費(fèi)立凱,沈 峰,白 寧,高 彬,龔春鳴,雍興平,佟延文
(1. 國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 102209;2. 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110869)
基于RELAP5的主泵試驗(yàn)臺(tái)架建模及特性分析
費(fèi)立凱1,沈 峰1,白 寧1,高 彬1,龔春鳴1,雍興平2,佟延文2
(1. 國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 102209;2. 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110869)
本文依據(jù)大功率壓水堆主泵及試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)參數(shù),通過(guò)RELAP5程序建立主泵試驗(yàn)臺(tái)架模型。并依據(jù)主泵樣機(jī)試驗(yàn)規(guī)范對(duì)熱態(tài)試驗(yàn)、惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)、汽蝕試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬分析。通過(guò)與熱態(tài)試驗(yàn)、惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況的理論值比較,驗(yàn)證RELAP5建模的準(zhǔn)確性。對(duì)于惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況,記錄惰轉(zhuǎn)流量、揚(yáng)程隨時(shí)間的瞬態(tài)變化。對(duì)于汽蝕試驗(yàn)工況,隨著體積流量的減小,發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的入口壓力減??;并且可以較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的壓力點(diǎn)。通過(guò)對(duì)主泵試驗(yàn)工況的模擬分析,證明RELAP5模擬主泵試驗(yàn)具備一定的適用性,可為主泵試驗(yàn)提供指導(dǎo)。
主泵模型;RELAP5;汽蝕試驗(yàn)
大功率先進(jìn)壓水堆是我國(guó)第三代核電技術(shù)自主創(chuàng)新的標(biāo)志[1]。目前,已完成大功率壓水堆主泵(以下簡(jiǎn)稱“主泵”)初步設(shè)計(jì)。從技術(shù)和進(jìn)度角度來(lái)看,主泵試驗(yàn)臺(tái)是制約主泵研發(fā)的關(guān)鍵因素[2,3]。為此,設(shè)計(jì)高標(biāo)準(zhǔn)的主泵試驗(yàn)臺(tái)架,完成主泵的關(guān)鍵試驗(yàn)尤為重要。但有的關(guān)鍵試驗(yàn)是具有一定破壞性的,例如:汽蝕試驗(yàn)是驗(yàn)證主泵性能特性曲線的重要試驗(yàn)。但是由于汽蝕試驗(yàn)不僅在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)和噪音,而且在固體表面上產(chǎn)生很高的局部沖擊應(yīng)力,導(dǎo)致材料表面破損,對(duì)主泵樣機(jī)和試驗(yàn)臺(tái)架都具有很大的破壞性。因此,更需要數(shù)值模擬的方法,確定主泵試驗(yàn)臺(tái)架具備試驗(yàn)?zāi)芰?,為主泵試?yàn)提供理論支持,為關(guān)鍵試驗(yàn)提供保障。
目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)主泵試驗(yàn)臺(tái)架及關(guān)鍵試驗(yàn)開(kāi)展的數(shù)值研究較少,本文主要是針對(duì)主泵試驗(yàn)臺(tái)架,采用RELAP5mod3.4程序,對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行準(zhǔn)確建模,并根據(jù)核主泵樣機(jī)試驗(yàn)規(guī)范,模擬熱態(tài)性能試驗(yàn)、惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)、汽蝕試驗(yàn)等主泵試驗(yàn)工況。不僅驗(yàn)證RELAP5程序模擬主泵試驗(yàn)是具有適用性的,也為主泵試驗(yàn)提供指導(dǎo)。
主泵是主泵試驗(yàn)臺(tái)架中的最核心部件,也是模型等效的技術(shù)難點(diǎn)。主泵的全特性曲線(又稱四象限特性曲線)表征泵的不同運(yùn)行狀態(tài),泵的運(yùn)行模式如表1所示。在RELAP5程序中,是通過(guò)揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、流量、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的設(shè)計(jì)值進(jìn)行無(wú)量綱化[4,5](實(shí)際值與額定值之比)。即得到轉(zhuǎn)速比α、流量比v、揚(yáng)程比h、轉(zhuǎn)矩比β。作為RELAP5主泵模型輸入?yún)?shù),用于模擬泵的全特性曲線。其中以HAN和HVN曲線為例,HAN和HVN是泵正常運(yùn)行時(shí)的揚(yáng)程曲線。其中HAN曲線是以v/α為橫坐標(biāo),h/α2為縱坐標(biāo)(HAN曲線);HVN曲線是以α/v為橫坐標(biāo),h/v2為縱坐標(biāo),如圖1所示。
表1 泵的運(yùn)行模式Table 1 The operation mode of coolant pump
圖1 主泵HAN、HVN曲線Fig.1 HAN and HVN curve of main pump
(1)
其中摩擦力矩如公式2所示。M0、M1、M2、M3為常數(shù),wR為主泵額定轉(zhuǎn)速。
(2)
由此建立完整的主泵仿真模型,可以進(jìn)行主泵的測(cè)試試驗(yàn),開(kāi)展穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算。
試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)分為主回路和輔助回路。其中主回路由屏蔽電機(jī)主泵、主調(diào)節(jié)閥、文丘里流量計(jì)組成,輔助回路是由供壓泵、壓力釋放閥、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、過(guò)濾裝置等組成,如圖2所示。
圖2 試驗(yàn)回路示意圖Fig.2 The schematic diagram of test bench loop
在建模過(guò)程中,文丘里流量計(jì)等效為漸縮漸擴(kuò)管,水力部件為104、106;主調(diào)節(jié)閥起到主回路阻力調(diào)節(jié)的作用,水力部件為224、225;輔助回路中的供壓泵和壓力釋放閥起到回路穩(wěn)定壓力的作用,等效為穩(wěn)壓器,水力部件為301;加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)起到回路溫度調(diào)節(jié)作用,等效為熱構(gòu)件,分別為210,220,230。其余管道按照實(shí)際尺寸進(jìn)行等效,局部損失系數(shù)參照流體力學(xué)中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)設(shè)置。由于核主泵試驗(yàn)的冷卻劑為單相,如涉及兩相流,采取在單相流基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的方法[6,7]。綜上所述,主泵試驗(yàn)主輔回路節(jié)點(diǎn)圖,如圖3所示。
熱態(tài)性能試驗(yàn)工況是主泵穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)工況,其入口壓力為15.5MPa,入口溫度為284.3℃以下[8]。又由于額定流量和轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系,如公式3所示:
(3)
式中:Q1表示額定流量,n1表示額定轉(zhuǎn)速。額定揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速的平方呈正比關(guān)系,如公式4所示:
(4)
圖3 試驗(yàn)回路節(jié)點(diǎn)劃分Fig.3 Nodalization diagram of test bench loop
表2 不同頻率下額定流量和額定揚(yáng)程的理論值Table 2 Theoretical values of rated flow and rated head at different frequencies
在熱態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)達(dá)到額定流量時(shí),RELAP5模擬得到的主泵揚(yáng)程值和理論值是相同的,如圖4所示。模擬值與理論值基本吻合,驗(yàn)證RELAP5建模的準(zhǔn)確性,并證明RELAP5程序模擬核主泵試驗(yàn)是具有一定的適用性。
圖4 不同頻率下的額定揚(yáng)程Fig.4 Rated head at different frequencies
主泵斷電是主泵最嚴(yán)重的事故之一,斷電后,發(fā)生惰轉(zhuǎn)現(xiàn)象。惰轉(zhuǎn)流量試驗(yàn)就是驗(yàn)證在主泵失去電源后,主泵飛輪、葉輪以及泵軸等組成的轉(zhuǎn)子組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的非能動(dòng)惰轉(zhuǎn)能量。本文首先采用理論模型計(jì)算方法驗(yàn)證RELAP5建模準(zhǔn)確性,通過(guò)RELAP5程序模擬主泵惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程。
3.2.1 理論模型計(jì)算
根據(jù)公式1,忽略摩擦力矩Mf,主泵斷電后,主泵失去電磁力矩,則有:
(5)
假設(shè)試驗(yàn)回路流動(dòng)慣性對(duì)惰轉(zhuǎn)性能沒(méi)有影響,則有:
P=Mw
(6)
(7)
式中:η為主泵效率,P為功率。通過(guò)式(7)可以得到瞬時(shí)流量與額定流量的比值隨時(shí)間的變化關(guān)系,瞬時(shí)流量降至額定流量一半的時(shí)間為7.9s,如圖5所示。從圖5中可以得到,理論模型結(jié)果與RELAP5程序計(jì)算結(jié)果基本吻合。驗(yàn)證RELAP5建模的準(zhǔn)確性。
圖5 惰轉(zhuǎn)流量理論值與計(jì)算值比較Fig.5 Comparing of theoretical value with calculated value on coastdown flow
3.2.2 惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況計(jì)算結(jié)果
根據(jù)主泵樣機(jī)試驗(yàn)規(guī)范[8],使用上述建模方法,模擬主泵惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)。其主泵惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)的工況要求:穩(wěn)態(tài)調(diào)試100s,滿足表3的穩(wěn)態(tài)工況條件。當(dāng)100s時(shí),給予主泵觸發(fā)停泵信號(hào),其回路流量隨時(shí)間的變化,如圖6所示;揚(yáng)程隨時(shí)間的變化,如圖7所示。
表3 試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)工況參數(shù)Table 3 Test conditions
圖6 體積流量隨時(shí)間的瞬態(tài)變化Fig.6 Variation of volume flow at different moment of inertia
圖7 揚(yáng)程隨時(shí)間的瞬態(tài)變化Fig.7 Variation of head at different moment of inertia
主泵汽蝕試驗(yàn)(NPSHR)是驗(yàn)證主泵性能特性曲線的重要試驗(yàn)。但由于汽蝕試驗(yàn)對(duì)主泵樣機(jī)和試驗(yàn)臺(tái)架都具有很大的破壞性。因此,可以通過(guò)RELAP5程序模擬汽蝕試驗(yàn),預(yù)測(cè)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的壓力點(diǎn),進(jìn)而保護(hù)主泵和試驗(yàn)臺(tái)架。
汽蝕試驗(yàn)的回路入口壓力為2.7MPa,回路入口溫度為93℃,參照主泵樣機(jī)試驗(yàn)規(guī)范要求[8],模擬五個(gè)不同的體積流量工況,如表4所示。模擬方法:通過(guò)降低入口壓力直至發(fā)生汽蝕現(xiàn)象,本文從入口壓力2.7MPa依次降低到2.5MPa、2.0MPa、1.5MPa、1.0MPa、0.5MPa、0.4MPa、0.35MPa、0.31MPa、0.3MPa、0.29MPa、0.28MPa、0.27MPa、0.25MPa,直至發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范中汽蝕現(xiàn)象試驗(yàn)判斷準(zhǔn)則進(jìn)行判定,其準(zhǔn)則如下:(1)揚(yáng)程損失超過(guò)3%;(2)入口溫度變化超過(guò)10℃;(3)體積流量發(fā)生明顯改變。其中,揚(yáng)程損失超過(guò)3%是最重要的判定準(zhǔn)則。
表4 汽蝕試驗(yàn)工況Table 4 Cavitation test conditions
圖8至圖10分別是五個(gè)工況的揚(yáng)程、溫度、體積流量變化。從圖中可以看出,對(duì)于工況1(壓力為2.7MPa,體積流量為17140 m3/h,溫度為370K),當(dāng)入口壓力為0.3MPa時(shí),體積流量為16542 m3/h,溫度是387K,揚(yáng)程為43.88m;其與穩(wěn)定值比較,揚(yáng)程降低23.4%,超過(guò)揚(yáng)程損失3%,溫度變化超過(guò)15.4K,體積流量降低3.5%,證明工況1發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。同理,工況2、工況3、工況4、工況5發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的入口壓力分別為0.3MPa、0.29MPa、0.28MPa、0.27MPa,如表5所示,表明發(fā)生汽蝕現(xiàn)象時(shí),體積流量、揚(yáng)程與穩(wěn)態(tài)工況相比,降低百分比,用負(fù)號(hào)表示降低;溫度與穩(wěn)態(tài)工況相比,升高差值。
圖8 不同初始?jí)毫Φ膿P(yáng)程變化Fig.8 Head of different initial pressure
圖9 不同初始?jí)毫Φ臏囟茸兓疐ig.9 Temperature of different initial pressure
圖10 不同初始?jí)毫Φ捏w積流量變化Fig.10 Volume flow of different initial pressure
表5 不同工況發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的性能參數(shù)Table 5 The performance parameters of cavitation in different conditions
從表5可以得到,主泵在36Hz下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的入口壓力基本保持一致,隨著體積流量的減小,發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的入口壓力減小。
本文依據(jù)主泵設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)行參數(shù)無(wú)量綱化,表征泵的全性能特性曲線,建立主泵模型。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)部件,建立試驗(yàn)臺(tái)架模型。依據(jù)主泵樣機(jī)規(guī)范,對(duì)主泵熱態(tài)性能試驗(yàn)、惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)、汽蝕試驗(yàn)工況進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明:
(1) 通過(guò)與理論值的比較,證明RELAP5模擬主泵試驗(yàn)是具備一定的適用性,同時(shí)驗(yàn)證RELAP5程序建模合理。
(2) 汽蝕試驗(yàn)對(duì)于主泵和試驗(yàn)臺(tái)架是具有破壞性的,可以使用RELAP5程序進(jìn)行模擬計(jì)算。預(yù)測(cè)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的壓力點(diǎn),在保護(hù)主泵和試驗(yàn)臺(tái)架安全的原則下,為汽蝕試驗(yàn)提供指導(dǎo)作用。
(3) RELAP5程序可以準(zhǔn)確模擬主泵試驗(yàn)工況,驗(yàn)證主泵試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)?zāi)芰?,并為主泵試?yàn)提供技術(shù)支持和指導(dǎo)作用。
[1] 林誠(chéng)格,郁祖盛,歐陽(yáng)予. 非能動(dòng)安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)[M]. 原子能科學(xué)技術(shù),2010,370-384.
[2] 付強(qiáng),習(xí)毅,朱榮生,等. AP1000核主泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù),2015,49(9):1648-1654.
[3] 秦武,李志鵬,沈宗沼,等. 核反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)泵的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 水泵技術(shù),2007(3):1-6.
[4] K.E. Carison,et al. RELAP5/MOD Code Manual,vol III:Developmental Assessment Problems[R]. NUREG/CR-5535,EGG-2596,EG&G Idaho,Inc.Idaho Falls,Idaho,June. 1990.
[5] 郭玉君,張金玲,秋穗正,等. 反應(yīng)堆系統(tǒng)冷卻劑泵流量特性計(jì)算模型[J].核科學(xué)與工程,1995,15(3):220-225.
[6] R.L. Moore,et al. RELAP5/MOD3 Code Manual,vol VII:Summaries and Reviews of Independent Code Assessment Reports[R]. formally NUREG/CR-5535,SCIENTECH,Inc.,Rockville,Maryland,Idaho Falls,Idaho,March,1998.
[7] D. C. Kolesar,B. D. Stitt,H. Chow. Exxon Nuclear Company Evaluation Model,EXEN PWR Small Break Model[R]. Proprietary Report XN-NF-82-49(P),Revision 1,June 1986.
[8] 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司,哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司. 大功率壓水堆主泵樣機(jī)試驗(yàn)規(guī)范[R]. 2014.
ModelingandAnalysisofReactorCoolantPumpTestBenchBasedonRELAP5Code
FEILi-kai1,SHENFeng1,BAINing1,GAOBin1,GONGChun-ming1,YONGXing-ping2,TONGYan-wen2
(1.State Power Investment Central Research Institute,Beijing 102209,China;2. Shen Yang Blower Works Group Corporation,Shenyang,Liaoning 110869,China)
According to design parameters of high-power PWR coolant pump and test bench,test bench system was modeled by REALP5 code. And thermal test,coasting test,cavitation test were simulated and analyzed,based on the test specification of reactor coolant pump prototype. Modeling method was of accuracy by comparing theoretical value. coasting flow and head were recorded with the calculated values in the coasting test. In addition,the inlet pressure of occurring cavtitation was smaller in the cavitation test with smaller volume flow. And the pressure of occurring cavtitation was accurately predicted. According to the modeling and analysis,RELAP5 is basically feasible for test of reactor coolant pump,and the results provide theoretical guidance for test of reactor coolant pump.
Reactor coolant pump model;RELAP5;Cavitation test
2017-04-18
國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2015ZX06002003)
費(fèi)立凱(1988—),男,北京人,工程師,從事反應(yīng)堆安全分析及試驗(yàn)技術(shù)研究
TL353
A
0258-0918(2017)06-0936-07