Flowmaster软件在AP 1000启动给水系统瞬态运行中的应用.pdf

第 3 4卷 第 2期 2 0 1 2年 2月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 4 No ． 2 F e b ． 2 01 2 F l o w m a s t e r 软件在 A P 1 0 0 0启 动给水 系统 瞬态 运行 中的应用 罗峰 ， 周涛， 贾瑞宣 ( 华北电力大学 核热工安全与标准化研究所 ， 北京 1 0 2 2 0 6 ) 摘要： 针对 A P 1 0 0 0启动给水系统的配置情况， 利用一维流体仿真软件 F l o w m a s t e r 建立了供水系统模型。通过开展瞬 态分析， 在 A P 1 0 0 0在丧失正常电源的瞬态下， 1台启动给水泵 由备用柴油发电机组供电而正常运行时， 突然停转后的 仿真结果。对比不同的配置结果 ， 提出在控制阀下游设置进气阀能减小流量的波动。在安装蓄压箱的情况下 ， 能减小流 量的波动， 同时不会出现压力骤升的情况 ， 能有效防止气穴的产生。依据计算结果 ， 确立瞬态分析特性的控制方法， 减小 流量的波动并可控制空穴， A P 1 0 0 0启动给水系统就能更加安全、 稳定地运行。 关键词： A P 1 0 0 0启动给水系统 ； F l o w m a s t e r 软件； 瞬态分析； 空穴 中图分类号： T P 3 1 1 ． 5 2： T K 2 2 3 5 2 文献标志码： A 文章编号i 1 6 7 4—1 9 5 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2— 0 0 3 1 —0 3 0 引言 1 F l o w m a s t e r 软件及其应用对 象 核 电站的安全 、 可靠性在 核电设计 中占有最重 要的地位。非调节 工况 的出现会 引发泵 系统的瞬 变 ， 比如突然停电和误操作造成 的意外停泵 、 离心泵 的重载启动 、 泵阀门的调节等。在瞬变发生时 ， 会造 成流量波动 ， 瞬时低压 又有可能产生 空穴 ， 发生气 蚀 ， 轻则会对泵系统的安全、 正常运行造成危险并影 响设备的使用寿命 ， 重则会造成运行中断 ， 严重时还 会发生重大事故。2 0 1 1年 3月 1 1日， 日本发生里 氏9 ． 0级地震并引发海啸 。日本福岛第一核 电站 由 于受地震和海啸影响， 外部电源供电短暂中断 ， 供水 作业 中断。此 时供 水系统流量 下降并伴有 空穴发 生。对于 A P 1 0 0 0启动给水系统来说 ， 它的正常功 能是在电厂启动 、 热备用和停闭期间为蒸 汽发生器 提供给水 ， 以导出反应堆冷却剂 系统 的余热。在事 故工况下 ， 不要求启动给水系统运行 ， 但对于某些设 计基准事件 ( 如主给水系统失效和丧失正常电源等 瞬态事件) 而言 ， 系统 可履行第 2层次 的纵深防御 功能。因此 ， 可通过 引入一维 流体分析 软件 F l o w ． m a s t e r ， 对 A P 1 0 0 0启动给水系统在丧失正常电源的 瞬态下 ， 1台启动给水泵 由备用柴油发 电机组供 电 而正常运行时， 突然停转所产生的流量变化和压力 波动进行瞬态分析 ， 为水泵配置提出优化方案 ， 使系 统能够正常运行 ， 减少事故 的发生。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 —0 9—1 4 基金项目： 国家自然科学基金资助( 5 0 9 7 6 0 3 3 ) ； 核反应系统设 计技术国家级重点实验室基金( 2 0 1 1—1 5 3 ) 1 ． 1 F l o w m a s t e r 软件 F l o w m a s t e r 软件是由英 国流体力学研究协会开 发的一个流体系统设计与仿 真平 台， 能够对不可压 缩流体 、 可压缩流体、 液压系统进行分析和模拟 ， 能 对流体 系统的流量 、 压力和温度分布等进行精确计 算并能对稳态和瞬态过程进行模拟。 目前 ， 该软件 被广泛应用 于航 天航 空、 汽车 、 燃气轮机 、 船舶 、 兵 器、 能源动力 、 石油 和天然气 、 流体管网等行业 的所 有内流系统设计领域。 1 ． 2应用对象 1 ． 2 ． 1 A P 1 0 0 0启动给水系统 A P 1 0 0 0启动给水系统为非安全相关系统 ， 不要 求其保证电厂安全 ， 但它却具有重要 的纵深防御功能 和安全保护功能。为保证系统运行的可靠性 ， 系统设 置了2个 1 0 0 ％容量的机械系列。系统 由2台并联的 启动给水泵、 1个凝水储存箱 以及相应 的管道、 阀门 和仪表等组成， 如图1 所示。在主给水系统失效或丧 失正常电源的瞬态下， 1台启动给水泵 自动启动， 其 容量足以为蒸汽发生器再充水 ， 使反应堆冷却剂系统 R C S ( R e a c t o r C o o l a n t S y s t e m) 冷却至正常余热排出系 统的投入温度 。在丧失正常电源的瞬态下， 2台启动 给水泵分别由厂内2台备用柴油发电机组供电。 1 ． 2 ． 2 建立模型 针对 A P 1 0 0 0启动给水系统的配置 ， 假设在丧失 正常电源的瞬态下 ， 1台启动给水泵由备用柴油发电 机组供电而正常运行时 ， 突然停转 的瞬态模式 ， 如图 2所示。启动给水系统运行过程及各参数设置如下 ： 3 2 华 电技 术 第 3 4卷 _女 埔 ＼十日 ’ ] ——I r f — - ／ ／ l 启动给水泵 i — U 图 1 A P 1 0 0 0启动给水 系统 ( F WS ) 图 2不添加其他装置 的系统模 型 ( 1 ) 系统仿真时间为 1 0 S ， 初始时给水泵 3正常 工作 、 阀门完全打开。给水泵 3在开始的 2 s内逐渐 关闭， 关闭 2 S 后 ， 阀门4停止工作。 ( 2 ) 每台启动给水泵 的额定功率为4 4 7 6 k W， 额 定流量为 1 7 8 9 2 m ／ h ， 额定转速为 9 5 4 r ／ ra i n 。 ( 3 ) 为研究在 阀 门下游是否产 生气 穴现象 ， 将 阀门下 游 节 点 ( 即 节 点 6)的参 数 设 置 为 “ A u t o v a p o u r i s a t i o n”。 ( 4 ) 每台启 动给水泵 由水池 向外泵供水 ， 每个 泵的出口都设置有单 向阀， 设置之后 ， 流入 1 根供水 总管 ， 并 由供水总管分 2路向 2个蓄水池供水 ， 流 向 低处用水池 的支路受阀门控制。 ( 5 ) 供水池 、 泵及单 向阀位于参考水平面 ， 在 2 个蓄水池的上方 ( 即蓄水池 9) 位 于参 考面 1 0 r n的 工作面上 ， 下方的( 即蓄水池 1 3 ) 位于水平面上。 图 2模拟的是在控制阀下游不添加进气阀或蓄 压箱等设备时的系统模型 。为了使系统下游不易产 生空穴现象或更安全稳 定 ， 假设模型在节点 6处分 别加装进气阀和蓄压箱。图 3模拟 的是在控制阀下 游添加进气阀时的系统模型。图4模拟 的是在控制 阀下游添加蓄压箱时的系统模型 。 在图 2～图 4中， 大的标号代表设备 ， 小的标号 代表节点。其 中大号 1 ， 9， 1 3为水池 ； 2 ， 3为水泵 ； 4 ， 5为蝶阀； 6， 7 ， 8 ， 1 2为供水管道 ； 1 0为蝶 阀； 1 1为 阀门控制器 ； 1 4为进气阀 ； 1 5为蓄压箱。 2 瞬态 结果和分析 2 ． 1 流 量 结果 和分 析 采用 F l o w m a s t e r 软件 ， 对上述不添加其他装置 、 图 4 添加蓄压箱 的系统模 型 加设进气 阀、 加设稳压器 3种情况下管道 1 2处的瞬 态流量进行分析 ， 对应的流量 一时间曲线分别 如图 5～图 7所 示 。 ● 昌 皿 硎 避 图 n 曼 删 Ⅲ I1 避 图6 管道 1 2加设进气阀时的流量 一时间曲线 图5显示 ， 在 4 S内， 即在关 闭阀门4及关闭泵 3 过程中， 管道 1 2处流量不断下降， 继而出现负流量。 随后在短时间内急速上升 ， 随后又下降为负流量 ， 如 此反复振荡 。 相 对 于图 5而言 ， 在图 6中 ， 管道 1 2处流量不 第 2期 罗峰 ， 等： F l o w ma s t e r 软件在 A P 1 0 0 0启动给水 系统瞬态运行中的应用 。 3 3 断下降， 虽然此过程 中有微小振动 ， 但并未出现流量 反复大幅度波动 的现象。 ● 吕 煺 图7 管道 1 2在加设蓄压箱时的流量 一时间曲线 相对 于图 6而言 ， 在图 7中， 管道 1 2处流量变 化趋势相同， 曲线更加平滑 。 从图 5～图 7可 以看 到 ， 没有加设进 气阀和稳 压器时 ， 由于管道 1 2所对应水池 1 3位置较低 ， 泵突 然停止， 管道 内压差不均匀导致流量 向管道 1 2回 流 ， 造成流量突升 ， 流量流到管道 1 2后 ， 另一支路压 差又变小 ， 又会造成反向回流 ， 如此振荡 。但加入进 气阀和稳压器后 ， 对压差调节促使其均匀 ， 对流量 由 较大的调节作用 ， 促使流量波动幅度减少乃至消失 ， 流量会平缓降低 。 2 ． 2 压 力 结果 和分 析 采用 F l o w ma s t e r 软件 ， 对上述设施 不添加其他 装置、 加设 进气 阀和加设稳压器 3种情况下节点 6 的瞬态压力进行分析 ， 对应的压力 一时间曲线分别 如图 8～图 1 0所示 。 I ∞ ● g ／ ： ， ： ： =、 ． ， ． ． I I I l O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 时间， s 图 8节点 6 在不添加其他装置时的压力 一时间曲线 图 8显示在 0 ． 6 s 时发生管路压力接近于零 的 情况 ， 空穴产生 ， 在 5 ． 6 s 时压力激增 ， 此后压力变化 不稳定 ， 多处出现下降和上升。在产生空穴时 ， 形成 低压且流量降低 ， 当空穴破灭后 ， 压力上升。图 9相 比于图 8而言 ， 曲线变化 比在时间上产生滞后 ， 幅度 上更加缓和。压力变化曲线 比未加阀时的曲线要光 滑 ， 空穴的发展周期延长。图 1 O显示 ： 管路压力在 2 s 时达到极小值 ， 随后略有上升 ， 但变化很平缓 ， 不 ， ● 昌 图 9 节点 6在加设进气 阀时的压力 一时间曲线 { ∞ ● 曼 图 1 0节点 6在加设 蓄压箱 时的压 力 一时间曲线 会 出现压力骤升的情况 ， 不会出现空穴。 从 图 8～图 1 0可以看出 ， 在没有增设进气 阀或 稳压器 的加入时， 节点 6处压力 出现瞬时低压 的情 况 ， 而且压力出现大 的突降和突升 。在增设进气 阀 的情况下 ， 当气 阀处 的管 内压力降到低于 1 0 1 3 2 5 P a 时 ， 气 阀打开 ， 让空气进去， 进行快速补气 ， 使得压力 变化不仅在时间上滞后且幅度更缓和。在安装蓄压 箱的情况下 ， 蓄压箱盛有水 ， 其上部空间充有一定压 力的氮气 。在给水 流量下降的情况下 ， 当管道 系统 的压力低于蓄压箱 的注入压力时 ， 蓄压箱 内的氮气 压力使蓄压箱的水注入管路 ， 维持管路系统 的流量 和压力稳定。压力 曲线不仅在幅度方面比前 2种方 案低 ， 而 且变 化 非 常平缓 ， 不会 出现压 力 骤升 的 情况 。 3 结论 基于 F l o w m a s t e r 软件 的应用原理 ， 通过该软件 的瞬态分析模块用于 A P 1 0 0 0启动给水系统瞬态运 行的研究， 建立了供水系统模型， 对比不同的配置方 案 ， 从而得出了符合实际情况的结论 ， 也为进一步开 展实际验证提供了理论依据 。 ( 1 ) 1台启动给水泵正常运行时 ， 突然停转后 ， 会造成大 的流量下降 ， 继而产生负流量 。增设进气 阀或稳压器条件下 ， 能够抑制启动给水泵流量的反 复波动 ， 使系统更加稳定的运行。 ( 2 ) 瞬时低压 容易 引起空 穴 ， ( 下转 第7 1 页 ) ：合∞ 如 ∞ ∞ ∞ m 5 第 2期 汪洋， 等 ： 一种新型的脱硫 系统浆液密度测量装置 7 1 存在 自由液面 ， 动力来源于吸收塔浆液重力势能 ， 也 可来 自石膏排出泵 。浆液通过喷射搅拌器进入测量 装置 ， 使用喷射搅拌器可保持浆液扰动 ， 从而保证 固 体颗粒不发生沉降 ， 喷射出的浆液由整流器从上部 布料 ， 减少 了对布料管外浆液的扰动 ， 避免了差压变 送器受布料管外浆液动压的影响而测量失真 。浆液 从布料管流出后 ， 一部分从底部 的排沙 口排出 ， 保持 装置 内浆液及时更新 ， 另一部分从上部 的溢流 口溢 出 ， 测量装置排 出的浆液汇流至地坑 ， 由地坑泵送 回 吸收塔。 装置适应 8～2 0 m 的吸收塔液位 ， 测量浆液 的 质量浓度为 8 0 0～1 5 0 0 k m ， 测量 p H值为 0～1 4， 取样样品与塔 内浆液品质高度一致 。 测量装置 的 p H计布置在低位 ， 标高为 1 ． 5 m以 下 ， 既便于冲洗 又便 于运行维护。箱罐 内流速小于 0 ． 5 m， 有效减少了浆液对 p H计 电极 的磨蚀 ， 对差压 变送器几乎不磨损 ， 延长了设备使用寿命 ， 提高了设 备 的可靠性 ， 装 置的流量仅为 7 m ／ h左右 ( 与吸收 塔液位有关) ， 较传统质量流量计过流量减少 8 0 ％ ， 节约了系统的用电量 ， 同时石膏排除泵可间歇运行 ， 增加了系统运行的灵活性 。装置集 p H测量 、 密度 测量 、 浆液取样功能于一身 ， 管线设计简单 ， 只需要 少量阀门及管道 ， 相 比 3种 功能的单元式装备节约 造价 ， 减少运行维护成本 。 3 ． 2 ． 3 测量装置和质量流量计的试验对 比 通过在湖北黄石电厂 2 1 0机组上的试验对 比， 测量装置的测量精度与测量准确度与传统测量方法 结果高度一致。 4 结论 ( 1 ) 质量 流量计 应用最为广泛且 效果较好 ， 其 缺点是价格较高， 使用周期短， 损耗大。传统差压测 密度方法测量结果代表性差 ， 测量条件差 ， 测量误差 大 ， 难以胜任对脱硫系统浆液密度测量 。 ( 2 ) 新型浆液密度测量装置 由于测量理论 和流 动组织方式的创新性 ， 抗磨蚀性远胜于进 口密度计 ， 几乎不会发生磨蚀 ， 可靠性大大提高， 寿命在 1 5 a 以上 。 ( 3 ) 新型浆液密度测量装置即使使用进 口差压 变送器 ， 其总造价也 比现有装置大大降低 ， 浆液过流 流量大为减少 ， 节能效果明显 。同时石膏排 除泵可 以间歇运行 ， 增加了系统运行的灵活性 。装置集 p H 测量 、 密度测量 、 浆液取样功能于一身 ， 案 管线设计 简单 ， 只需要少量阀门及管道 ， 相 比3种功能 的单元 式装备 ， 造价较低 ， 同时可减少运行维护成本 。 参考文献 ： [ 1 ] 中国华电工程( 集团) 有限公司． 石灰石 一石膏湿法烟气 脱硫系统运行优化研究报告 [ R] ． 北京： 中国华 电工程 ( 集团 ) 有 限公 司 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 武建强． 脱硫系统浆液密度测量方式探讨[ J ] ． 热力发 电 ， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 6 0—6 1 ． [ 3 ] 周根来， 石磊 ， 郭正宏． 2种测量浆液密度方式的对 比 [ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 6 0— 6 1 ． ( 编辑 ： 王 书平 ) 作者简介 ： 汪洋( 1 9 8 0 一) ， 男 ， 河北保定人 ， 工学硕士， 工程师， 从 事电力环保技术的研发及数值模拟工作( E — ma i l ： w a n g y a n g @ t h e e ． c o m ． c n ) 。 ●● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ( 上接第 3 3页) 进而发生气蚀 。在没有安装进气 阀 的情况下 ， 压力变化突然且 幅度很大 ， 易发生气蚀。 在安装进气阀的情况下 ， 压力变化不仅 时间上滞后 且幅度更加平缓 。因此 ， 在低压状态下 ， 在控制阀下 游设置进气阀能防止气穴 的产生。 ( 3 ) 在安装蓄压箱 的情 况下 ， 压 力 曲线不仅在 幅度方面相比前 2种方案低 ， 而且变化非常平缓 ， 不 会 出现压力骤升的情况， 能有效防止气穴的产生 。 参考文献 ： [ 1 ] 阎庆线， 李永业， 孙西欢． 泵系统非调节工况特性 [ C] ／ ／ 第二十届全国水动力学研讨会文集． 太原： 太原理工大 学 ， 2 0 0 0： 4 9 4— 5 0 1 ． [ 2 ] 乔中华， 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