核電站主給水隔離閥關(guān)閉引起水錘的分析

核電站主給水隔離閥關(guān)閉引起水錘的分析分析了核電站主給水隔離閥關(guān)閉引起的水錘，計(jì)算了閥門閥瓣受到的水錘動(dòng)力載荷，討論了降低水錘載荷的方法。1、概述

在核電站發(fā)生事故的情況下，設(shè)計(jì)要求隔離閥必須在5s內(nèi)關(guān)閉，將核島與外界隔離，防止輻射泄漏。對于大流量系統(tǒng)，隔離閥快速關(guān)閉會產(chǎn)生水錘，對閥門和管道產(chǎn)生動(dòng)力作用，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認(rèn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮水錘產(chǎn)生的影響。2、水錘原理

當(dāng)管路中的閥門因某種原因動(dòng)作時(shí)，使得流體發(fā)生瞬態(tài)變化，閥門上下游壓力隨之改變。若閥門動(dòng)作速度很快則產(chǎn)生壓力突變，壓力突變以聲波的形式沿管道傳播，形成水錘。管道內(nèi)聲速a、水錘周期T和流體的壓力突變幅值Λp為

式中a———管道內(nèi)聲速，m/s;T———水錘周期，s;Λp———閥門快速關(guān)閉產(chǎn)生的直接水錘壓力，MPa;K———體積彈性模量，MPa;ρ———流體密度，kg/m3;D———流體直徑，mm;e———管道壁厚，mm;Δv———流體速度變化，m/s3、水錘載荷計(jì)算

當(dāng)閥門完全關(guān)閉時(shí)間小于水錘半周期時(shí)，水錘為直接水錘，載荷較大。當(dāng)閥門完全關(guān)閉時(shí)間大于水錘半周期時(shí)，水錘為間接水錘，載荷較小。

根據(jù)水錘的現(xiàn)象和理論公式，水錘載荷計(jì)算有圖解法、特征線解法和有限差分法。水錘專用計(jì)算軟件大部分使用特征線解法，本文使用通用熱工流體分析軟件RELAP5計(jì)算，RELAP5用于水錘分析可以得到接近二階的計(jì)算精度，并且RELAP5能夠分析水和蒸汽兩相流體，處理空泡、閃蒸、氣泡和冷凝潰滅等問題。3.1、理論解比照

為驗(yàn)證RELAP5計(jì)算的合理性，使用RELAP5分析簡單的水錘模型，其結(jié)果與理論值對照。以閥門快關(guān)模型(圖1)為例，計(jì)算水錘載荷。管道型號為355.6×20mm，三段管道的長度分別為4.878m、9.3m和3.878m，上游流體的壓力為5.651MPa，溫度為493.15K，流速為3.58m/s。

圖1閥門快關(guān)模型

上游閥門快速關(guān)閉，根據(jù)式(3)得到下游管道產(chǎn)生的水錘壓強(qiáng)為3.83MPa。使用HYTRAN程序計(jì)算水錘(圖2)。使用RELAP5程序建立流體模型，得到計(jì)算結(jié)果(圖3)。比照理論計(jì)算、HYTRAN軟件計(jì)算和RELAP5計(jì)算的結(jié)果(表1)，RELAP5的計(jì)算結(jié)果與理論解吻合，與HYTRAN的計(jì)算結(jié)果一致，RELAP5用于分析水錘比較準(zhǔn)確。

圖2HYTRAN水錘載荷

圖3RELAP5水錘載荷3.2、工程實(shí)例分析

以某核電站用主給水系統(tǒng)隔離閥快關(guān)工況為例，計(jì)算水錘載荷。根據(jù)管系ISO圖建立RELAP5分析模型。泵上游入口為恒壓源(6.0MPa)，輸入泵的流量-揚(yáng)程特性，流體出口為蒸汽發(fā)生器，簡化為恒定壓力源(5.5MPa)。

表1水錘計(jì)算結(jié)果比照

從穩(wěn)態(tài)分析得到主給水管穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，核對流動(dòng)參數(shù)與設(shè)計(jì)值的誤差，誤差在工程允許范圍內(nèi)。再開展瞬態(tài)分析，設(shè)置隔離閥的關(guān)閉曲線(圖4)，得到瞬態(tài)壓力分布，處理流體狀態(tài)參數(shù)后得到水錘載荷。比照各管段的水錘載荷，最長管段的水錘載荷最大(圖5)。由于水錘周期很短，隔離閥關(guān)閉產(chǎn)生間接載荷，與直接水錘相比，間接水錘載荷較小，不過載荷峰值仍有12e3N，波動(dòng)峰值約8e3N，閥門兩邊壓差最大3MPa。

1.修改前2.修改后

圖4隔離閥關(guān)閉曲線

1.修改前2.修改后

圖5主給水隔離閥快關(guān)時(shí)主給水管線上的最大載荷4、降低水錘載荷方法

降低水錘載荷的方法有延長閥門關(guān)閉時(shí)間和增加緩沖裝置等方法。受系統(tǒng)要求限制，閥門關(guān)閉時(shí)間不能延長，增加緩沖裝置會增大系統(tǒng)整體的失效概率。為降低水錘載荷，需考慮調(diào)整閥門關(guān)閉曲線。閥門關(guān)閉過程的不同階段，對水錘載荷大小的影響不同，起始階段道截面積變化率小，載荷較小。完全關(guān)閉之前面積變化率大，關(guān)閉速度過快會產(chǎn)生較大載荷。因此若要降低水錘載荷應(yīng)提高起始階段的閥門關(guān)閉速度，降低完全關(guān)閉前的閥門關(guān)閉速度。調(diào)整后流體產(chǎn)生的水錘載荷發(fā)生變化，關(guān)閉后的壓力振蕩減小，關(guān)閉過程產(chǎn)生的峰值稍有降低。