高溫氣冷堆示范工程主給水隔離閥空化及振動風險分析

（中核能源科技有限公司，北京 100193）

高溫氣冷堆示范工程是世界首臺具有四代核電特征核電站。主給水隔離閥是核安全2級閥門,當蒸汽發(fā)生器傳熱管發(fā)生斷管事故時，需要快速關(guān)斷主給水隔離閥，以切斷主給水管道，防止更多的水通過蒸汽發(fā)生器斷管處進入反應(yīng)堆一回路。主給水隔離閥，作為核電站幾大關(guān)鍵閥門之一，安全運行的可靠性至關(guān)重要。由于閥門口徑較大，全流量性能試驗臺架造價高，國內(nèi)外工廠及國家試驗室均不具備全流量全功能試驗的條件。目前示范工程所采購主給水隔離閥產(chǎn)品的樣機試驗、出廠功能試驗時都是在非全流量情況下做的非循環(huán)試驗，無法完全模擬實際工作狀態(tài)下的閥門流場的變化情況。本文采用ANSYS CFX軟件對該閥門在不同開度下閥門及出口管路中的流動進行數(shù)值模擬分析，輔助驗證了該閥門的可靠性、預(yù)警存在的風險，為示范工程的安全設(shè)計和主給水系統(tǒng)的設(shè)計提供了依據(jù)。

1 流場分析

1．1 基本條件

主給水隔離閥的主要參數(shù)如下：

工作壓力：16.5MPa

工作溫度：205℃

介質(zhì)：無離子水

流量：96.22kg/s

關(guān)閥時間要求：＜5s

1．2 計算模型

本文分析采用RNG k-ε雙方程模型，控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

k方程：

ε方程：

式中：ρ和μ分別為體積分數(shù)平均的密度和分子黏性系數(shù)p為壓力；μt為紊流黏性系數(shù)，它可由紊動能k和紊動耗散率ε求出：

采用有限體積法對上述方程進行離散，時間和空間均采用二階精度格式，壓力速度耦合采用壓力隱式算子分割法PISO算法。

1．3 邊界條件

主給水隔離閥關(guān)閉時間要求小于5s，因此，假設(shè)在關(guān)閉過程中，進口的壓力和進出口的流量恒定。

入口邊界條件設(shè)為工作壓力16.5MPa，

出口邊界條件設(shè)為流量：96.22kg/s。

1．4 模型和網(wǎng)格

為了保證閥門進出口邊界條件準確，把進口管和出口管做了延長，進口延長了5倍直徑的長度，出口延長了10倍直徑的長度，避免出現(xiàn)回流現(xiàn)象，影響流場分布的計算結(jié)果。

利用ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分。閥體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格；進出口流道采用六面體網(wǎng)格，交界處的網(wǎng)格尺寸保持一致，既保證迭代精度同時又控制網(wǎng)格總數(shù)，加快計算速度。

圖1 三維模型示意圖

圖2 閥體網(wǎng)格示意圖

2 結(jié)果分析

2．1 不同開度下的壓力場分布

流體溫度為205℃，在此溫度下內(nèi)，水的飽和蒸氣壓為1.772MPa。從上述壓力分布可以看出，閥門全開情況下最低壓力接近于16.5MPa，遠遠大于1.772MPa，因此閥門在其正常運行情況下幾乎不會產(chǎn)生空化現(xiàn)象。隨著開度逐漸減小，流場的最低壓力逐漸降低，但在5%開度下的最低壓力也在7MPa左右，也遠遠高于1.772MPa。并且，考慮到閥門從5%到全關(guān)閉的時間很短，因此可判斷在閥門正?？焖訇P(guān)閉過程中，不會有空化現(xiàn)象產(chǎn)生。

2．2 極小開度（1%）下,流場壓力分布情況

在極小開度下，閥后流域的壓力均接近飽和蒸汽壓，存在產(chǎn)生空化現(xiàn)象的風險。閥門此時的流通面積較小，流速急劇增加，壓力急劇下降，這會導(dǎo)致閘板與閥座之間形成低壓區(qū)域，即文丘里效應(yīng)。在閘板背部固壁存在兩處明顯低壓區(qū)域，如果長期在此開度下工作，根據(jù)空化原理，閘板背面和出口管路靠近閘板的管壁將是發(fā)生空蝕的高風險區(qū)域。

2．3 不同開度下的速度場分析

（1）當開度減小到50%的時候，在閥門閘板背面有明顯的渦產(chǎn)生，隨著開度變小，單個渦的區(qū)域逐漸增大，渦產(chǎn)生頻率逐漸增大。因此，在閥門關(guān)閉的過程中，閘板后方的流動狀態(tài)很劇烈，渦的產(chǎn)生和脫落將造成閥門及管路的振動。

（2）在開度小于10%左右情況下，閘板與閥座之間的區(qū)域出現(xiàn)射流。如果閥門出現(xiàn)關(guān)不到位的情況，導(dǎo)致長時間在小開度下工作，則閘板密封面將因長期被高速沖擊而受到損傷。

3 結(jié)論及應(yīng)用

3．1 計算結(jié)論

通過上述計算結(jié)果和分析，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）閥門在正常工作狀態(tài)下（即全開情況下）不會產(chǎn)生空化；（2）閥門在正常動作（快速關(guān)閉）狀態(tài)下，不會產(chǎn)生空化；（3）閥門在正常動作（快速關(guān)閉）過程中，閘板不會產(chǎn)生明顯振動；（4）閥門在正常動作（快速關(guān)閉）過程中，閥門和出口連接管路會產(chǎn)生振動和噪音；（5）若長時間在極小開度下使用，則產(chǎn)生空化和空蝕現(xiàn)象的風險較大；（6）若長時間在小開度下使用，則產(chǎn)生射流現(xiàn)象，損傷閥門密封面的風險較大。

以上計算結(jié)論不僅輔助驗證了主給水隔離閥產(chǎn)品在實際工況下正常運行的可靠性，同時也預(yù)警了當主給水隔離閥長時間處于小開度下運行時，產(chǎn)生空化空蝕現(xiàn)象風險較大，同時射流的存在會對閥門密封面造成損傷，而閥門及出口管路與流體產(chǎn)生共振的風險較大，這些情況都會對閥門及管路造成嚴重損壞。

3．2 工程應(yīng)用

（1）工程上已采取的預(yù)防措施。主給水隔離閥的功能是事故工況下關(guān)閉，隔斷二回路的水，對系統(tǒng)安全有很重要的作用。針對計算識別出的風險,我們已在示范工程的設(shè)計上采取相關(guān)的預(yù)防措施：在主給水閥關(guān)斷信號發(fā)出時,同時給二回路加壓泵和加熱裝置發(fā)出停止信號,以降低主給水溫度,降低產(chǎn)生空化造成的設(shè)備損壞的風險，得到了相關(guān)部門的認可。

（2）輔助高溫氣冷堆示范工程主給水系統(tǒng)工程設(shè)計。①針對閥門關(guān)閉過程中射流引起的壓差和水錘效應(yīng)，重新校核了設(shè)計壓力的裕量。②根據(jù)計算結(jié)果中X方向的振動情況，在閥門支吊架設(shè)計中增加了X方向的約束，防止閥門的振動造成管路的損傷；③在進行60萬千瓦的高溫堆商業(yè)電站設(shè)計時，已優(yōu)化了布置方案，將六條主給水管路呈六邊形方式布置在豎井中，縮短了X方向的管路長度，減少閥門振動和噪音方面的影響。