杨彬

摘要：针对某中国改进型三环路压水堆核电厂低压安注系统泵小流量管线定期试验过程中管线振动严重超标的问题，通过建立系统一维流体分析模型，分析了引起管线振动超标的根本原因。利用该模型计算确定了满足该机组定期试验流量要求的新孔板阻力，为多级孔板的设计提供了准确的输入数据。改造实施后的鉴定试验结果表明，该分析方法准确预测了改造后的水力情况，大幅减少了调试次数，有效地缩短了改造工期。

关键词： 一维流体分析;低压安注泵;小流量管线;汽蚀振动改造

压水堆核电厂低压安注系统泵小流量管线由于高压差孔板的存在，引起的管路振动超标问题频繁发生^[1]。目前针对此类减振改造，常用的处理方法是采用多级孔板降压，而多级孔板的设计是整个改造的关键。经验估算的方法常常导致实施过程中对孔板孔径的多次调整，而搭建1：1的水力台架试验虽然准确性高，但往往导致改造前期的工作量大、周期长，特别是搭建试验台架的成本高昂。

本文针对低压安注系统低压安注泵小流量管线减振改造过程中常见的水力处理方法的不足问题，结合某中国改进型三环路压水堆核电厂低压安注系统低压安注泵小流量管线减振改造方案，研究了一维流体分析在核电厂工艺系统改造中的应用^[2]。

1.水力模型搭建

本文利用Flowmaster软件，对低压安注小流量相应管线进行了整体建模。模型中换料水箱采用恒液位水箱元件模拟，泵采用离心泵元件模拟，孔板采用阻力元件模拟，阀门采用软件中相应的阀门元件模拟，回流至换料水箱气空间的边界采用压力元件模拟。

2.振动原因分析

由于孔板上游的压力表位于泵出口位置，距离节流孔板较远。为获取节流孔板前的准确压力值，利用建立的Flowmaster水力模型对低压安注泵定期试验时2种振动较高的工况进行了模拟，得到节流孔板上游的准确压力，如表1所示。

根据GB/T2624—2006^[3]及国际标准IOS5167-2^[4]，流量与压差的关系式为

整理后得到理论压差计算式为

式中：qm为质量流量，kg/s;β为孔板的孔径比;C为流出系数;ε为膨胀修正系数;ρ为液体密度，kg/m3;d为孔板孔径，m。

在试验工况下，流体介质为40℃的含硼水，孔板所在的管道内径D为0.0828m，孔板孔径d为0.0349 m，膨胀修正系数ε取1，流出系数取0.6011。通过以上参数计算出试验工况下孔板006DI和007DI的理论压差，计算结果如表2所示。

由表2中的数据可看出孔板006DI和007DI后的流体压力均低于该工况下流体的饱和蒸气压，此时孔板将发生汽蚀，因此可判定小流量管线产生振动的根本原因为节流孔板006DI和007DI发生了汽蚀。

3.振动改造方案及孔板设计

3.1振动改造方案

根据前文的根本原因分析，本次改造采用多级多孔孔板进行降压。具体改造方案为：保留原单级孔板006DI和007DI并将其扩为通孔，同时在其上游各加装1个五级多孔孔板;其中第一级设计为可拆卸式的单级孔板，其目的为在调试过程中可对其孔径进行调整以调节流量或弥补设计、制造误差。

3.2多级孔板阻力系数的确定

由于电厂定期试验时对低压安注泵小流量循环的流量有严格的准则要求，因此新增多级孔板阻力系数的合理准确对改造后的水力鉴定流量验收具有决定性的作用。

为了使模型与现场情况完全一致，在水力学模型中考虑系统阻力变化，并采用修正过的泵特性曲线^[5]。该水力模型类似于一个虚拟的1：1试验台架，在改造实施前的设计阶段，可通过对模型中多级降压孔板的阻力调整来预测不同的孔板阻力下的改造实施效果，最终通过方案对比可选取出一个满足定期试验准则的最优的孔板阻力系数，从而为多级孔板的设计制造提供准确的水力特性数据支撑。

通过在Flowmaster模型中的调整计算，最终确定出本次改造所用多级孔板较合理的阻力系数为K=63.75;

4.改造结果

改造完成后，现场试验结果表明减振效果明显，振动速度峰值由改造前的最大500 mm/s降低到改造后的A列3 mm/s、B列10 mm/s，均满足验收标准许可振动速度值20 mm/s的要求^[6]，如表4所示。同时改造后A列、B列的流量分别为125 m3/h、126 m3/h，均满足验收标准的要求;而且A列的模拟流量126.39 m3/h与实际值的误差仅1.11%，B列的模拟流量125.96 m3/h与实际值的误差仅-0.03%，如表5所示。本次改造的调试一次成功，大大缩短了调试工期。

5.结论

本文采用理论分析与Flwomaster软件模拟相结合的方法，分析确定了单级节流孔板的汽蚀是引起该核电厂RIS系统低压安注泵小流量管线定期试验振动超标的根本原因。同时结合减振改造方案，使用一维流体计算软件Flowmaster对改造后的小流量管线进行模拟，为多级孔板的设计提供了关键的水力特性参数。与以往的方法相比，本Flwomaster软件模拟分析方法可明显缩短调试工期，避免了建立试验台架的费用和工期投入。

良好的改造效果表明，利用Flowmaster软件建模计算的方法准确、可靠，对后续核电厂相关系统改造水力设计具有重要的借鉴意义。

参考文献

[1] Lin C W. Design Guide to Reduce Potential for Vibration Caused by Fluid Flow Inside Pipes-Review and Survey[R]. WRC Bulletin，1996.

[2] 李航. 发电厂中节流孔板孔径的新型计算方法[J]. 企业技术开发，2012，31（16）：79-81

[3] 国家标准化管理委员会. 用安装在圆形截面管道中的差 压装置测量满管流体流量：第一部分一般原理和要求：GB/T 2624—2006[S]. 北京：中国标准化出版社，2006：1-4.

[4] ISO 5167-2，Measurement of Fluid Flow by Means of Pressure Differential Devices. Organisation for Stan-Dardisation [S]. Geneva，2003.

[5] 赵斌，郭新海，李军，等. 低压安注泵特性曲线偏离的系统修正方法研究[J]. 核安全，2015，14（1）：45-49.

[6] 毛庆等，孔板气蚀诱发核级管道振动和噪声问题研究[J]. 核動力工程，2005，26（4）：356-359

（作者单位：1. 中广核研究院有限公司）