基于RELAP5的主泵試驗臺架建模及特性分析

費立凱，沈 峰，白 寧，高 彬，龔春鳴，雍興平，佟延文

(1. 國家電投集團科學技術研究院有限公司，北京 102209；2. 沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

基于RELAP5的主泵試驗臺架建模及特性分析

費立凱1，沈 峰1，白 寧1，高 彬1，龔春鳴1，雍興平2，佟延文2

(1. 國家電投集團科學技術研究院有限公司，北京 102209；2. 沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

本文依據大功率壓水堆主泵及試驗臺架設計參數，通過RELAP5程序建立主泵試驗臺架模型。并依據主泵樣機試驗規范對熱態試驗、惰轉試驗、汽蝕試驗工況進行模擬分析。通過與熱態試驗、惰轉試驗工況的理論值比較，驗證RELAP5建模的準確性。對于惰轉試驗工況，記錄惰轉流量、揚程隨時間的瞬態變化。對于汽蝕試驗工況，隨著體積流量的減小，發生汽蝕現象的入口壓力減??；并且可以較準確預測發生汽蝕現象的壓力點。通過對主泵試驗工況的模擬分析，證明RELAP5模擬主泵試驗具備一定的適用性，可為主泵試驗提供指導。

主泵模型；RELAP5；汽蝕試驗

大功率先進壓水堆是我國第三代核電技術自主創新的標志[1]。目前，已完成大功率壓水堆主泵(以下簡稱“主泵”)初步設計。從技術和進度角度來看，主泵試驗臺是制約主泵研發的關鍵因素[2，3]。為此，設計高標準的主泵試驗臺架，完成主泵的關鍵試驗尤為重要。但有的關鍵試驗是具有一定破壞性的，例如：汽蝕試驗是驗證主泵性能特性曲線的重要試驗。但是由于汽蝕試驗不僅在試驗過程中產生振動和噪音，而且在固體表面上產生很高的局部沖擊應力，導致材料表面破損，對主泵樣機和試驗臺架都具有很大的破壞性。因此，更需要數值模擬的方法，確定主泵試驗臺架具備試驗能力，為主泵試驗提供理論支持，為關鍵試驗提供保障。

目前，國內外針對主泵試驗臺架及關鍵試驗開展的數值研究較少，本文主要是針對主泵試驗臺架，采用RELAP5mod3.4程序，對試驗臺架進行準確建模，并根據核主泵樣機試驗規范，模擬熱態性能試驗、惰轉試驗、汽蝕試驗等主泵試驗工況。不僅驗證RELAP5程序模擬主泵試驗是具有適用性的，也為主泵試驗提供指導。

1 主泵模型等效

1.1 主泵全特性曲線

主泵是主泵試驗臺架中的最核心部件，也是模型等效的技術難點。主泵的全特性曲線(又稱四象限特性曲線)表征泵的不同運行狀態，泵的運行模式如表1所示。在RELAP5程序中，是通過揚程、轉速、流量、轉矩等參數的設計值進行無量綱化[4，5](實際值與額定值之比)。即得到轉速比α、流量比v、揚程比h、轉矩比β。作為RELAP5主泵模型輸入參數，用于模擬泵的全特性曲線。其中以HAN和HVN曲線為例，HAN和HVN是泵正常運行時的揚程曲線。其中HAN曲線是以v/α為橫坐標，h/α2為縱坐標(HAN曲線)；HVN曲線是以α/v為橫坐標，h/v2為縱坐標，如圖1所示。

表1 泵的運行模式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

1.2 主泵的轉動力矩模型

(1)

其中摩擦力矩如公式2所示。M0、M1、M2、M3為常數，wR為主泵額定轉速。

(2)

由此建立完整的主泵仿真模型，可以進行主泵的測試試驗，開展穩態和瞬態計算。

2 試驗系統及模型等效

試驗臺架系統分為主回路和輔助回路。其中主回路由屏蔽電機主泵、主調節閥、文丘里流量計組成，輔助回路是由供壓泵、壓力釋放閥、加熱系統、冷卻系統、過濾裝置等組成，如圖2所示。

圖2 試驗回路示意圖Fig.2 The schematic diagram of test bench loop

在建模過程中，文丘里流量計等效為漸縮漸擴管，水力部件為104、106；主調節閥起到主回路阻力調節的作用，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定壓力的作用，等效為穩壓器，水力部件為301；加熱系統和冷卻系統起到回路溫度調節作用，等效為熱構件，分別為210，220，230。其余管道按照實際尺寸進行等效，局部損失系數參照流體力學中經驗系數設置。由于核主泵試驗的冷卻劑為單相，如涉及兩相流，采取在單相流基礎上進行修正的方法[6，7]。綜上所述，主泵試驗主輔回路節點圖，如圖3所示。

3 計算結果與分析

3.1 熱態試驗計算結果與分析

熱態性能試驗工況是主泵穩態試驗工況，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速呈正比關系，如公式3所示:

(3)

式中：Q1表示額定流量，n1表示額定轉速。額定揚程和轉速的平方呈正比關系，如公式4所示:

(4)

圖3 試驗回路節點劃分Fig.3 Nodalization diagram of test bench loop

表2 不同頻率下額定流量和額定揚程的理論值Table 2 Theoretical values of rated flow and rated head at different frequencies

在熱態試驗過程中，當達到額定流量時，RELAP5模擬得到的主泵揚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，驗證RELAP5建模的準確性，并證明RELAP5程序模擬核主泵試驗是具有一定的適用性。

圖4 不同頻率下的額定揚程Fig.4 Rated head at different frequencies

3.2 惰轉試驗計算結果與分析

主泵斷電是主泵最嚴重的事故之一，斷電后，發生惰轉現象。惰轉流量試驗就是驗證在主泵失去電源后，主泵飛輪、葉輪以及泵軸等組成的轉子組件的轉動慣量產生的非能動惰轉能量。本文首先采用理論模型計算方法驗證RELAP5建模準確性，通過RELAP5程序模擬主泵惰轉試驗過程。

3.2.1 理論模型計算

根據公式1，忽略摩擦力矩Mf，主泵斷電后，主泵失去電磁力矩，則有：

(5)

假設試驗回路流動慣性對惰轉性能沒有影響，則有：

P=Mw

(6)

(7)

式中：η為主泵效率，P為功率。通過式(7)可以得到瞬時流量與額定流量的比值隨時間的變化關系，瞬時流量降至額定流量一半的時間為7.9s，如圖5所示。從圖5中可以得到，理論模型結果與RELAP5程序計算結果基本吻合。驗證RELAP5建模的準確性。

圖5 惰轉流量理論值與計算值比較Fig.5 Comparing of theoretical value with calculated value on coastdown flow

3.2.2 惰轉試驗工況計算結果

根據主泵樣機試驗規范[8]，使用上述建模方法，模擬主泵惰轉試驗。其主泵惰轉試驗的工況要求：穩態調試100s，滿足表3的穩態工況條件。當100s時，給予主泵觸發停泵信號，其回路流量隨時間的變化，如圖6所示；揚程隨時間的變化，如圖7所示。

表3 試驗穩態工況參數Table 3 Test conditions

圖6 體積流量隨時間的瞬態變化Fig.6 Variation of volume flow at different moment of inertia

圖7 揚程隨時間的瞬態變化Fig.7 Variation of head at different moment of inertia

3.3 汽蝕試驗計算結果與分析

主泵汽蝕試驗(NPSHR)是驗證主泵性能特性曲線的重要試驗。但由于汽蝕試驗對主泵樣機和試驗臺架都具有很大的破壞性。因此，可以通過RELAP5程序模擬汽蝕試驗，預測發生汽蝕現象的壓力點，進而保護主泵和試驗臺架。

汽蝕試驗的回路入口壓力為2.7MPa，回路入口溫度為93℃，參照主泵樣機試驗規范要求[8]，模擬五個不同的體積流量工況，如表4所示。模擬方法：通過降低入口壓力直至發生汽蝕現象，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，直至發生汽蝕現象。根據試驗規范中汽蝕現象試驗判斷準則進行判定，其準則如下：(1)揚程損失超過3%；(2)入口溫度變化超過10℃；(3)體積流量發生明顯改變。其中，揚程損失超過3%是最重要的判定準則。

表4 汽蝕試驗工況Table 4 Cavitation test conditions

圖8至圖10分別是五個工況的揚程、溫度、體積流量變化。從圖中可以看出，對于工況1(壓力為2.7MPa，體積流量為17140 m3/h，溫度為370K)，當入口壓力為0.3MPa時，體積流量為16542 m3/h，溫度是387K，揚程為43.88m；其與穩定值比較，揚程降低23.4%，超過揚程損失3%，溫度變化超過15.4K，體積流量降低3.5%，證明工況1發生汽蝕現象。同理，工況2、工況3、工況4、工況5發生汽蝕現象的入口壓力分別為0.3MPa、0.29MPa、0.28MPa、0.27MPa，如表5所示，表明發生汽蝕現象時，體積流量、揚程與穩態工況相比，降低百分比，用負號表示降低；溫度與穩態工況相比，升高差值。

圖8 不同初始壓力的揚程變化Fig.8 Head of different initial pressure

圖9 不同初始壓力的溫度變化Fig.9 Temperature of different initial pressure

圖10 不同初始壓力的體積流量變化Fig.10 Volume flow of different initial pressure

表5 不同工況發生汽蝕現象的性能參數Table 5 The performance parameters of cavitation in different conditions

從表5可以得到，主泵在36Hz下穩態運行，發生汽蝕現象的入口壓力基本保持一致，隨著體積流量的減小，發生汽蝕現象的入口壓力減小。

4 結論

本文依據主泵設計參數，進行參數無量綱化，表征泵的全性能特性曲線，建立主泵模型。根據試驗臺架系統部件，建立試驗臺架模型。依據主泵樣機規范，對主泵熱態性能試驗、惰轉試驗、汽蝕試驗工況進行分析研究。結果表明：

(1) 通過與理論值的比較，證明RELAP5模擬主泵試驗是具備一定的適用性，同時驗證RELAP5程序建模合理。

(2) 汽蝕試驗對于主泵和試驗臺架是具有破壞性的，可以使用RELAP5程序進行模擬計算。預測發生汽蝕現象的壓力點，在保護主泵和試驗臺架安全的原則下，為汽蝕試驗提供指導作用。

(3) RELAP5程序可以準確模擬主泵試驗工況，驗證主泵試驗臺架的試驗能力，并為主泵試驗提供技術支持和指導作用。

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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

國家科技重大專項資助項目(2015ZX06002003)

費立凱(1988—)，男，北京人，工程師，從事反應堆安全分析及試驗技術研究

TL353

A

0258-0918(2017)06-0936-07