基于Flowmaster的非能动安全壳冷却流量分配分析

基于Flowmaster的非能动安全壳冷却流量分配分析

王永亮

三门核电有限公司浙江台州317112

摘要：本文采用一维流体阻力计算软件Flowmaster搭建了非能动安全壳冷却系统的流量分配系统的模型，计算了不同情况下的72小时流量分配的情况，结果表明流量分配系统的设计是保守的。利用模型计算结果对流量分配试验和72小时试验进行了分析，提供了流量偏差调整的方法。

关键词：非能动安全壳冷却系统，流量分配系统

1非能动安全壳冷却系统简介

非能动安全壳冷却系统（PCS）的主要作用是在导致安全壳压力和温度升高的设计基准事故下，导出安全壳热量，降低安全壳压力和温度。事故后，非能动安全壳冷却能自动触发，与安全壳屏蔽厂房屋顶连为一体的非能动安全壳冷却水储存箱（PCCWST）借助重力将水分配到安全壳外表面，不需外部电源即可提供72小时的安全壳冷却。

PCCWST内有4根立管，按照不同的高度设计，每个立管上有一个流量孔板，孔板既提供节流，又提供流量测量所需的差压。4根立管汇集到6寸母管，再经3路隔离阀流向水分配盘。通过水箱的形状，立管高度和内径，孔板孔径的大小和液位的变化使冷却水流量自动减小，并满足安全分析的要求。

在调试阶段，需验证以下项目：

各路隔离阀单独开启时，PCCWST在初始液位和每根立管露出时，提供的流量都大于等于安全分析要求。

在3路隔离阀全部开启时，PCCWST能提供大于等于72小时的冷却水，且冷却水流量大于等于100.7gpm。

试验先在充水过程中进行流量分配试验验证各路隔离阀单独开启和全部开启的流量，从而确认管路流阻的正确性。在确认孔板不需要调整后，进行72小时试验，验证PCCWST能提供72小时的冷却水。若流量分配试验不合格，则需要调整孔板，流量变送器也需要调整。因此流量分配系统的准确性至关重要，有必要对流量分配系统进行精确的计算分析，为试验提供参考指导。

2Flowmaster模型搭建

2.1模型搭建

本文利用Flowmaster建立精确的系统模型，根据管道布置选取相应元件，并设置参数。按照PCCWST的尺寸参数，建立横截面与高度的曲线，建立PCCWST的模型。PCCWST箱体内有4根立管，而Flowmaster没有可用的模块，模型采用了单个水箱带1个出口管道的水箱模块，然后通过公共节点连接到4个立管，利用液位仪表和控制器控制虚拟阀门关闭的方式实现了立管在不同液位下露出的功能。

2.2模型输出结果

设置不同的初始液位，运行模型得到第72小时的流量和水流持续时间。在最高液位时，PCCWST可提供74小时35分钟的冷却水，在技术规范书要求的液位下，能提供73小时15分钟的冷却水，液位降到321ft时，也完全满足安全分析要求。在320.5ft时，PCCWST能提供72小时的冷却水，但第72小时流量不满足安全分析要求，当流量降低到320ft时，已不能提供72小时的冷却水。而PCS最低运行液位为321.07ft，有较大的裕量。

3流量分配试验和72小时试验分析

3.13路隔离阀全部开启时流量分析

根据计算结果，初始流量和前三根立管露出时，均有3%以上的裕量。第72小时的裕量较小，仅为1.34%。由于PCCWST的施工偏差、孔板的制造偏差、立管高度的安装偏差等情况，可能导致第72小时流量低于100.7gpm。

3.2各路隔离阀单独开启时流量分析

PCCWST出口采用了3路隔离阀，考虑了单一失效。各路隔离阀单独开启或3路隔离阀全部开启均应满足考虑安全分析要求。分别设置下游隔离阀的开度，运行模型后发现：

对于初始流量，由于流量较大，各路隔离阀单独开启时流动损失的增加相对较大，流量比全部开启时流量小8~13gpm，仍满足安全分析要求。但在C路隔离阀单独开启时，仅比安全分析流量高了2.85gpm，裕量较小。

对于3根立管露出时的流量，由于流量大大减小，仅单路隔离阀开启时流动损失的增加相对不大，流量比全部开启时流量小0.27~1.95gpm，均满足安全分析要求。C路隔离阀单独开启时相比其他2路略小，在3#立管露出时流量比安全分析流量大9.78gpm，仍有较大裕量。

由于72小时以前各路隔离阀单独开启时使用的水量较少，第72小时流量都较全开时增大，水流持续时间也有所延长。

3.3流量偏差分析

由以上分析可知，对于绝大部分需要测量的流量，流量分配系统的裕量较大，若系统不发生很大偏差，这些流量都能满足要求。而对于3路隔离阀全部开启时的第72小时流量和C路隔离阀单独开启时的初始流量，裕量较小。此时，若发生偏差过大等情况，有可能导致这两个流量不满足要求。

在发生流量不满足要求时，由于母管以下的管道流阻很小，在排除隔离阀开度的问题后，偏差可能是由PCCWST施工偏差、孔板制造偏差或立管高度偏差造成：

对于PCCWST施工偏差，若水箱容积增大，液位下降会略微减慢，各立管露出时间会略微延后，对流量分配是有利的。若水箱容积减小，因液位不变，对初始流量不会造成影响，按最大允许偏差调整水箱尺寸参数，运行模型显示，第72小时流量减小到101.76gpm，仍高于安全分析值1.06gpm。

对于立管高度偏差，由于各立管高度在移交前已委托建安进行了测量，不会出现较大偏差，且通过模型进行偏差分析，细微的偏差对上述两个流量影响很小。

孔板流阻在整个流阻中占很大比重，孔板的细微偏差会对流量产生很大的影响。

3.4孔板调整方法

流量分配试验完成后，若发现不满足验收准则的情况，则孔板需要调整，通过模型可以给出孔板需要调整到的局部阻力系数：

在第一个流量测量点，即3#立管露出时的流量，只有4#立管有水流，若测量流量与模型计算值有偏差，在4#立管增加一个阻力件，设定局部阻力系数（若流量偏大，可为负值），在当前液位下运行模型进行计算，若计算流量与测量流量不一致，则继续调整阻力件的局部阻力系数，直到模型计算的流量等于测量流量。

在第二个流量测量点，即2#立管露出时的流量，只有3#和4#立管有水流，无论测量流量是否与最初模型计算的流量是否一致，由于上一步4#立管的阻力发生了变化，都需要在上一步修改的模型基础上进行调整3#立管的阻力。

对于第三个流量测量点（1#立管露出时的流量）和第四个流量测量点(初始液位下的流量)，按上述方法分别完成2#立管和1#立管的调整。

当所有立管完成调整后，各立管增加的阻力件的局部阻力系数值，即为各对应孔板需要调整的局部阻力系数值的相反数。

4结论

本文利用Flowmaster搭建的非能动安全壳冷却系统的流量分配系统的模型，计算了不同情况下的72小时流量分配的情况，结果表明流量分配系统的设计是保守的。利用模型计算结果对流量分配试验和72小时试验进行了分析，提供了流量偏差调整的方法，为后续试验及其偏差处理提供了借鉴。

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