核电站主给水隔离阀关闭引起水锤的分析

    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，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

        （1）

        （2）

        （3）

    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

    Δυ———流体速度变化，m/s

    管道一端轴向固定

    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。

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    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。

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。

图2 HYTRAN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

    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。

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1.修改前 2.修改后

图4 隔离阀关闭曲线

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，起始阶段流道截面积变化率小，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。