爆破閥熱態(tài)性能試驗?zāi)M分析

倪超，苑景田，黃若濤，武心壯，夏栓

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233）

爆破閥熱態(tài)性能試驗?zāi)M分析

倪超，苑景田，黃若濤，武心壯，夏栓

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233）

爆破閥作為非能動核電廠非能動堆芯冷卻系統(tǒng)（PXS）的關(guān)鍵設(shè)備，其流通能力關(guān)系到核電廠事故工況下的反應(yīng)堆安全。本文基于爆破閥試驗臺架，利用系統(tǒng)分析程序RELAP5建立分析模型，對熱態(tài)性能試驗進(jìn)行了計算和設(shè)計驗證，計算結(jié)果表明，通過對進(jìn)出口水罐壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，預(yù)期可以滿足設(shè)計目標(biāo)。

爆破閥；流通能力；試驗臺架；熱態(tài)性能試驗；RELAP5

爆破閥作為非能動核電廠PXS的關(guān)鍵設(shè)備，其主要特點(diǎn)是在正常運(yùn)行時，可以保證零泄漏；事故工況下可靠的開啟，且不會出現(xiàn)誤關(guān)閉；減少設(shè)備維修和相關(guān)人員的輻照劑量。非能動電廠爆破閥主要用于專設(shè)管線的隔離，在事故工況下開啟，執(zhí)行非能動安注功能。該功能完全依賴于重力作用，因此，安注管線的流阻對安注流量有著較大的影響。安注管路上主要包含管道、電動閥、止回閥以及爆破閥等部件，其中管道、電動閥、止回閥大量應(yīng)用于核電廠，其流通特性確定，而爆破閥則由于在核電廠首次應(yīng)用，流通特性有待進(jìn)一步研究。

1 爆破閥試驗臺架簡介

閥門的流阻是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，流阻越小說明流體流經(jīng)閥門的壓損越小，流通能力越強(qiáng)。

1.1 試驗臺架

為了研究爆破閥的流通能力，建立了可移動試驗臺架。試驗臺架包括三個子系統(tǒng)：壓力控制子系統(tǒng)、供水子系統(tǒng)以及閥門試驗回路子系統(tǒng)，主要設(shè)備包括：進(jìn)出口水罐及電加熱器、管道、閥門、電氣系統(tǒng)、儀表等。外接系統(tǒng)包括氣體供應(yīng)系統(tǒng)、除鹽水供水系統(tǒng)。試驗臺架的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 試驗臺架主要設(shè)計參數(shù)

試驗臺架主要功能是為了在要求的壓力、溫度和介質(zhì)等條件下進(jìn)行熱態(tài)性能試驗，測定爆破閥的流阻，本文流阻以當(dāng)量長度L/D表示。

1.2 測量方法

通過試驗測得試驗閥的壓損△P，根據(jù)壓降公式:

式中：△P為閥門前后的壓差，MPa；f為湍流摩擦系數(shù)；L/D為當(dāng)量長度；ρ為密度，kg/m3；v為流速，m/s；Q為測量流量，m3/s；D為管道內(nèi)徑，m。

將式（2）帶入式（1）可得：

由式（3）可知，對于確定的試驗系統(tǒng)，只要準(zhǔn)確的測出閥門前后的壓差以及流經(jīng)閥門的流量，就可以計算出閥門的流阻。而只有在流量相對穩(wěn)定時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)才更為準(zhǔn)確。

2 建模與分析

2.1 RELAP5程序及建模

本文使用系統(tǒng)分析程序RELAP5進(jìn)行計算，RELAP5程序由美國INEL開發(fā)，能夠?qū)λ涠押穗姀S各種熱工水力瞬變和事故進(jìn)行計算和評價，故其可對本文工況進(jìn)行分析。圖1為基于RELAP5程序建立的試驗臺架計算模型。試驗系統(tǒng)由一定數(shù)目的管道、管件等控制體組成，其中進(jìn)出口水罐、管道等以“pipe”類型的控制體模擬，試驗閥進(jìn)出口調(diào)節(jié)閥以 “mtrvlv”模擬，其中通過自定義開度與流通面積實現(xiàn)不同開度下的計算。試驗閥則以 “trpvlv”模擬。進(jìn)出口水罐安全閥、背壓調(diào)節(jié)閥同樣以“mtrvlv”模擬，通過設(shè)定不同的開關(guān)壓力整定值實現(xiàn)超壓保護(hù)功能。氣源以時間相關(guān)控制體“tmdpvol”模擬恒定壓力的匯流排，通過“mtrvlv”控制氣源開關(guān)。

2.2 無壓力調(diào)節(jié)的計算分析

針對試驗設(shè)計工況進(jìn)行了模擬，其中進(jìn)出口水罐壓力分別為0.8MPa和0.55MPa，介質(zhì)溫度為155℃，調(diào)節(jié)閥開度為100%。程序穩(wěn)態(tài)運(yùn)行10s后打開調(diào)節(jié)閥，計算結(jié)果見圖2。

圖1 RELAP5節(jié)點(diǎn)圖

圖2 進(jìn)出口水罐壓力

由上述計算結(jié)果可知，當(dāng)進(jìn)出口水罐密閉時，此時閥門兩側(cè)壓差最大，開閥后約5s內(nèi)，由于試驗裝置尺寸限制，進(jìn)出口水罐容積有限，隨著試驗介質(zhì)的流動，進(jìn)口水罐由于介質(zhì)的流出壓力迅速減小，而出口水罐壓力則迅速增大，導(dǎo)致進(jìn)出口水罐壓差迅速變小，由式（3）可知，回路流量也隨之減小而無法維持，不利于試驗數(shù)據(jù)的采集。本文在不同進(jìn)口水罐壓力P條件下，針對各調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行了計算，試驗回路內(nèi)流量變化見圖3、4。可以看到，閥門開度對流量峰值無影響，在不同開度下回路的流量無法保持穩(wěn)定。由圖5可知，在相同閥門開度下，閥門進(jìn)口壓力不同，規(guī)律維持不變，只對流量峰值有影響。

2.3 有壓力調(diào)節(jié)的計算分析

進(jìn)出口水罐無壓力調(diào)節(jié)時，閥門兩側(cè)由于壓差的逐漸減小，流量達(dá)不到設(shè)計要求，且無法保持穩(wěn)定，難以準(zhǔn)確測量。臺架設(shè)計時在進(jìn)出口水罐均考慮了壓力調(diào)節(jié)措施，在進(jìn)口水罐通過匯流排及調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)口水罐內(nèi)的壓力，在出口水罐處，則通過設(shè)置背壓調(diào)節(jié)閥，確保出口水罐內(nèi)壓力穩(wěn)定。在有壓力調(diào)節(jié)的情況下，進(jìn)出口水罐的壓力能維持20s左右，而回路流量則可維持10s左右，數(shù)值約為200kg/s，可以滿足試驗要求。

圖3 不同開度下回路流量（P=0.8MPa）

圖 4不同開度下回路流量（P=1.0MPa）

圖5 不同進(jìn)口壓力下回路流量，

3 結(jié)語

針對爆破閥熱態(tài)性能試驗，本文分別進(jìn)行了有/無壓力調(diào)節(jié)工況的模擬，根據(jù)計算結(jié)果初步得到如下結(jié)論。（1）當(dāng)進(jìn)出口水罐無壓力調(diào)節(jié)措施時，通過爆破閥的流量較難達(dá)到設(shè)計要求，且無法在某一流量維持一段時間，無法滿足試驗要求。（2）當(dāng)進(jìn)出口水罐通過壓力調(diào)節(jié)維持壓差時，通過爆破閥的流量高于設(shè)計要求，且維持該流量的時間約10s，滿足試驗要求。因此，通過對臺架進(jìn)出口水罐壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行試驗，預(yù)計能夠獲得較為理想的試驗數(shù)據(jù)。

[1]林誠格，非能動安全先進(jìn)核電廠AP1000，北京：原子能出版社，2008.

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1671-0711（2017）12（上）-0094-02