變頻驅(qū)動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)恒定流計(jì)算分析的研究

鄭海霞 閻曉偉 張必文 洪志華

上海阿波羅機(jī)械股份有限公司 上海 201499

引言

核電站三回路循環(huán)水系統(tǒng)利用海水為汽機(jī)廠房內(nèi)凝汽器提供必需的冷卻水，通過循環(huán)，最終將熱量排入海水。循環(huán)水系統(tǒng)主要包括：循環(huán)水泵、凝汽器、管路、虹吸井、聯(lián)合泵房等。其中循環(huán)水泵位于聯(lián)合泵房內(nèi)。一般一個(gè)機(jī)組配備兩臺(tái)循環(huán)水泵[1]，即一臺(tái)核電機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)由A列和B列兩條回路組成，每條回路提供機(jī)組正常運(yùn)行以及汽輪機(jī)旁路使用時(shí)凝汽器和輔助系統(tǒng)所需冷卻水量的一半冷卻能力。

以變頻驅(qū)動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)為研究對象，通過恒定流計(jì)算分析，以確認(rèn)在外海平均低潮位、100年一遇高潮位、100年一遇低潮位、33年一遇低潮位循環(huán)水系統(tǒng)能夠安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

國內(nèi)某核電站循環(huán)水系統(tǒng)采用一機(jī)兩泵+變頻驅(qū)動(dòng)方案。由于海水冬夏季水溫的不同，因此循環(huán)水系統(tǒng)在冬夏季工況對冷卻水的需求量不同，夏季冷卻水量需求高，冬季冷卻水量相對低。

1.1 潮位（56黃海高程）

表1 潮位

1.2 循環(huán)水泵主要參數(shù)

循環(huán)水泵夏季運(yùn)行工況以下簡稱設(shè)計(jì)工況一：

額定流量：28.875m3/s

額定揚(yáng)程：15.1m

額定轉(zhuǎn)速：169 r/min

電機(jī)轉(zhuǎn)速：746 r/min

額定功率：5800kW

循環(huán)水泵冬季運(yùn)行工況以下簡稱設(shè)計(jì)工況二：

最小流量：17.25m3/s

對應(yīng)揚(yáng)程：7.4m

最小轉(zhuǎn)速：111r/min

電機(jī)轉(zhuǎn)速：490r/min

對應(yīng)功率： 1431.7kW

1.3 凝汽器主要參數(shù)

設(shè)計(jì)冷卻水量：56.50m3/s

凝汽器水阻：5.50m

冷卻管長度：18258mm

凝汽器出水管的管頂高程：6.10m

凝汽器內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)最大允許運(yùn)行壓力為0.40MPa（相對壓力）。

1.4 管路特性數(shù)據(jù)

1.4.1 循環(huán)水進(jìn)水管溝GD1（循泵出口至汽輪機(jī)廠房）。管徑：玻璃鋼管內(nèi)徑為3600mm。

GD1設(shè)計(jì)最高內(nèi)壓0.4MPa，最低負(fù)壓-0.1MPa。

1.4.2 凝汽器進(jìn)出水管。管徑：玻璃鋼管內(nèi)徑為2200mm；鋼管DN2200mm（規(guī)格為Φ2240×18mm）。

凝汽器進(jìn)出水管鋼管設(shè)計(jì)壓力0.6MPa。

1.4.3 循環(huán)水排水管道GD2（汽輪機(jī)廠房至虹吸井）。管徑：玻璃鋼管內(nèi)徑為3600mm，且在設(shè)計(jì)分界前由圓形轉(zhuǎn)換為矩形接口（4000mm×3500mm）；現(xiàn)澆鋼筋混凝土溝道斷面凈尺寸為4000mm×3500mm。

GD2設(shè)計(jì)最高內(nèi)壓0.35MPa，最低負(fù)壓-0.1MPa。

1.5 虹吸井

堰頂標(biāo)高：-1.00m；

設(shè)計(jì)工況一（單泵）時(shí)堰前水位標(biāo)高：0.583m（平均低潮位）和0.453m（33 年一遇低潮位）；

設(shè)計(jì)工況二（單泵）時(shí)堰前水位標(biāo)高：0.047m（平均低潮位）和0.037m（33 年一遇低潮位）。

單堰寬：14775mm；

堰前水池底標(biāo)高：-10.25m；虹吸井有效面積：14.775×36.23=534.4m2；虹吸井最高允許水位：7.85m。

1.6 聯(lián)合泵房主要參數(shù)

表2 聯(lián)合泵房主要參數(shù)

1.7 設(shè)計(jì)水頭損失

糙率n除GD1取0.012外其他各部位均取0.018。輸水系統(tǒng)各部件設(shè)計(jì)水頭損失值匯總?cè)缦卤?：

表3 輸水系統(tǒng)各部件水頭損失

注：①取水隧洞通過的流量是單臺(tái)機(jī)組所需要的海水量，其中包括循環(huán)水泵供水（額定流量2×28.875m3/s=57.75m3/s）、重要廠水泵供水（3300m3/h）、海水制氯取水泵供水（680m3/h）以及泵房內(nèi)鼓型濾網(wǎng)反沖洗用水（540m3/h），單臺(tái)機(jī)組取水隧洞取水總計(jì)約59.01m3/s。凝汽器通過的流量為2×28.25m3/s。②取水隧洞對應(yīng)的水頭損失2.29m（表3數(shù)據(jù)），對應(yīng)的流量是59.01m3/s。③CC井的損失包括CC進(jìn)口、CC溢流堰及堰后水頭損失，CC與排水隧洞的損失計(jì)在排水隧洞中。0.66m的水頭損失對應(yīng)的流量是單泵流量28.875m3/s。

單臺(tái)機(jī)組CC井溢流堰前的流量是2×28.875m3/s=57.75m3/s，正常情況下堰后主要有重要廠用水系統(tǒng)的排水（3300m3/h= 0.92m3/s）。

2 恒定流計(jì)算

2.1 非淹沒狀態(tài)虹吸井堰上水頭計(jì)算

在1 0 0年一遇低潮位（-3.6 3 m）和3 3年一遇低潮位（-3.49m），循環(huán)水泵在工況一和工況二運(yùn)行，虹吸井堰流均為非淹沒出流。

虹吸井溢流堰為實(shí)用型，上下游堰高P=P1=9.25m，堰寬b=14.775m（兩管共用一個(gè)虹吸井），堰頂高程-1.0m。虹吸井設(shè)計(jì)流量為57.75m3/s，小流量為34.5m3/s。

可將非淹沒狀態(tài)的各工況流量Q代入下式以求得各工況虹吸井內(nèi)堰上水頭H，

式中：m-流量系數(shù)；

b-堰寬（m）；

H-堰上水頭（m）；

g-重力加速度（m/s2）。

2.2 淹沒狀態(tài)虹吸井堰上水頭計(jì)算

在100年一遇高潮位3.98m和平均低潮位-1.77m時(shí)，單泵流量無論是28.875m3/s還是17.25m3/s，由于堰后水位高于堰頂，均發(fā)生淹沒堰流。流量公式為：

單泵流量為28.875m3/s時(shí)，從虹吸井到排水明渠末的水頭損失為1.87m；

單泵流量為17.25m3/s時(shí)，該水頭損失為0.97m。

在100年一遇高潮位3.98m時(shí)，對應(yīng)兩種流量的堰后水深hs分別為：3.98+1.87-（-1.0）＝6.85m和3.98+0.97-（-1.0）＝5.95m，堰頂高程-1.0m；在平均低潮位-1.77m時(shí)，對應(yīng)兩種流量的堰后水深hs分別為：-1.62m和-2.52m。

通過試算，在100年一遇高潮位3.98m，過堰流量Q＝57.75m3/s，堰后水位為5.85m時(shí)，對應(yīng)的虹吸井堰上水位為5.928m，淹沒系數(shù)σs＝0.0900，流量系數(shù)m＝0.5373；

在過堰流量Q＝34.5m3/s，堰后水位為4.95m時(shí)，對應(yīng)的堰上水位為5.019m，淹沒系數(shù)σs＝0.0674，流量系數(shù)m＝0.5287。

在平均低潮位-1.77m，過堰流量Q＝57.75m3/s，堰后水位為0.1m時(shí)，對應(yīng)的虹吸井堰上水位為0.523m，淹沒系數(shù)σs＝0.9220，流量系數(shù)m＝0.5057；

在過堰流量Q＝34.5m3/s，堰后水位為-0.8m時(shí)，對應(yīng)的堰上水位為0.063m，淹沒系數(shù)σs＝0.9971，流量系數(shù)m＝0.4806。

2.3 管段水頭損失計(jì)算

將整條管線分成若干計(jì)算管段，先分別計(jì)算系統(tǒng)沿線各管段的沿程水頭損失和局部水頭損失。需計(jì)入局部水頭損失的元件包括彎段、變徑段、伸縮節(jié)、分岔管、匯合管、（蝶）閥、凝汽器、膠球清洗裝置、進(jìn)出口等。

某管段沿程水頭損失計(jì)算公式[3]：

式中符號(hào)注釋參考《實(shí)用流體阻力手冊》[3]。

其中沿程水頭損失系數(shù)λi，若管流處于阻力平方區(qū)，可按下式計(jì)算：

式中：

按干管流量28.875m3/s計(jì)，DN3600主輸水管的雷諾數(shù)為：

取糙率，玻璃鋼管：0.010，鋼管：0.012，混凝土管：0.018。

i管段上各水力元件局部水頭損失計(jì)算公式：

表4 管線水力參數(shù)及真空破壞閥、通氣閥位置表

續(xù)表

按照上述節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對循環(huán)水系統(tǒng)恒定流計(jì)算管段示意見圖1。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)及管段示意圖

式中符號(hào)注釋見參考《清華大學(xué)水力學(xué)教研組編·水力學(xué)》。

當(dāng)Δ＞ 0時(shí)，說明揚(yáng)程大于沿管線的負(fù)荷，將流量增加一個(gè)微量

若Δ′還是大于指定的誤差，則可重復(fù)上述過程，直到Δ′小于指定誤差為止。

當(dāng)Δ′＜ 0時(shí)，說明揚(yáng)程小于管線負(fù)荷，流量應(yīng)減去一個(gè)微量，重復(fù)上述運(yùn)算，直到Δ′的絕對值小于指定的誤差，迭代結(jié)束。

綜上，可計(jì)算出設(shè)計(jì)工況一和設(shè)計(jì)工況二100年一遇低潮位、33年一遇低潮位、平均低潮位、100年一遇高潮位循環(huán)水系統(tǒng)水力坡降線圖，見圖2-圖9。

圖2 設(shè)計(jì)工況一100年一遇低潮位循環(huán)水系統(tǒng)水力坡降線

圖9 設(shè)計(jì)工況二100年一遇高潮位循環(huán)水系統(tǒng)水力坡降線

從圖2-9可知：

①設(shè)計(jì)工況一100年一遇低潮位（圖2）、33年一遇低潮位（圖4）、平均低潮位（圖6）、設(shè)計(jì)工況二100年一遇高潮位（圖9）在正常運(yùn)行（恒定流狀態(tài)）時(shí)，進(jìn)口正壓、出口負(fù)壓運(yùn)行。②設(shè)計(jì)工況一100年一遇高潮位（圖8）在正常運(yùn)行（恒定流狀態(tài)）時(shí)，進(jìn)口出口處于正壓運(yùn)行。③設(shè)計(jì)工況二100年一遇低潮位（圖3）、33年一遇低潮位（圖5）和平均低潮位（圖7）在正常運(yùn)行（恒定流狀態(tài)）時(shí)凝汽器進(jìn)口、出口都是處于負(fù)壓運(yùn)行，此工況為調(diào)壓設(shè)施的控制工況。由此凝汽器的進(jìn)口不能設(shè)置通氣閥，如果需要設(shè)置，必須用真空破壞閥替代。

圖3 設(shè)計(jì)工況二100年一遇低潮位循環(huán)水系統(tǒng)水力坡降線

圖4 設(shè)計(jì)工況一33年一遇低潮位循環(huán)水系統(tǒng)水力坡降線

圖5 設(shè)計(jì)工況二33年一遇低潮位循環(huán)水系統(tǒng)水力坡降線

圖6 設(shè)計(jì)工況一平均潮位循環(huán)水系統(tǒng)水力坡降線

圖7 設(shè)計(jì)工況二平均潮位循環(huán)水系統(tǒng)水力坡降線

圖8 設(shè)計(jì)工況一100年一遇高潮位循環(huán)水系統(tǒng)水力坡降線

3 結(jié)束語

由于輸水管線較長，凝汽器處在局部最高的駝峰位置，如果凝汽器出口不設(shè)真空破壞閥，在發(fā)生斷電停泵時(shí)凝汽器及其前后將出現(xiàn)嚴(yán)重負(fù)壓，凝汽器進(jìn)出口的負(fù)壓最為嚴(yán)重。這樣嚴(yán)重的負(fù)壓，必將會(huì)引起管路內(nèi)發(fā)生水柱分離并引發(fā)“非常水錘”，所以必須加設(shè)真空破壞閥以緩解負(fù)壓。

設(shè)計(jì)工況二100年一遇低潮位（圖3）、33年一遇低潮位（圖5）和平均低潮位（圖7）在正常運(yùn)行（恒定流狀態(tài)）時(shí)凝汽器進(jìn)出口都是負(fù)壓運(yùn)行，所以凝汽器進(jìn)口需設(shè)真空破壞閥。

在每一單元凝汽器進(jìn)出口各設(shè)置一個(gè)真空破壞閥，口徑DN150，輸水管線其他地方不需另設(shè)通氣閥（或真空破壞閥）。