭时间下的压力变化趋势，随着阀门关闭时间的延长，管道的压力峰值有明显下降，从阀门关闭时间1 s时的压力峰值1.3 MPa降到阀门关闭时间5 s时0.85 MPa。同时压力波动的频率减缓，水锤效应减弱。并且随着阀门关闭时间的延长，其余支路管道的压力波动峰值也有明显下降，如图7～图9。

因此，延长阀门的关闭时间是降低水锤引起管道压力峰值的措施之一。

3.2 在支路2加装稳压装置

在支路2采取注水或者注空气稳压，从而控制住系统中的水锤压力震荡，比如增设注空气阀及空气灌等。系统中安装缓冲罐的Flowmaster计算模型，如图10所示。安装缓冲罐后计算得到的隔离阀前(节点1处)压力随着时间的变化趋势，如图11所示。

可以看出：安装缓冲罐后管道的压力峰值降低到了0.83 MPa，能够有效的减缓中间支路的压力波动，大幅降低系统的压力波动峰值。

4 解决方案的分析、选择及现场实施效果

对于3.1节方案，适当调整延长气动隔离阀的关闭时间。该方案无需在系统中增加任何设备，无需对系统管道布置做出任何调整，仅需要试验调节延长气动阀RRI035VN(RRI A列)、RRI036VN(RRI B列)的关闭时间。

对于3.2节方案，在支路2采取注水或者注空气稳压，从而控制减缓系统中的水锤压力震荡，比如增设注空气阀及空气灌等。但具体的稳压、减缓效果与所安装缓冲罐的容积、结构形式等参数有关，该方案设计复杂。RRI系统为专设安全设施相关系统，属核级系统，在EAS热交换器壳侧冷却水管线上增设稳压装置，需经过详细的抗震计算等论证工作，并且可能需对所增设的稳压灌进行定期补水、补气使得RRI系统的运行变得复杂，现场设备的布置更为复杂。

综上分析，鉴于核电站运行技术规格书未对RRI035VN36VN的开、关时间有明确规定尽量采取3.1节的结构形式。

图10 安装缓冲罐的Flowmaster计算模型

图11 节点1处压力变化趋势

5 解决方案的现场实施及实施后效果评价

为使对机组正常运行的影响降到最低，解决方案实施前进行了缜密的分析，包括编制详细的方案实施操作步骤，方案实施过程中的风险分析及预防措施以及选择合适的实施窗口。

对1RRI035VN的调整试验：按照方案实施操作步骤，对阀门实施调整后，测得的管道压力峰值为1.102 MPa：

对1RRI036VN的调整试验：按照方案实施操作步骤，对阀门实施调整后，测得的管道压力峰值为1.103 MPa：

对2RRI035VN的调整试验：按照方案实施操作步骤，对阀门实施调整后，测得的管道压力峰值为1.069 MPa：

对2RRI036VN的调整试验：按照方案实施操作步骤，对阀门实施调整后，测得的管道压力峰值为1.064 MPa：

试验效果评价：根据既定的解决方案对上述气动隔离阀开、关时间实施重新调节后，试验结果满足预期，解决了机组运行遇到的实际难题。

6 结束语

对于商运核电站技术难题的解决，通过仿真模拟计算系统进行分析、试验，避免了对电站机组正常运行的干扰。通过Flowmaster软件对RRI系统进行简化水力建模，对管道超压问题进行计算、分析、试验，寻找出了解决主控关闭EAS热交换器冷却水侧隔离阀过程导致系统超压的最简便方案，并在机组上成功实施改造。值得在同类电站RRI系统管道的超压防护中推广。

同时，在方案实施过程中，也解决了系统难题，如执行PT2RPB032时备用泵异常启动；隐蔽的设备安装缺陷，如1RRI036VN阀门的进气速率调节阀4现场安装反向；隐蔽的设备缺陷，如1RRI035VN供气回路用于调节进气速率阀4的阀杆漏气，电磁阀与阀3的接口部位也存在漏气。提高了系统、设备运行的可靠性与稳定性，进一步提升机组运行的安全性。