刘伟，于沛
（中国核电工程有限公司，北京100840）
摘要：本文通过汽锤力载荷的简化计算方法求解汽锤载荷力、应用PIPENET软件对国内某三代核电厂蒸汽发生器到主燕汽母管之间的蒸汽发生器系统进行建模，利用瞬态计算功能模拟汽锤发生及衰减过程，给出最大汽锤压力、管系中最大汽锤载荷、该载荷发生的时间及管道位置，并与西屋公司的管道 应力计算文件进行对比分析，验证了该计算方法，
美键词：汽瓣；蒸汽发生器系统；PIPENET：直管段
中图分类号：TL3 文献标识码：A
文章编号：0258-0918（2015）02-0230-06
Calculationfor theSteamHammer ofPipenet-Based AP1000MainSteamSystem
LIU Wei YU Pei
(China Nuclesr Power Engineering Co. Ltd. Beijing100840 China)
Abstract;Steam hammer load is solved though the simplified calculation.And amathematical model of main steam system in a domestic generation three nuclear powerplant is established using PIPENET software and the model established from steam generator outlet to main steam header. Steam hammer occurrence and reduction issimulated through transient calculating function. Parameters are calculated includingthe maximum steam hammer pressure maximum steam hammer load occurrence timeand position of maximum steam hammer load. And pared with Westinghouse piping stress caleulation report the calculation method has been verified.
Key words: steam hammeri steam generator system; PIPENET; straight pipe
游的阀门快速关闭时，阀门前流体的压力会骤为汽锤现象.虽然，目前依据我国某二代在 压水堆核电厂流体流动的管道，当处于下产生冲击，并有可能造成严重破坏，这种现象称
然升高，并以压力波的形式向上游传播，对管系役核电厂的经验，电站中重要或主要的大
管道中未出现汽锤现象，并尚未对管道和阀门 产生影响.但是，在核电站设计过程中，汽锤现象不能忽视.特别是：在主蒸汽管道高速输送燕汽时，如果出现蒸汽压力低等自动信号或手动信号，会快关主蒸汽隔离阀，以保证一回路安 全性；另外，在主蒸汽管道破裂等事故工况下，也会导致阀门快关，这种阀门的快关动作会引起汽锤现象.AP1000堆型是由美国西屋公司研发的两环路百方千万级压水堆核电站，它是第一个获得美国核管会最终设计批准的第三代 核电设计，在其管道应力计算分析报告中，将核岛主蒸汽管道在主蒸汽隔离阀快速关闭时产生的汽锤载荷纳人管道分析的范畴.因此，为了保证蒸汽发生器系统安全运行，也为能更 好地消化吸收第三代核电技术，掌握汽锤计算方法，开展蒸汽发生器系统中主蒸汽部分的汽锤计算是十分必要的：正确地计算汽锤的大小，对于核电站的安全运行是十分有益的，为了能 清楚地了解汽锤对主蒸汽管道设计的影响，本文首先应用汽锤力载荷的简化计算方法计算汽锤载荷：然后通过PIPENET软件对国内某三代核电厂蒸汽发生器到主蒸汽母管之间的蒸汽主蒸汽隔离阀前汽锤发生及衰减过程，并将计 发生器系统进行建模，利用瞬态计算功能模拟算结果与美国西屋公司的计算结果进行对比分析.
1汽锤力载荷的简化计算
1.1汽锤力载荷的简化计算方法
详细的汽锤分析一般需要计算机程序进行的作用力和管系的变化情况，在有些文献中0 暂态动力分析和时间延续分析，从而确定汽链也给出了计算汽锤力载荷的简化方法，为了能够清楚地了解汽锤对核电厂管道设计影响，本文以核电厂主蒸汽隔离阀前的主燕汽管道的研学模型前，要先进行一些假设：假设整个计算过 究为对象，进行汽锤力的简化计算，在建立数程中湿度恒定，蒸汽视为理想气体，流体单一流动无摩擦，管道中阀门、弯管、三通等管件动力提失忽略不计.由气体定常运动的连续性方程及动量方程简化可得到：
（1）蒸汽压力波的传播速度为：
式中：C表示压力波传播速度，m/sR=C，/C.，C，表示蒸汽的定压比热：C、表示蒸汽的定容比热；R表示过热蒸汽的绝热指数，R-1.31；P表示管道流体运行压力，Pa；v表示蒸汽比 容，m²/kg.
（2）机组满负荷运行时，管道流体流速为：
式中：Q表示管道蒸汽流量，kg/siA表示管道的流通截面积，m²；V表示管道流体流速，m/s.
（3）某一段直管道上两端的压力差为：
式中：△P表示直管两端的压差，Pa表示蒸汽密度，kg/m.
（4）某一段直管道上的最大不平衡力为：
式中：F表示最大不平衡力，N；1.05为裕量系数.上式表示了在某一管系中，若在某一足够长的直管上能够产生一个完整的压力波，则 在此直管上存在最大冲击压力.
（5）某一段直管道上的瞬时不平衡力为：
式中：F，表示暂态不平衡力，NL表示系统中直管道长度，m；t表示阀门关闭时间，s.
在上述计算中，如果瞬时不平衡力大于最大不平衡力说明管系中直管道很长，足以能够 实现压力波的一次传播，实现压力波一次传播的临界直管长度为L.=C×r.在核电厂管道布置上，应尽量避免过长的管道布置，防止在管道上出现最大不平衡力.
1.2主蒸汽隔离阀前直管段汽锤力载荷简化 计算
本节以国内某三代核电厂主蒸汽隔离阀前直的主蒸汽管道为例计算的汽锤力载荷.
蒸汽发生器出口为饱和蒸汽，可查得蒸汽密度为 蒸汽发生器出口最大蒸汽压力为7.58MPs，39.96kg/m²，代人式（1）得：蒸汽压力波的传播速度C为498.5m/s；蒸汽流量为952.54kg/s，管道面积为0.603m，代人式（2）得：管道流体流速V为39.5m/s；将波传播速度和流速代人式 （3）得：直管段两段压差为0.826MPa；将波传
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
播速度和流量代人式（4）得：安全壳外直管段的前直的主蒸汽管道L为23.45m，阀门关闭时间：为0.1s，代人式（5）得：安全壳外直管段的瞬时不平衡力F为234.5kN；临界直管段长度 为49.8m，目前该电厂的主蒸汽隔离阀前直管段长度小于临界直管段长度，管系内不会产生最大不平衡力，由于在上述理论计算中假定蒸汽密度不变，且无法考虑管道布置、安全阀设置析可见本文第2.2节.因此，下面采用 等重要影响因素，该计算结果相对保守，详细分PIPENET软件对管道汽锤现象进行模拟.
最大不平衡力F为498.6kN；主蒸汽隔离阀蒸汽管网系统的动态工况模拟分析等.在参考 动分析、设备动态分析响应及选型、各类液相和文献[5]中，使用PIPENET软件进行汽锤力计算，将其与简化计算结果进行比较，认为软件计算结果更为精确，并应用于实际的工程设计.
由于蒸汽压力、流量、阀门关闭时间、管系的质量、刚度等参数对汽锤力有较大的影响，所以PIPENET在流体计算时需要准确模报阀门关闭过程、阀门的C，值、蒸汽的体积模量等参数.
2.2建立模型
根据国内某三代核电厂蒸汽发生器系统中主蒸汽管道建立PIPENET管网模型，以主蒸汽隔离阀快关为研究对象，选取的研究范围从 蒸汽发生器出口到主蒸汽隔离润下游的主蒸汽母管，选用的计算工况与理论计算选用工况一致：蒸汽最大流量为952.54kg/s，主蒸汽隔离闵侧的最大运行压力为7.58MPa.建立的模型如图1所示.
2应用PIPENET软件计算管道 汽锤载荷
2.1PIPENET软件说明
PIPENET是英国SUNRISE公司开发的流体计算软件，含几个模块，其中的TRANSIENT模块可用来进行一维流体的暂态分析.具体应 用于水击和汽锤分析、泵阀的启停设计、管道报
图1PIPENET管网模型图Fig. 1 PIPENET setworlk model
口压力恒定不变，为7.3MPa；节点21～节点每个系统都有人口节点和出口节点，需要26、节点56、节点41、节点60、节点36、节点40、 节点46表示的是主蒸汽安全阔出口，其压力为汽发生器的出口，它们作为主蒸汽管道的蒸汽0.1MPa节点26、节点42表示的是大气排放阔出口：其压力为2.5MPa.
2.3设置起始节点属性
设置它们的属性，节点1、节点44表示的是蒸人口，假定在电厂正常运行期间其出口流量恒道的蒸汽出口，假定在电厂正常运行期间其出
定不变，为952.54kg/s；节点30表示的是主蒸2.4设置阀门属性
汽隔离阅下游的主蒸汽母管，它作为主蒸汽管2.4.1安全阀
安全润在超压下会自动打开卸压，保护管
道系统.主蒸汽安全阀的整定值和流量系数进 行设置如表1所示，
表1主蒸汽安全阀整定值及排量A jo p od I a
闽门编码 整定压力/MPag 排量/（t/h)2 13 1 12 8. 170 599 6083 14 8. 253 8. 336 6124 8 8. 418 6175、9 8 494 6216 10 8. 494 621
2.4.2大气排放阀
大气排放阀在电厂正常运行期间执行超压保护功能，在此工况下阀门的调节功能不需要模拟，其整定压力为7.95MPa；流量系统按照额定工况 可设置为安全阀.阀门7、阀门11为大气排放阀，下流量进行模拟，约为350USgal/min.psi
2.4.3主蒸汽隔离阀
属性，一是阀门自身属性包括阀门的流通能力， 主蒸汽隔离阀是操作阀门，需要设置两个另一个是操作属性，关闭时间设定为0.1s.阀门的流通能力可通过阀门全开摩阻系数和阀门流通面积来表征；在计算时设置阀门在0.5s全部关闭， 前一直保持开启，在0.5s时刻开始关闭，0.6s
3计算结果分析
3.1主蒸汽隔离阀前管道压力流量特性
由于两台蒸汽发生器对应的主蒸汽管道内流体在主蒸汽隔离阀关闭时特性基本一致，下面以1号蒸汽发生器为例分析汽锤现象，如图2所示.
一流量运行时，主蒸汽隔离阀突然关闭时会出 由图2可以看出，在蒸汽发生器系统以某现明显的汽锤现象.0.5s前主蒸汽隔离阀处于开启状态，0.5s至0.6s之间主蒸汽隔离阀关闭，主蒸汽隔离阅的快速关闭会导致阅门上 游管道的压力突然升高，在阀门关闭瞬间管道内会产生压力波动，阀门关闭过程中流量会减少，随着阀门关闭会出现流量波动，在波动的过
图2主蒸汽疆离阀前流体压力流量波动Fig. 2 Fluctuation of pressure and flow rate offluid in front of MSIV
程中不断损失减弱，最终达到稳定，这就是汽锤现象，在0.8s后会出现1个压力峰值，在0.8s前大气排放阀和主蒸汽安全阀逐一开启.
如图3所示大气排放阀和前五台安全阀在0.8s前全开，由于大气排放阀（PORV）和安全阀的开启流量可以带走蒸汽发生器产生的蒸汽，因此压力会在0.8s后逐渐下降，由于安全闵人口压力不断波动，安全阀流量也随之波动. 各安全阀流量如表2所示，主蒸汽隔离阀突然关闭会导致大气排放阀全开，5台安全阀逐渐打开，另外1台安全阀部分开启.
图3大气排放阀和主藏汽安全阀排量示意图Fig. 3 Sketch for discharge ofPORV and MSSV
表2大气排放阀和主蒸汽安全阀稳定后排量Table 2Discharge after PORVand MSSV go stable
蜂值点为8.77MPa，该蒸汽管道的设计压力为8.274MPa，不超过设计压力的1.3倍，所以可认为满足系统设计要求，但是根据《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定3：当运行中有证瞬态变化的安全性.因此，在主蒸汽隔离阀 压力波动并短时间超过设计压力时，还必须验快速关闭时，上游管道内压力分布改变，对管系产生冲击，需要重点关注管道受到的汽锤载荷.
安全阀1 设备 排量/（kg/s） 162.2 安全阀5 设备 排量/（kg/s) 162.2安全阀2 162.2 安全阀6 17.8安全阔3 安全阁4 162. 2 162.2 大气排放阀 124.8
锤压力标准，暂时可参考泵站设计规范中对水 由于现有蒸汽管道设计规定中没有提及汽锤压力的要求，由于汽锤或水锤产生的载荷持续时间短，所以在压力不超过设计压力1.3倍时可以满足设计要求.图2中计算得到的压力
3.2主蒸汽隔离阀前管道汽载荷
图4中给出模型中不同管道受到的汽锤载荷随时间的变化，图中“十”表示与介质流向相同，“-"表示与介质流向相反.表3给出了1号蒸汽发生器不同管道发生的最大载荷及对应的时间.
图4汽载荷随时间变化曲线
Fig. 4 Curve of steam hammer losd versus time（s） 1号管道 1# Line;（b) 2号管道 2#Line;(c)3号管道 3#Line;（d) 4号管道 4#Line
表31号SG不同管道量大载荷及发生时间Table 3 Maximum load of each pipeline andtime of occurrence on 1# SG
续表
最大力/N 时间/s 管号 最大力/N 时间/s5 67 652 0.8 9 16 319 0.67 6 194 04 20 407 0.79 0.79 10 11 16236 3219 0.6 0.68 168 62 0.81 12 9 258 0 6
管号 最大力/N 时间/s 台基 最大力/N时间/s1 2 122 309 506 07 t°o t°0 g 4 199 270 0.73 0.62
