变频驱动循环水系统恒定流计算分析的研究

郑海霞 阎晓伟 张必文 洪志华

上海阿波罗机械股份有限公司 上海 201499

引言

核电站三回路循环水系统利用海水为汽机厂房内凝汽器提供必需的冷却水，通过循环，最终将热量排入海水。循环水系统主要包括：循环水泵、凝汽器、管路、虹吸井、联合泵房等。其中循环水泵位于联合泵房内。一般一个机组配备两台循环水泵[1]，即一台核电机组的循环水系统由A列和B列两条回路组成，每条回路提供机组正常运行以及汽轮机旁路使用时凝汽器和辅助系统所需冷却水量的一半冷却能力。

以变频驱动循环水系统为研究对象，通过恒定流计算分析，以确认在外海平均低潮位、100年一遇高潮位、100年一遇低潮位、33年一遇低潮位循环水系统能够安全、可靠、稳定的运行。

1 设计参数

国内某核电站循环水系统采用一机两泵+变频驱动方案。由于海水冬夏季水温的不同，因此循环水系统在冬夏季工况对冷却水的需求量不同，夏季冷却水量需求高，冬季冷却水量相对低。

1.1 潮位（56黄海高程）

表1 潮位

1.2 循环水泵主要参数

循环水泵夏季运行工况以下简称设计工况一：

额定流量：28.875m3/s

额定扬程：15.1m

额定转速：169 r/min

电机转速：746 r/min

额定功率：5800kW

循环水泵冬季运行工况以下简称设计工况二：

最小流量：17.25m3/s

对应扬程：7.4m

最小转速：111r/min

电机转速：490r/min

对应功率： 1431.7kW

1.3 凝汽器主要参数

设计冷却水量：56.50m3/s

凝汽器水阻：5.50m

冷却管长度：18258mm

凝汽器出水管的管顶高程：6.10m

凝汽器内循环水系统最大允许运行压力为0.40MPa（相对压力）。

1.4 管路特性数据

1.4.1 循环水进水管沟GD1（循泵出口至汽轮机厂房）。管径：玻璃钢管内径为3600mm。

GD1设计最高内压0.4MPa，最低负压-0.1MPa。

1.4.2 凝汽器进出水管。管径：玻璃钢管内径为2200mm；钢管DN2200mm（规格为Φ2240×18mm）。

凝汽器进出水管钢管设计压力0.6MPa。

1.4.3 循环水排水管道GD2（汽轮机厂房至虹吸井）。管径：玻璃钢管内径为3600mm，且在设计分界前由圆形转换为矩形接口（4000mm×3500mm）；现浇钢筋混凝土沟道断面净尺寸为4000mm×3500mm。

GD2设计最高内压0.35MPa，最低负压-0.1MPa。

1.5 虹吸井

堰顶标高：-1.00m；

设计工况一（单泵）时堰前水位标高：0.583m（平均低潮位）和0.453m（33 年一遇低潮位）；

设计工况二（单泵）时堰前水位标高：0.047m（平均低潮位）和0.037m（33 年一遇低潮位）。

单堰宽：14775mm；

堰前水池底标高：-10.25m；虹吸井有效面积：14.775×36.23=534.4m2；虹吸井最高允许水位：7.85m。

1.6 联合泵房主要参数

表2 联合泵房主要参数

1.7 设计水头损失

糙率n除GD1取0.012外其他各部位均取0.018。输水系统各部件设计水头损失值汇总如下表3：

表3 输水系统各部件水头损失

注：①取水隧洞通过的流量是单台机组所需要的海水量，其中包括循环水泵供水（额定流量2×28.875m3/s=57.75m3/s）、重要厂水泵供水（3300m3/h）、海水制氯取水泵供水（680m3/h）以及泵房内鼓型滤网反冲洗用水（540m3/h），单台机组取水隧洞取水总计约59.01m3/s。凝汽器通过的流量为2×28.25m3/s。②取水隧洞对应的水头损失2.29m（表3数据），对应的流量是59.01m3/s。③CC井的损失包括CC进口、CC溢流堰及堰后水头损失，CC与排水隧洞的损失计在排水隧洞中。0.66m的水头损失对应的流量是单泵流量28.875m3/s。

单台机组CC井溢流堰前的流量是2×28.875m3/s=57.75m3/s，正常情况下堰后主要有重要厂用水系统的排水（3300m3/h= 0.92m3/s）。

2 恒定流计算

2.1 非淹没状态虹吸井堰上水头计算

在1 0 0年一遇低潮位（-3.6 3 m）和3 3年一遇低潮位（-3.49m），循环水泵在工况一和工况二运行，虹吸井堰流均为非淹没出流。

虹吸井溢流堰为实用型，上下游堰高P=P1=9.25m，堰宽b=14.775m（两管共用一个虹吸井），堰顶高程-1.0m。虹吸井设计流量为57.75m3/s，小流量为34.5m3/s。

可将非淹没状态的各工况流量Q代入下式以求得各工况虹吸井内堰上水头H，

式中：m-流量系数；

b-堰宽（m）；

H-堰上水头（m）；

g-重力加速度（m/s2）。

2.2 淹没状态虹吸井堰上水头计算

在100年一遇高潮位3.98m和平均低潮位-1.77m时，单泵流量无论是28.875m3/s还是17.25m3/s，由于堰后水位高于堰顶，均发生淹没堰流。流量公式为：

单泵流量为28.875m3/s时，从虹吸井到排水明渠末的水头损失为1.87m；

单泵流量为17.25m3/s时，该水头损失为0.97m。

在100年一遇高潮位3.98m时，对应两种流量的堰后水深hs分别为：3.98+1.87-（-1.0）＝6.85m和3.98+0.97-（-1.0）＝5.95m，堰顶高程-1.0m；在平均低潮位-1.77m时，对应两种流量的堰后水深hs分别为：-1.62m和-2.52m。

通过试算，在100年一遇高潮位3.98m，过堰流量Q＝57.75m3/s，堰后水位为5.85m时，对应的虹吸井堰上水位为5.928m，淹没系数σs＝0.0900，流量系数m＝0.5373；

在过堰流量Q＝34.5m3/s，堰后水位为4.95m时，对应的堰上水位为5.019m，淹没系数σs＝0.0674，流量系数m＝0.5287。

在平均低潮位-1.77m，过堰流量Q＝57.75m3/s，堰后水位为0.1m时，对应的虹吸井堰上水位为0.523m，淹没系数σs＝0.9220，流量系数m＝0.5057；

在过堰流量Q＝34.5m3/s，堰后水位为-0.8m时，对应的堰上水位为0.063m，淹没系数σs＝0.9971，流量系数m＝0.4806。

2.3 管段水头损失计算

将整条管线分成若干计算管段，先分别计算系统沿线各管段的沿程水头损失和局部水头损失。需计入局部水头损失的元件包括弯段、变径段、伸缩节、分岔管、汇合管、（蝶）阀、凝汽器、胶球清洗装置、进出口等。

某管段沿程水头损失计算公式[3]：

式中符号注释参考《实用流体阻力手册》[3]。

其中沿程水头损失系数λi，若管流处于阻力平方区，可按下式计算：

式中：

按干管流量28.875m3/s计，DN3600主输水管的雷诺数为：

取糙率，玻璃钢管：0.010，钢管：0.012，混凝土管：0.018。

i管段上各水力元件局部水头损失计算公式：

表4 管线水力参数及真空破坏阀、通气阀位置表

续表

按照上述节点进行对循环水系统恒定流计算管段示意见图1。

图1 循环水系统计算节点及管段示意图

式中符号注释见参考《清华大学水力学教研组编·水力学》。

当Δ＞ 0时，说明扬程大于沿管线的负荷，将流量增加一个微量

若Δ′还是大于指定的误差，则可重复上述过程，直到Δ′小于指定误差为止。

当Δ′＜ 0时，说明扬程小于管线负荷，流量应减去一个微量，重复上述运算，直到Δ′的绝对值小于指定的误差，迭代结束。

综上，可计算出设计工况一和设计工况二100年一遇低潮位、33年一遇低潮位、平均低潮位、100年一遇高潮位循环水系统水力坡降线图，见图2-图9。

图2 设计工况一100年一遇低潮位循环水系统水力坡降线

图9 设计工况二100年一遇高潮位循环水系统水力坡降线

从图2-9可知：

①设计工况一100年一遇低潮位（图2）、33年一遇低潮位（图4）、平均低潮位（图6）、设计工况二100年一遇高潮位（图9）在正常运行（恒定流状态）时，进口正压、出口负压运行。②设计工况一100年一遇高潮位（图8）在正常运行（恒定流状态）时，进口出口处于正压运行。③设计工况二100年一遇低潮位（图3）、33年一遇低潮位（图5）和平均低潮位（图7）在正常运行（恒定流状态）时凝汽器进口、出口都是处于负压运行，此工况为调压设施的控制工况。由此凝汽器的进口不能设置通气阀，如果需要设置，必须用真空破坏阀替代。

图3 设计工况二100年一遇低潮位循环水系统水力坡降线

图4 设计工况一33年一遇低潮位循环水系统水力坡降线

图5 设计工况二33年一遇低潮位循环水系统水力坡降线

图6 设计工况一平均潮位循环水系统水力坡降线

图7 设计工况二平均潮位循环水系统水力坡降线

图8 设计工况一100年一遇高潮位循环水系统水力坡降线

3 结束语

由于输水管线较长，凝汽器处在局部最高的驼峰位置，如果凝汽器出口不设真空破坏阀，在发生断电停泵时凝汽器及其前后将出现严重负压，凝汽器进出口的负压最为严重。这样严重的负压，必将会引起管路内发生水柱分离并引发“非常水锤”，所以必须加设真空破坏阀以缓解负压。

设计工况二100年一遇低潮位（图3）、33年一遇低潮位（图5）和平均低潮位（图7）在正常运行（恒定流状态）时凝汽器进出口都是负压运行，所以凝汽器进口需设真空破坏阀。

在每一单元凝汽器进出口各设置一个真空破坏阀，口径DN150，输水管线其他地方不需另设通气阀（或真空破坏阀）。