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1、核电站主给水隔离阀关闭引起水锤的解析中国泵业网 1 概述在核电站发生事故的情况下，设计要求隔离阀必需在 5s 内封闭，将核岛与外界隔离，避免辐射泄漏。对于大流量系统，隔离阀快速封闭会产生水锤，对阀门和管道产生动力作用，系统设计中必需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 p 为式中 a管道内声速，m/sT水锤周期，sp阀门快速关闭产生的直接水锤压力，MPaK体积弹性模量，MPa流体密度，kg/m3D
2、流体直径，mme管道壁厚，mm流体速度变化，m/s全管轴向固定管道自由当管壁较厚时，可忽略不计。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 REL
3、AP5 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 355.620mm，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。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
4、，RELAP5 用于分析水锤比较准确。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
5、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。4 降低水锤载荷方法降低水锤载荷的方法有延长阀门封闭时间和增加缓冲装置等方法。受系统要求限制，阀门封闭时间不能延长，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，需考虑调整阀门封闭曲线。阀门封闭过程的不同阶段，对水锤载荷大小的影响不同，起始阶段流道截面积变化率小，载荷较小。完全封闭之前面积变化率大，封闭速渡过快会产生较大载荷。因此若要降低水锤载荷应进步起始阶段的阀门封闭速度，降低完全封闭前的阀门封闭速度。调整后流体产生的水锤载荷发生变化，封闭后的压力振荡减小，封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，论证了方法的公道性，结合工程实际计算了核电站主给水隔离阀快速封闭引起的水锤载荷，调整阀门封闭曲线，降低了水锤载荷。
