核電機組低壓安注試驗限流孔板調(diào)整計算

邵會福，王建國，凌學(xué)會，王季能

（紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001）

0 引言

當一回路發(fā)生失水事故或二回路的汽水回路發(fā)生破裂或失效時，為了確保堆芯熱量的排出和安全殼的完整性，限制事故的發(fā)展和減輕事故的后果，核電站設(shè)置了專設(shè)安全設(shè)施。其中安全注入系統(tǒng)是專設(shè)安全設(shè)施的重要組成部分，主要實現(xiàn)在不同工況下向反應(yīng)堆注入所需流量。安全注入系統(tǒng)（RIS）設(shè)置了多條管路以滿足不同的運行條件下反應(yīng)堆的流量需求.為確保注入流量的匹配，在管路上設(shè)置了不同型號的限流孔板。

在核電站日常運維中，需要定期執(zhí)行低壓安注試驗以驗證不同工況下安全注入系統(tǒng)向反應(yīng)堆注入冷卻水的流量是否滿足設(shè)計要求。當試驗結(jié)果不滿足設(shè)計要求時，需要對低壓安注系統(tǒng)相應(yīng)管路上的限流孔板孔徑進行調(diào)整。

1 低壓安注試驗

低壓安注試驗流程見圖1。試驗工況主要有冷段直接注入工況、熱段同時注入工況、冷段同時注入工況，冷熱段同時注入工況，每一種工況流程見表1。001PO和002PO分別獨立執(zhí)行4種工況。當?shù)蛪喊沧⒃囼災(zāi)骋还r結(jié)果不合格時，需調(diào)整相應(yīng)的孔板。

圖1 安全注入系統(tǒng)流程

低壓安注試驗涉及的孔板調(diào)整情況主要包括：冷段直接注入工況環(huán)路流量不匹配，需要調(diào)整008DI／009DI／010DI孔板中某一個孔板尺寸，調(diào)整單個孔板時的調(diào)整原則：調(diào)整流量偏離中間值最大的環(huán)路的孔板；冷段直接注入工況總體流量不合格，需要同步調(diào)整008DI／009DI／010DI孔板尺寸；冷段同時注入工況總體流量不合格，需要調(diào)整017DI／018DI孔板尺寸；熱段同時注入工況總體流量不合格，需要調(diào)整003DI／002DI孔板尺寸。

由于低壓安注試驗工況復(fù)雜，根據(jù)某一運行工況調(diào)整孔板后，需要根據(jù)新的孔板孔徑對所有該孔板相關(guān)的運行工況進行驗證。調(diào)整008DI／009DI／010DI孔板后需要對冷段直接注入工況、冷段同時注入工況和冷段和熱段同時注入工況進行驗證。調(diào)整017DI／018D孔板后需要對冷段同時注入工況和冷段和熱段同時注入工況進行驗證。調(diào)整002DI／003DI孔板后需要對熱段同時注入工況和冷段和熱段同時注入工況進行驗證。

2 限流孔板調(diào)整計算方法

核電廠中使用的限流孔板主要是單級孔板，單級孔板又可分為單級有斜角和單級無斜角兩種類型。低壓安注試驗涉及的管路上的限流孔板全部為單級有斜角孔板，如圖2所示。

圖2 單級有斜角孔板

根據(jù)國標GB／T 2624.2—2006，流經(jīng)孔板的質(zhì)量流量可以由式（1）計算［1］。

式中：D為管道內(nèi)徑；d為孔板孔徑；E為孔板厚度；C為流出系數(shù)；β 為直徑比，β＝d／D；ε 為壓縮系數(shù)；ρ為流體密度。其中，孔板壓力損失Δω與ΔP差壓的關(guān)系為

表1 低壓安注試驗工況流程

根據(jù)以上計算公式可以完成孔板孔徑、差壓、流量、孔板阻力系數(shù)等相關(guān)參數(shù)計算［2］。

根據(jù)流體機械理論［3］，泵特性曲線與管路特性曲線交點即為實際運行工況點，管路特性曲線是由管路元件特性及管路位能差決定。管路計算原理如圖3所示。

圖3 管路計算原理

對于單環(huán)路系統(tǒng)，根據(jù)伯努利方程可得

式中：KL為去除孔板后管路阻力系數(shù)；Kor為孔板的阻力系數(shù)；H（Q）為泵的揚程；Q為目標工況點的流量。

對于3個環(huán)路并聯(lián)的管路，有：

式中：KZ為并聯(lián)管路節(jié)點之前的管路阻力系數(shù)；KLi為并聯(lián)節(jié)點后分支管路阻力系數(shù)（不含孔板），i=1，2，3。

根據(jù)并聯(lián)管路特性：

式中：Ki為并聯(lián)支路管路阻力系數(shù)（不含孔板）。

通過以上公式推導(dǎo)可知，根據(jù)孔板調(diào)整前試驗數(shù)據(jù)可以計算出每一條管路去除孔板的阻力系數(shù)，假設(shè)調(diào)整孔板前后不含孔板的管路阻力系數(shù)不變，給定目標流量可以求得每一條管路的新的阻力系數(shù)，除去不含孔板的管路阻力系數(shù)就是新的孔板的阻力系數(shù)，再根據(jù)新的孔板阻力系數(shù)和相應(yīng)的流量可以求得新的孔板的孔徑［4］。孔板調(diào)整計算流程如圖4所示。

圖4 孔板調(diào)整計算流程

3 安全注入系統(tǒng)孔板調(diào)整計算實例

某核電站4號機安全注入系統(tǒng)001PO和002PO經(jīng)過了換型，泵特性曲線發(fā)生了變化，新?lián)Q型的泵揚程比較高。在進行低壓安注試驗的直接注入冷段的工況試驗中，泵的流量偏高，已經(jīng)接近冷段直接注入工況驗收準則的邊界。為確保各試驗工況流量滿足要求，進行了孔板調(diào)整工作，將 008DI／009DI／010DI的孔徑由原來的78.5 mm調(diào)整到74 mm，同時，將RIS003DI孔徑由200 mm更換為148 mm。調(diào)整前后的試驗數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 孔板調(diào)整前低壓安注試驗數(shù)據(jù)

表3 孔板調(diào)整后低壓安注試驗試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)冷段直接注入工況試驗的數(shù)據(jù)通過自行編制的孔板調(diào)整計算軟件進行孔板調(diào)整后的校核計算。設(shè)定冷段直接注入工況的目標工況點（Q，h），其中h為目標工況點高度，為求取孔板孔徑首先根據(jù)孔板調(diào)整前試驗數(shù)據(jù)求取不含孔板的管路阻力系數(shù)

根據(jù)目標工況點，求取調(diào)整孔板后總的管路阻力系數(shù)

根據(jù)并聯(lián)管路特性，有

在求得Korx以后，根據(jù)限流孔板計算理論求出孔板孔徑。通過理論計算求得調(diào)整的孔板孔徑為74.5 mm，這與孔板調(diào)整后的實際尺寸74 mm偏差僅為0.676%。

不同工況下各管路流量計算結(jié)果參見表4。對比表3和表4可以看到：在冷段直接注入工況和冷段同時注入工況理論計算值與孔板調(diào)整后的試驗數(shù)據(jù)基本一致；在冷熱段同時注入工況，008DI、009DI及010DI所在環(huán)路理論計算流量值偏大，總流量和001LD所在支路流量偏差百分比相對較小。

表4 理論計算孔板調(diào)整后數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

通過對限流孔板和復(fù)雜管路特性的分析，給出管路上限流孔板調(diào)整計算方案。對某核電站4號機孔板調(diào)整前后數(shù)據(jù)的校核驗證可以看出，理論計算的數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)基本匹配，說明孔板調(diào)整計算方案能夠滿足工程上的需求。提出的孔板調(diào)整計算方案對核電廠其他涉及孔板調(diào)整的試驗具有參考意義。

［1］中國機械工業(yè)聯(lián)合會.用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量：GB／T 2624.2—2006［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［2］劉長亮，王曉江，曲昌明.核電廠用限流孔板壓降計算［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2013，47（3）：397-401.

［3］陳卓如.工程流體力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］趙鑫，譚海波，劉博，等.CPR1000安注系統(tǒng)高壓節(jié)流孔板計算研究［J］.核動力工程，2014，35（2）：134-136.