核電廠高壓安注系統再循環管線節流孔板的分析與改進

武曉航，王思遠

（中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450000）

高壓安注系統（JND）是核電廠最重要的安全系統之一，其主要功能是在一回路發生超過容積和硼濃度控制系統（KBA）正常補償能力的冷卻劑泄漏事故時，向一回路注入硼酸溶液。

在電廠正常運行期間，需定期進行JND 系統高壓安注泵小流量再循環試驗，目的是驗證泵的再循環管線的流量滿足設計要求，防止流量過低造成泵發生汽蝕。

1 再循環試驗流量波動及其原因

試驗過程為高壓安注泵從上游硼水貯存箱JNK10（40）BB001 抽取含硼水，將水增壓后沿再循環管線輸送回硼水貯存箱。圖1 為試驗的流程示意圖。

圖1 小流量再循環試驗流程示意圖Fig.1 The schematic of small flow recirculation

在電廠定期試驗過程中，多次出現流量計的流量值出現大幅波動并低于驗收標準值（11.1 kg/s）的情況。

由于該管道無外加振動負荷，流量計出現大幅度波動的最大原因是再循環管線上的節流孔板流道內部發生了物相變化，即閃蒸和空化現象[1]。發生空化的原因是液體在孔板內部分區域的壓力低于液體溫度對應的飽和壓力，液體發生了汽化。液體汽化后體積突然變大，會產生阻塞導致管道中流量下降，同時引起管道的振動并產生噪聲。

2 節流孔板的改進設計

為了解決再循環管線流量波動的問題，需要對再循環管線節流孔板進行改進設計，使新設計的孔板在滿足系統壓降和流量要求的前提下，避免空化現象的發生?？装宓脑O計包括確定孔板的流量、壓差、級數、孔徑和厚度等參數。

2.1 孔板壓降和流量計算

2.1.1 節流孔板流量值的選擇

根據JND 系統相關要求，再循環試驗時，將再循環回路的流量值≥14.58 kg/s 作為試驗的驗收準則，以此來判斷試驗是否合格。

2.1.2 再循環回路水力計算

（1）仿真建模

為了獲得節流孔板的壓降和流量，使用流體網絡計算軟件Flowmaster 建立再循環回路的仿真模型。建模使用的主要元件類型如圖2所示。

圖2 建模使用的主要元件Fig.2 Main components used for modeling

使用軟件中的Pump（Radial Flow）元件模擬高壓安注泵，將高壓安注泵的特性曲線輸入元件參數庫，使該元件能準確地模擬高壓安注泵的流量、揚程特性。

使用2-Armed Tank 元件模擬硼水貯存箱。需要輸入的參數有：水箱橫截面積、水箱高度、箱底標高、水箱液位等參數。

使用Loss（Discrete）阻力元件模擬孔板，通過設置阻力元件的阻力系數，使系統流量達到所需的流量值，這時阻力元件前后節點的壓力就是孔板前后的壓力。

使用的其他元件還有閥門、管道等。

最終建立的仿真模型如圖3 所示。

圖3 再循環回路仿真模型Fig.3 The recirculation loop simulation model

（2）模擬結果

運行仿真模型，得到相關模擬結果。圖 4為節點壓力變化趨勢，由圖可知高壓安注泵的出口壓力較高，通過孔板后壓力急劇降低。圖 5為系統流量曲線。

圖4 節點壓力變化曲線Fig.4 The pressure change curve of nodes

圖5 系統流量曲線Fig.5 The system flow curve

孔板水力計算模擬值與試驗值的對比情況如表1 所示。表中流量和壓力相對偏差的最小值為1.1%，最大值為2.7%，均在允許的模擬偏差范圍內，說明了本文所建立的仿真模型的準確性。

表1 孔板水力計算模擬值與試驗值的比較Table 1 Comparison of the simulation and test values of the orifice plate hydraulic calculation

2.2 判斷孔板空化的計算方法

當流體流過節流孔板的孔口時，流速會急劇增加，靜壓急劇減小。如果流體靜壓降低到流體溫度對應的飽和壓力以下，流體就會發生汽化，產生空泡，這就是孔板的空化現象。

當孔板前后的壓差不斷增大到某一值時，孔板就會發生空化，這時孔板流量不再隨壓差的增大而增大，因此稱孔板剛好發生空化的壓差為阻塞壓差。根據IEC 60534[2]和GB/T 17213[3]，孔板產生空化時孔板上下游壓力差（阻塞壓差，ΔPs）為：

式中：P1c——孔板上游溫度所對應的飽和蒸汽壓力，MPa；

P1——孔板上游壓力，MPa；

Pc——流體的絕對熱力學臨界壓力，MPa。

可用ΔPs作為判斷是否發生空化的一個標準。當ΔP＜ΔPs時，液體流過孔板不發生空化；當ΔP＞ΔPs時，液體流過孔板發生空化。再循環管線中液體溫度為70 ℃，相應溫度的水的熱力學參數如表2 所示。

表2 70 ℃水的熱力學參數Table 2 Thermodynamic parameters of 70 ℃ water

計算可得ΔPs為6.283 MPa，而孔板實際壓差為7.441 MPa，ΔP＞ΔPs，為避免孔板發生空化，應使用多級孔板。多級孔板能很大程度上避免空化現象，但如果級間壓降分配不合理，也可能發生空化。

2.3 孔板的級數確定和壓降分配

根據表1 中孔板總壓降和孔板的布置空間綜合考慮，結合相關設計經驗，初步判斷應使用3 級孔板結構。

多級孔板的壓降分配方法一般有兩種，第一種采用均分法，即將總壓降平均分配到每級孔板；第二種采用幾何級數分配法，多級孔板的壓降按幾何級數遞減[4]，即：

分別采用均分法和幾何級數分配法對孔板的總壓降進行分配，并與阻塞壓差Δ

Ps進行比較，判斷孔板是否會發生空化。計算結果如表 3和表4 所示。

表4 幾何級數壓降分配計算結果Table 4 Calculation results of the pressure drop distribution by the geometric series method

由表3 可知，當采用均分法進行壓降分配時，孔板的前兩級能滿足 ΔP＜ΔPs，但最后一級出現了 ΔP＞ΔPs的情況，即最后一級會發生空化。

表3 均分法壓降分配計算結果Table 3 Calculation results of the pressure drop distribution by the equalization method

由表4 可知，采用幾何級數法進行壓降分配時，孔板的每一級都能滿足 ΔP＜ ΔPs，即孔板的每一級都不會發生空化。但此時第三級孔板的壓降與阻塞壓差已比較接近，只有0.06 MPa 的裕量。

綜上可知，無論采用哪種壓降分配法，多級孔板各級的空化裕量（孔板阻塞壓差與實際壓差的差值）是逐級減小的。最后一級孔板的空化裕量最小，最容易發生空化。因此原則上應盡量減小最后一級孔板承擔的壓降?；诖?，在幾何級數壓降分配法的基礎上，對壓降分配進一步優化，適當減小最后一級的壓降，以增大最后一級的空化裕量。計算結果如表5 所示。

表5 優化后的壓降分配計算結果Table 5 Calculation results of the pressure drop distribution after optimization

由表5 可知，第3 級孔板的空化裕量由原來的0.06 MPa 增大到0.13 MPa，提高了第3 級孔板的抗空化能力。

2.4 孔板孔徑計算

限流孔板根據孔板的型式可分為有斜角和無斜角兩種，針對不同類型的孔板有不同的孔徑計算方法[5]。GB/T 2624.2—2006 中的計算方法適用于有斜角的標準孔板。HG/T 20570.15—95 中的計算方法可用于無斜角孔板的計算。由于本文中涉及的孔板為無斜角的多級孔板，所以應采用HG/T 20570.15—95[6]中的方法對孔板的孔徑進行計算。多級孔板的孔徑應根據各級的壓降逐級計算，單級孔板的孔徑按以下公式計算：

式中：d0——孔板孔徑，mm；

Q——工作狀態下通過孔板的體積流量，m3/h；

C——孔板流量系數，由雷諾數Re和孔徑與管道內徑之比d0/D查HG/T 20570-95 中圖6.0.1 求??；

ΔP——通過孔板的壓降，Pa；

γ——工作狀態下流體的相對密度，（工作狀態下流體密度與4 ℃水的密度之比）。

按公式（3）計算孔板的孔徑時，首先要查圖獲取孔板流量系數C，而孔板流量系數又與孔板的孔徑有關，因此孔徑計算是一個迭代計算的過程?？筛鶕涷炏燃俣ㄒ粋€C值代入公式（3）進行計算得到d0，根據計算得到的d0查圖再得到一個C值，將計算得到的C值與最初假定的C值進行比較，如果偏差在可接受范圍內，則計算結束，如果偏差超過一定范圍，則用計算得到的C值代入公式（3）再次計算，直到前后兩次的C值偏差在可接受范圍內為止。

根據3.1 節確定的孔板流量和3.3 節得到的孔板各級的壓降，采用公式（3）計算得到第1級孔板孔徑為 18.4 mm，第 2 級孔板孔徑為20.9 mm，第3 級孔板孔徑為29.2 mm。

2.5 孔板厚度計算

孔板的厚度可采用以下公式進行計算：

式中：Sc——孔板厚度，mm；

k，φ——孔板結構系數，一般分別取0.6 和0.85；

D——管道內徑，mm；

P——孔板設計壓力，MPa；

[σ]t——孔板鋼材在設計溫度下的許用應力，MPa。

孔板的設計壓力為8.0 MPa，設計溫度下材料的許用應力為200 MPa，管道內徑為73 mm。將以上參數代入（4）式中計算得到Sc=9.5 mm，圓整后得到孔板的厚度為10 mm。

3 結論

根據再循環管線的流量要求確定通過孔板的流量，利用Flowmaster 軟件對再循環回路進行水力計算得到孔板的總壓降，將多級孔板各級的壓降進行合理分配以避免孔板發生空化，最后對孔板的孔徑和厚度進行計算。改進后的節流孔板消除了再循環流量的異常波動，滿足系統工藝要求。本文通過對高壓安注系統再循環節流孔板的改進設計，主要得到如下結論：

（1）根據孔板上游壓力和溫度計算孔板的阻塞壓差，通過比較孔板壓差與阻塞壓差判斷孔板是否發生空化；

（2）使用均分法分配多級孔板的各級壓降，不能避免孔板發生空化；使用幾何級數分配法分配多級孔板的各級壓降，可以避免孔板發生空化；

（3）多級孔板各級的空化裕量（阻塞壓差與孔板壓差的差值）逐級減小。最后一級孔板的空化裕量最小，最容易發生空化。在幾何級數壓降分配法的基礎上，對壓降分配進一步優化，適當減小最后一級的壓降，可以增大最后一級的空化裕量和抗空化能力。