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，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，因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)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 /s
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。
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。
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。
