水锤现象是在压力管道中, 由于流速的剧烈改变而引起动量转换, 从而在管道中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象, 水锤又称为水击^[1]。非预期的水锤现象, 特别是系统停运时可能产生的停泵水锤, 会对于整个供水系统管网的稳定造成危害, 轻则引起管道振动, 产生巨大的噪声, 重则破坏管路或阀门, 造成管网大量漏水和供水中断。

　　 在核电站设计中, 厂用水系统执行纵深防御功能, 是冷链的一个重要系统。开展厂用水系统管网停泵水锤的分析和计算, 掌握停泵水锤产生的原因, 对进一步研究管网水锤防护措施, 保证厂用水系统管网安全稳定有着重要的意义。

　　 AFT Impulse是一款功能强大的管网流体动态分析软件, 可计算管网中由水锤引起的瞬态压力及水击力大小。目前, 国内对于给水管网停泵水锤已有一定的理论研究和简易计算的方法^[2], 本文在此基础上, 利用AFT Impulse进行模拟, 采用控制变量的方法, 通过分别调整厂用水系统管网内停泵水锤的3个主要影响因素 (管网布置高程差、供水泵转动惯量和隔离阀关闭时间) 的对应参数, 研究厂用水系统停运时管网内压力波动和真空气穴的情况, 并进行相应的敏感性分析。

　　 参考某核电站厂用水系统管网的实际布置设计资料, 利用AFT Impulse进行模型搭建, 模型中的设计输入参数主要包括供水泵流量-扬程曲线、供水泵的转速和转动惯量;管道及部件的规格和阻力系数、管段的长度;各节点的标高等。在此基础上, 根据分析的需要对模型进行适当简化处理, 最终形成计算分析模型, 其流程如图1所示。

　　 该厂用水系统采用长轴泵作为厂用水泵, 管网布置从吸水流道开始至最终排放井, 管网内各节点标高一路抬高, 无明显驼峰, 通过软件模拟系统具体时间及动作过程为: (1) 0s:厂用水泵停止运行, 同时出口电动阀开始关闭; (2) 30s:出口电动阀处于全关状态; (3) 200s:系统波动停止, 处于稳定状态。

　　 经AFT Impulse计算分析, 初始状态下, 整个管网在厂用水泵停止运转后, 管网内部水压没有产生波动 (如图2所示) 。最高压力段为供水泵出口的管段, 水泵停止转动后, 该管段内的压力便随之下降, 之后管段内没有产生压力波动 (如图3所示) 。整个管网仅在管网的最高处产生了极小的气穴容量 (如图4所示) , 可以认为没有出现真空现象。

　　 从上述分析结果来看, 在系统停泵关阀工况下, 该厂用水系统管网不会发生停泵水锤, 原设计在设备选用、管道布置和参数设置方面均较为合理。

　　 目前, 该核电站厂用水系统J3点的标高为9.8m, 管网出口端标高11.5m, 即管道布置不存在较大的高程差和“驼峰”, 经计算分析, 管网内没有产生停泵水锤。因此, 为了进一步研究管网高程差对管网水锤的影响, 现将J3点的标高抬高至16.8m, 将管网出口端标高调整为7.0 m, 使得整个管网呈驼峰状布置, 同时增加管网的高程差, 并进行软件模拟和计算。

　　 经AFT Impulse计算分析, 整个管网在水泵停止运转后, 管网内部水压产生了很大的波动 (如图5所示) , 特别是电动阀出口管段的最高压力达到了0.9 MPa, 且在较长一段时间内持续波动 (如图6所示) 。主要由于水泵停止转动后, 使得系统也随之停止, 管网内的流体在管网的最高点产生了水柱分离, 一部分水流出系统的同时一部分水返回上游管段, 从而产生压力冲击并且持续振荡。随着管网水锤的产生, 局部管段还出现了较严重的真空现象, 全管段最大气穴容量达到了1.65 m³, 出现在管网的最高点处 (如图7所示) 。

　　 从上述分析结果来看, 在系统停泵关阀工况下, 当管网呈驼峰状布置、管网高程差较大时, 管网内会产生较严重的断流弥合水锤。因此, 在管网布置设计时可以考虑采用注水或注气等方式避免管网局部产生严重的真空, 同时缓解水锤带来的管网内压力波动。

　　 目前, 该厂用水系统采用长轴泵作为厂用水泵, 长轴泵具有转动惯量大的特点为200kg/m², 经计算分析, 管网内没有产生停泵水锤。选用长轴泵作为厂用水泵虽然有利于防止管网停泵水锤, 但需要土建配合设置专门的流道, 工程量大, 且长轴泵价格昂贵。于是, 有设计人员提出改用卧式离心泵作为厂用水泵的想法, 卧式离心泵价格便宜、安装方便, 但转动惯量小, 对防止管网停泵水锤不利。因此, 为了进一步研究转动惯量对管网水锤的影响, 现选用转动惯量相对较小的水泵 (取水泵转动惯量为100kg/m²) , 并进行软件模拟和计算。

　　 经AFT Impulse计算分析, 整个管网在水泵停止运转后, 管网中各点均发生了压力波动, 最高压力段为供水泵出口止回阀后的管段 (如图8所示) , 出现时间为电动阀关闭前、水泵停运后15s左右 (如图9所示) 。主要由于水泵转动惯量小, 当水泵突然停止转动的瞬间, 系统也随之急剧停止, 从而产生压力冲击。随着管网水锤的产生, 局部管段还出现了真空现象, 全管段最大气穴容量为0.038 m³, 出现在管网最高点附近 (如图10所示) 。

　　 从上述分析结果来看, 在系统停泵关阀工况下, 当所选用的水泵转动惯量较小时, 管网内会产生停泵水锤。因此, 在厂用水系统设计中, 设计人员如要采用卧式离心泵作为厂用水泵, 则应同时考虑采取相应的消除停泵水锤的措施。

　　 目前, 该厂用水系统供水泵出口电动阀的关闭时间为30s, 经计算分析, 管网内没有产生停泵水锤。为了进一步研究阀门关闭时间对管网水锤的影响, 现减小电动阀的关闭时间 (设置阀门关闭时间为10s) , 并进行软件模拟和计算。

　　 经AFT Impulse计算分析, 整个管网在水泵停止运转后, 管网内部水压产生了很大的波动, 特别是电动阀出口管段的最高压力达到了1.5 MPa (如图11所示) , 出现时间为电动阀关闭后15s左右 (如图12所示) 。主要由于水泵停止转动后阀门的突然关闭, 使得系统也随之急剧停止, 从而产生压力冲击。随着管网水锤的产生, 局部管段还出现了真空现象, 全管段最大气穴容量为0.037m³, 同样出现在电动阀出口管段 (如图13所示) 。

　　 从上述分析结果来看, 在系统停泵关阀工况下, 当设置水泵出口电动阀的关闭时间过短时, 管网内会产生较严重的关阀水锤。因此, 在厂用水系统的设计过程中, 对于泵出口电动隔离阀关闭时间的设置应经过计算确定, 避免停泵后关阀水锤的产生。

　　 利用现有模型, 输入不同的管网高程差值, 经AFT Impulse计算得到相应的管网水压峰值, 如表1所示, 并对应生成“管网高程差-管网压力峰值曲线”, 如图14所示。由此可见, 当管网呈驼峰状布置时, 随着管网最高点与管网出口端的高程差增加, 管网内的压力峰值也会随之上升, 且两者呈近似线性关系。

　　 利用现有的模型, 输入不同的水泵转动惯量值, 经AFT Impulse计算得到相应的管网水压峰值, 如表2所示, 并对应生成“水泵转动惯量-管网压力峰值曲线”, 如图15所示。由此可见, 随着水泵转动惯量的增加, 管网内的压力峰值会随之下降, 且两者呈近似线性关系, 但当水泵转动惯量增加到某一数值后, 管网内的压力峰值将不会再继续下降。因此, 在系统设计时应选用转动惯量大小合适的水泵, 而不应一味地要求设备厂家增加水泵的转动惯量来避免管网停泵水锤的产生。

　　 利用现有的模型, 输入不同的阀门关闭时间值, 经AFT Impulse计算得到相应的管网水压峰值, 如表3所示, 并对应生成“阀门关闭时间-管网压力峰值曲线”, 如图16所示。由此可见, 随着阀门关闭时间的增加, 管网内的压力峰值会随之下降, 且两者呈近似线性关系, 但当阀门关闭时间增加到某一数值后, 管网内的压力峰值将不会再继续下降。因此, 在系统设计时应合理设置阀门的关闭时间, 因为如果阀门关闭时间设置过短, 则可能导致管网在停泵时产生严重超压, 但如果阀门关闭时间设置过长, 不但对防止停泵水锤没有作用, 反而会影响系统的及时响应。

　　 (1) 当管网呈驼峰状布置、管网高程差较大时, 管网内会产生较严重的断流弥合水锤。因此, 核电站厂用水系统管网布置应避免较大高程差和“驼峰”, 如果这种情况不可避免, 那么在管网布置设计时可以考虑采用注水或注气等方式避免管网局部产生严重的真空, 同时缓解水锤带来的管网内压力波动。

　　 (2) 当所选用的水泵转动惯量较小时, 管网内会产生停泵水锤。因此, 在核电站厂用水系统设计中, 设计人员如要采用卧式离心泵作为厂用水泵, 则应同时考虑采取相应的消除停泵水锤的措施。

　　 (3) 当设置水泵出口电动阀的关闭时间过短时, 管网内会产生较严重的关阀水锤;但如果阀门关闭时间设置过长, 不但对防止停泵水锤没有作用, 反而会影响系统的及时响应。因此, 在核电站厂用水系统的设计过程中, 对于泵出口电动隔离阀关闭时间的设置应经过计算确定。