核电站主给水隔离阀关闭引起水锤的分析

核电站主给水隔离阀关闭引起水锤的分析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，防止辐射泄漏。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:///)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

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/s3、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、理论解比照

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)。比照理论计算、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2HYTRAN水锤载荷

图3RELAP5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水锤计算结果比照

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。再开展瞬态分析，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。比照各管段的水锤载荷，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。

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。