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(mén)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，避免輻射泄漏。對(duì)于大流量系統(tǒng)，隔離閥快速關(guān)閉會(huì)產(chǎn)生水錘，對(duì)閥門(mén)和管道產(chǎn)生動(dòng)力作用，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)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(mén)因某種原因動(dòng)作時(shí)，使得流體發(fā)生瞬態(tài)變化，閥門(mén)上下游壓力隨之改變。若閥門(mén)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(mén)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 /s

3、水錘載荷計(jì)算

　　當(dāng)閥門(mén)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(mén)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(wèn)題。

3.1、理論解對(duì)比

　　為驗(yàn)證RELAP5 計(jì)算的合理性，使用RELAP5分析簡(jiǎn)單的水錘模型，其結(jié)果與理論值對(duì)照。以閥門(mén)快關(guān)模型( 圖1) 為例，計(jì)算水錘載荷。管道型號(hào)為��355. 6 × 20mm，三段管道的長(zhǎng)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(mén)快關(guān)模型

　　上游閥門(mén)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) 。對(duì)比理論計(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2 HYTRAN 水錘載荷

圖3 RELAP5 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(jiǎn)化為恒定壓力源(5.5MPa) 。

表1 水錘計(jì)算結(jié)果對(duì)比

　　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(duì)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)。再進(jìn)行瞬態(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。對(duì)比各管段的水錘載荷，最長(zhǎng)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(guò)載荷峰值仍有12e3N，波動(dòng)峰值約8e3N，閥門(mén)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(zhǎng)閥門(mén)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(mén)關(guān)閉時(shí)間不能延長(zhǎng)，增加緩沖裝置會(huì)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(mén)關(guān)閉曲線。閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程的不同階段，對(duì)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(guò)快會(huì)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(mén)關(guān)閉速度，降低完全關(guān)閉前的閥門(mén)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(guò)程產(chǎn)生的峰值稍有降低。

5、結(jié)語(yǔ)

　　建立了使用RELAP5 分析水錘的方法，論證了方法的合理性，結(jié)合工程實(shí)際計(jì)算了核電站主給水隔離閥快速關(guān)閉引起的水錘載荷，調(diào)整閥門(mén)關(guān)閉曲線，降低了水錘載荷。