核电站主给水隔离阀关闭引起水锤的分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海核工程研究设计院 作者:蔡坤

  分析了核电站主给水隔离阀关闭引起的水锤,计算了阀门阀瓣受到的水锤动力载荷,讨论了降低水锤载荷的方法。

1、概述

  在核电站发生事故的情况下,设计要求隔离阀必须在5s 内关闭,将核岛与外界隔离,避免辐射泄漏。对于大流量系统,隔离阀快速关闭会产生水锤,对阀门和管道产生动力作用,因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为系统设计中必须考虑水锤产生的影响。

2、水锤原理

  当管路中的阀门因某种原因动作时,使得流体发生瞬态变化,阀门上下游压力随之改变。若阀门动作速度很快则产生压力突变,压力突变以声波的形式沿管道传播,形成水锤。管道内声速a、水锤周期T 和流体的压力突变幅值Λp 为

核电站主给水隔离阀关闭引起水锤的分析

  式中a———管道内声速,m /s;T———水锤周期,s;Λp———阀门快速关闭产生的直接水锤压力,MPa;K———体积弹性模量,MPa;ρ———流体密度,kg /m3;D———流体直径,mm;e———管道壁厚,mm;Δv———流体速度变化,m /s

核电站主给水隔离阀关闭引起水锤的分析

3、水锤载荷计算

  当阀门完全关闭时间小于水锤半周期时,水锤为直接水锤,载荷较大。当阀门完全关闭时间大于水锤半周期时,水锤为间接水锤,载荷较小。

  根据水锤的现象和理论公式,水锤载荷计算有图解法、特征线解法和有限差分法。水锤专用计算软件大部分使用特征线解法,本文使用通用热工流体分析软件RELAP5 计算,RELAP5 用于水锤分析可以得到接近二阶的计算精度,并且RELAP5能够分析水和蒸汽两相流体,处理空泡、闪蒸、气泡和冷凝溃灭等问题。

3.1、理论解对比

  为验证RELAP5 计算的合理性,使用RELAP5分析简单的水锤模型,其结果与理论值对照。以阀门快关模型( 图1) 为例,计算水锤载荷。管道型号为355. 6 × 20mm,三段管道的长度分别为4.878m、9.3m 和3.878m,上游流体的压力为5.651MPa,温度为493.15K,流速为3.58m /s。

阀门快关模型

图1 阀门快关模型

  上游阀门快速关闭,根据式(3) 得到下游管道产生的水锤压强为3.83MPa。使用HYTRAN 程序计算水锤(图2) 。使用RELAP5 程序建立流体模型,得到计算结果(图3) 。对比理论计算、HYTRAN软件计算和RELAP5 计算的结果(表1) ,RELAP5的计算结果与理论解吻合,与HYTRAN 的计算结果一致,RELAP5 用于分析水锤比较准确。

HYTRAN 水锤载荷

图2 HYTRAN 水锤载荷

RELAP5 水锤载荷

图3 RELAP5 水锤载荷

3.2、工程实例分析

  以某核电站用主给水系统隔离阀快关工况为例,计算水锤载荷。根据管系ISO 图建立RELAP5分析模型。泵上游入口为恒压源(6.0MPa) ,输入泵的流量- 扬程特性,流体出口为蒸汽发生器,简化为恒定压力源(5.5MPa) 。

表1 水锤计算结果对比

水锤计算结果对比

  从稳态分析得到主给水管稳定的流动状态,核对流动参数与设计值的误差,误差在工程允许范围内。再进行瞬态分析,设置隔离阀的关闭曲线(图4) ,得到瞬态压力分布,处理流体状态参数后得到水锤载荷。对比各管段的水锤载荷,最长管段的水锤载荷最大(图5) 。由于水锤周期很短,隔离阀关闭产生间接载荷,与直接水锤相比,间接水锤载荷较小,不过载荷峰值仍有12e3N,波动峰值约8e3N,阀门两边压差最大3MPa。

隔离阀关闭曲线

1.修改前  2.修改后

图4 隔离阀关闭曲线

主给水隔离阀快关时主给水管线上的最大载荷

1.修改前  2.修改后

图5 主给水隔离阀快关时主给水管线上的最大载荷

4、降低水锤载荷方法

  降低水锤载荷的方法有延长阀门关闭时间和增加缓冲装置等方法。受系统要求限制,阀门关闭时间不能延长,增加缓冲装置会增大系统整体的失效概率。为降低水锤载荷,需考虑调整阀门关闭曲线。阀门关闭过程的不同阶段,对水锤载荷大小的影响不同,起始阶段道截面积变化率小,载荷较小。完全关闭之前面积变化率大,关闭速度过快会产生较大载荷。因此若要降低水锤载荷应提高起始阶段的阀门关闭速度,降低完全关闭前的阀门关闭速度。调整后流体产生的水锤载荷发生变化,关闭后的压力振荡减小,关闭过程产生的峰值稍有降低。

5、结语

  建立了使用RELAP5 分析水锤的方法,论证了方法的合理性,结合工程实际计算了核电站主给水隔离阀快速关闭引起的水锤载荷,调整阀门关闭曲线,降低了水锤载荷。

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