泵在气液两相工况下性能分析

于健 魏凌霄 黄司马 宋宇 王林涛

【摘 要】在电站发生破口事故中，循环管路水处于气液两相状态。文章针对泵在输送气液两相水的性能随着温度的变化对含气量和流量变化的影响进行研究。经研究发现，泵在输送低温低速流体时能更好地维持其性能变化。

【关键词】泵;气液两相;电站;性能

【中图分类号】TH38 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）05-0064-02

0 引言

电站的安全问题是一个不容忽视的问题，尤其在事故工况下，电站的运行状况成为电站安全方面研究的重点。

当管路发生泄漏故障但泵依然正常运转时，管路内流体内的气体比例会随时间的延长逐渐增多，泵的性能会随着气体比例增大而逐渐下降，从上一个层级来看，管路内的流体会因为管路泄漏而逐渐减少，冷却水量逐步降低，但不是骤然下降，此时泵的性能下降趋势直接关系到管路内冷却水量下降的速度，因此在管路内气体增多的工况下，研究泵的性能尤为重要，分析泵在气液两相下的性能，进而得出性能曲线，据此进行系统故障下的应急时间余量计算及备用方案启动时间计算。

由于泵内充满气体的试验在实验室里通过观测和测量比较困难，而且在三维流动环境下很难估算泵内的实际情况，分析难度很大，在国外的文献中，Kastner和Seeberger[1]，Narabayashi[2]，Chen等人[3]进行了关于泵在输送气液两相流方面的实验性研究，但均是针对通过比例缩放的模型进行分析，并且所用的工质是普通的水和普通的空气，无法准确模拟高温及汽化水情况下水泵的性能发挥情况。

本文的水泵工况是在泵内温度、气体含量、流量发生变化时，分析在该工况下泵的性能，据此判断整个系统冷却水量的变化情况。

1 数学模型建立

1.1 气液两相双流体模型基本方程

1.2 基本假设

（1）循环泵在循環管路中已经出现两相流状态下运行，液体为不可压缩液体，气体为不可压缩水蒸气。

（2）假设气泡直径较小，可以忽略气泡对流场的影响，气泡间不发生破碎。

（3）气液两相相间无热量交换发生，系统内无化学反应。

（4）进口处气体在液相中分布均匀，进口气液两相具有相同的运动速度。

2 循环泵模型及边界条件给定

分别对温度T=280 ℃、300 ℃、320 ℃，进口含气率vf=4%、6%、8%、10%、15%、20%时，水泵通过数值仿真计算得到的性能计算结果。进口给定速度进口，出口为压力出口，根据不同温度分别给定为11.1 MPa、8.58 MPa、6.4 MPa。气液两相介质的密度和动力黏度别为在不同出口压力下接近沸点的密度和动力黏度。同时，沸点的温度认为是气液两相流的研究温度，具体参数见表1。

3 计算结果及分析

3.1 水温度对循环泵扬程的影响

电站在发生失水事故后，由于水无法完全带走堆芯所产生的热量，水温度不断上升，所以本文取不同温度下饱和工况点做分析，针对每个工况点，分别取循环泵进口含气率为4%、6%、8%、10%、15%、20%时的扬程进行分析。如图1所示，随着含气量的增大，循环泵扬程随含气量增加而下降。气相在循环泵内滞留得越多，主流道的通流面积越小，加速了主流道液相的流动速度，从而降低了循环泵泵水的能力。

3.2 进口流量对循环泵输送气液两相流的影响

图2为循环泵在温度为320 ℃，进口流量分别为额定流量的0.8、1.0、1.2倍时的扬程随含气量变化的曲线图。由图2可以看出，在3种不同流量下的循环泵扬程，都随着含气量的增加而下降。当电站发生失水事故之后，电站循环管路中水外泄，水动力不足，循环泵入口流量减小，但也增大了循环泵的扬程，在气液两相工况下，循环泵性能会随着含气量的逐步降低而降低。

4 结语

通过对在气液两相流工况下循环泵性能的研究，很好地预测了循环泵在事故工况下的性能变化。在气液两相工况下，循环泵在输送低温低速流体时能更好地维持其性能。3种不同流量下的循环泵扬程曲线比较相似，但都是随着含气量的增多而下降。

参 考 文 献

[1]Kastner W，Seeberger J.Pump behaviour and ite i-mpact on a loss-of-coolant accident in a pressuriz-ed water reactor[J].Nucl Technol，1983（60）：268-277.

[2]Chan A M C，Barreca S L，Hartlen RT.An Exper-imental Study of Centifugal Pump Performance Under Steam-Water Two-Phase Flow Conditions at Elevated Pressures，Cavitation Multiphase Flow Forum[J].ASME FED，1991（109）：111-117.

[3]Chen T H，Quapp W J.Centrifugal Pump Perform-ance Under Simulated Two-Phase Flow Conditions，Polyphase Flow and Transport Technology[J].AS-ME，1980：175-184.

[4]Li Liang，Wang Xiao-fang.Numerical Investigation on the Interaction between the Volute and Diffuser with Different Outlet Angles in Nuclear Main Pump[Z].sia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，APPEEC，2010.

[5]Liu X，Liu J，Wang D.Yang，Test Study on safet-y features of station blackout accident for nuclear main pump[J].Atomic Energy Science and Techno-logy，43（5）：448-451.

[6]于健.小破口事故工况下核主泵性能研究[D].大连：大连理工大学，2012.