核電廠給水再循環(huán)閥設(shè)計(jì)布置研究范文

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摘要：對某核電廠主給水系統(tǒng)再循環(huán)閥的設(shè)計(jì)布置進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析引起再循環(huán)管道在啟泵瞬間突然跳動(dòng)并伴隨爆破聲的根源，以及泵組基礎(chǔ)錯(cuò)位及振動(dòng)超標(biāo)與再循環(huán)閥異常情況之間的關(guān)系，結(jié)果表明，多級籠式調(diào)節(jié)閥不能布置于有空氣殘留的高壓給水管道中，否則在啟動(dòng)階段將誘發(fā)破壞性水錘。通過優(yōu)化再循環(huán)閥的設(shè)計(jì)布置，最終解決了主給水系統(tǒng)的非正常啟動(dòng)問題。

關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)閥；多級籠式；管道水錘；設(shè)計(jì)布置

引言

再循環(huán)閥也稱最小流量調(diào)節(jié)閥，安裝于主給水泵出口至除氧器的再循環(huán)管線上。主給水泵將水從除氧器里吸出送往二回路。當(dāng)給水流量由于機(jī)組運(yùn)行工況而低于最小值時(shí)，將導(dǎo)致主給水泵內(nèi)的介質(zhì)汽化而使設(shè)備無法工作，甚至損壞[1]。為防止主給水泵過熱以及氣蝕產(chǎn)生，主給水泵的流量在任何情況下都必須控制在某一個(gè)安全流量之上，這個(gè)流量即是最小流量。再循環(huán)管道從除氧器的上方接入到除氧器。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行流量低至運(yùn)行限值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)打開再循環(huán)閥，將一部分高壓水從主給水泵出口經(jīng)再循環(huán)管線回流至除氧器，在局部進(jìn)行循環(huán)，使得主給水泵處于“待機(jī)”狀態(tài)，以保證主給水泵的安全運(yùn)行。本文主要研究再循環(huán)閥的設(shè)計(jì)布置對主給水泵異常啟動(dòng)的影響。

1主給水系統(tǒng)問題產(chǎn)生

主給水泵是核電廠二回路的心臟，是主給水系統(tǒng)的核心設(shè)備[2]，在正常運(yùn)行工況和預(yù)期運(yùn)行事件時(shí)保證蒸汽發(fā)生器的給水，并維持蒸汽發(fā)生器在安全水位。該核電廠主給水系統(tǒng)采用定速給水泵，每臺(tái)泵組布置在有獨(dú)立柔性支持的混凝土臺(tái)板上，臺(tái)板通過隔振器彈簧與樓板相接。泵組布置在常規(guī)島8m層，從33m層的除氧器取水，通過二回路輸送至核島。正常運(yùn)行時(shí)流量約1500t/h，管內(nèi)流速1.6m/s。主給水泵進(jìn)入設(shè)備單體調(diào)試階段，啟泵后泵組振動(dòng)值超標(biāo)，泵體和電機(jī)對中偏移，彈性基礎(chǔ)臺(tái)板產(chǎn)生位移，水平度發(fā)生傾斜，且無法復(fù)位，上述現(xiàn)象隨著啟動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸惡化。經(jīng)檢查，再循環(huán)閥附近管道在系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間能聽到小幅清脆的爆破聲音，并觀察到再循環(huán)閥出現(xiàn)突然跳動(dòng)的情況。泵組啟動(dòng)時(shí)間為1.75s，當(dāng)啟動(dòng)完成進(jìn)入正常狀態(tài)后，上述瞬態(tài)現(xiàn)象消失，但泵組運(yùn)行幾分鐘后因振動(dòng)超標(biāo)而自動(dòng)停泵。

2試驗(yàn)檢測分析

2.1問題根源分析及檢測方案

為查找產(chǎn)生上述問題的根源，沿主管線從泵出口到除氧器一路排查，發(fā)現(xiàn)在除氧器前的再循環(huán)管道上布置有3個(gè)閥門，即電動(dòng)閘閥、再循環(huán)閥、手動(dòng)閘閥，該段管道在泵的啟動(dòng)瞬間有突然的、小幅跳動(dòng)現(xiàn)象，并伴有清脆的爆破聲音，之后趨于穩(wěn)定。初步分析該管線高于除氧器，與除氧器的上部氣體空間相連，管道內(nèi)存在空氣的可能性較大。以此推測在泵啟動(dòng)瞬間，管道內(nèi)高壓水流沖擊空氣造成空氣壓縮而引起氣阻，氣阻被壓縮到極限導(dǎo)致爆破。為驗(yàn)證上述推斷，在泵、電機(jī)、臺(tái)板、泵出口管道、再循環(huán)管道等關(guān)鍵部位布置檢測儀表（圖1、圖2和圖3）。檢測參數(shù)有：振動(dòng)速度（測點(diǎn)1、2、3、4）、振動(dòng)加速度（測點(diǎn)1、2、3、4、12、13、14）、臺(tái)板位移（測點(diǎn)5、6）、出口管道動(dòng)態(tài)壓力和出口管道應(yīng)變力（測點(diǎn)7、8、9、10、11）。

2.2數(shù)據(jù)分析

主給水泵出口管道的動(dòng)態(tài)壓力測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)如圖4所示，在泵啟動(dòng)1.4s時(shí)，有個(gè)瞬間陡起的壓力脈沖，正常情況下該脈沖是不存在的，壓力應(yīng)是平滑的爬升曲線。此壓力脈沖換算為受力約有400kN，即表示有400kN的力通過管道水流作用于泵上。泵組的基礎(chǔ)臺(tái)板也發(fā)生了位移（圖5），該位移在停泵后并未復(fù)位。上述試驗(yàn)證實(shí)在啟動(dòng)階段存在一個(gè)對泵異常大的沖擊力，將泵組基礎(chǔ)臺(tái)板推偏，并導(dǎo)致泵和電機(jī)不對中。多次啟動(dòng)后，該力一次次沖擊泵組，導(dǎo)致系統(tǒng)情況不斷惡化。從圖6顯示的再循環(huán)閥振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)可以看出：在啟機(jī)過程中再循環(huán)閥受到2次瞬態(tài)沖擊，時(shí)間間隔1.4s，第1次沖擊引起的振動(dòng)很小，振動(dòng)加速度峰值約為5m/s2；第2次沖擊振動(dòng)較大，振動(dòng)加速度峰值約為140m/s2。前后兩次的振動(dòng)加速度峰值相差28倍。相應(yīng)時(shí)刻現(xiàn)場再循環(huán)閥附近也可聽到2次明顯的聲音突變，第1次為撞擊聲，第2次為小幅清脆的爆破聲，與相應(yīng)時(shí)刻的振動(dòng)信號特征相對應(yīng)，也與泵出口管道的壓力脈沖時(shí)刻相吻合。因此可初步確認(rèn)，該力就是再循環(huán)閥啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水錘導(dǎo)致的。為了進(jìn)一步證實(shí)這一結(jié)論，接下來對再循環(huán)閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究水錘產(chǎn)生的機(jī)理。

3再循環(huán)閥產(chǎn)生水錘機(jī)理研究

3.1閥門布置

再循環(huán)閥所在的管線布置見圖7，該管道高于除氧器液位，且除氧器上部空間為氣體空間，因此該段管道應(yīng)存在氣體。

3.2再循環(huán)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

再循環(huán)閥為多級籠式結(jié)構(gòu)[3]，有多級降壓閥籠，每級閥籠上有多個(gè)阻尼孔，該結(jié)構(gòu)使得高速流動(dòng)的分子產(chǎn)生撞擊和摩擦的機(jī)率更大，以此來達(dá)到降壓目的，閥門出口流速也由于多排孔的分布而得到了較好的控制。水流在其內(nèi)部流向曲折，在有高壓水流沖擊到此閥時(shí)，水流由橫向突然變?yōu)樾毕蛏希o閥體一個(gè)斜向上的沖擊力；同時(shí)，管道中存在空氣，在啟動(dòng)時(shí)，閥門經(jīng)歷氣-液兩相變換，空氣在高速水壓下被多級閥籠阻擋而被壓縮，在被壓縮到極限后又迅速爆破，該力通過水流反向傳導(dǎo)至水泵口，即產(chǎn)生了大水錘，正是該水錘將泵一次次地推偏。待水流沖破氣阻、將空氣完全排入除氧器后，該段管線全部充滿水，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

3.3水封分析

在相鄰2次啟泵間隔較短的情況下（約1h內(nèi)），緊接著第2次啟泵時(shí)，該瞬時(shí)爆破力卻沒有明顯出現(xiàn)。經(jīng)分析，第2次啟泵時(shí)，由于調(diào)節(jié)閥的特殊結(jié)構(gòu)，加之再循環(huán)管道末端浸沒于除氧器液位以下，管道內(nèi)尚存有一段水體，來不及退去，暫時(shí)形成了水封。因此，首次啟泵有水錘產(chǎn)生，但之后短時(shí)間間隔再啟泵時(shí)沒有聽見清脆爆破聲，即沒有水錘產(chǎn)生。但是隔天再啟泵時(shí)，水封退去，大水錘再次復(fù)現(xiàn)。表1的數(shù)據(jù)是首次啟泵和間隔1h后第2次啟泵的振動(dòng)數(shù)據(jù)對比，從表1中可以看出，第2次啟泵的振動(dòng)數(shù)據(jù)要比第1次啟泵表現(xiàn)好。

4充水試驗(yàn)

為了再次驗(yàn)證上述再循環(huán)閥的特殊結(jié)構(gòu)和布置位置是導(dǎo)致水錘產(chǎn)生的根源，結(jié)合現(xiàn)場多次啟泵試驗(yàn)情況，對再循環(huán)管道進(jìn)行了充水試驗(yàn)，即從再循環(huán)管線的排氣閥處灌水，讓再循環(huán)閥處于被水淹沒的狀態(tài)下啟泵檢測。結(jié)果氣阻和水錘情況明顯緩解，但未完全消失，這是因?yàn)楣嗨蟛⒉荒鼙ＷC再循環(huán)閥完全形成水封。

4.1泵出口壓力脈動(dòng)

圖8是充水前泵出口壓力脈動(dòng)，在1.4s時(shí)迅速爬升并發(fā)生爆破，爆破壓力峰值為7.6MPa。隔天（確保水封退去）灌水后再啟泵，壓力脈動(dòng)在1.0s時(shí)迅速上升并爆破，峰值為4.8MPa（圖9）。2次啟泵對比，氣體壓縮時(shí)間由1.4s變?yōu)?.0s，同時(shí)爆破壓力由7.6MPa降低至4.8MPa。

4.2再循環(huán)閥振動(dòng)

灌水前閥門爆破瞬間引起的沖擊振動(dòng)加速度峰值約740m/s2（圖10）；隔天灌水后閥門振動(dòng)加速度峰值約為40m/s2（圖11）。同時(shí)，第2次聽到的爆破聲也遠(yuǎn)小于第1次啟泵。上述灌水試驗(yàn)分析進(jìn)一步驗(yàn)證了3.2節(jié)和3.3節(jié)推理的正確性，即再循環(huán)閥的籠式閥體結(jié)構(gòu)和布置位置是產(chǎn)生水錘的根源。

5優(yōu)化設(shè)計(jì)布置

對再循環(huán)管閥的布置進(jìn)行優(yōu)化。將閥門布置于除氧器液位以下的管道中，確保每次啟泵時(shí)再循環(huán)閥內(nèi)部閥腔處于被水淹沒的狀態(tài)。優(yōu)化布置后，經(jīng)啟泵驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：再循環(huán)閥處的爆破聲沒有出現(xiàn)、水錘消失、壓力爬升曲線平穩(wěn)、泵組臺(tái)板也沒產(chǎn)生位移。啟泵前后的泵出口壓力基本是一條平滑曲線（圖12）。

6結(jié)論

通過理論分析和試驗(yàn)研究再循環(huán)閥產(chǎn)生氣阻和水錘的機(jī)理，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)布置。結(jié)果表明，在高壓給水管道中布置再循環(huán)閥時(shí)，應(yīng)確保閥芯完全布置于浸沒水的管道中，切忌布置在有空氣的管段中，以防止產(chǎn)生破壞性水錘。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建斌，馮玉林等.集成式最小流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J].閥門,2011,03(5):10-11.

[2]徐智淵.AP1000核電主給水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改進(jìn)[J].電站輔機(jī),2013,34(1):1-5.

[3]鄒世浩,萬勝軍.超臨界最小流量調(diào)節(jié)閥的研究[J].鍋爐制造,2013,11(6):62-64.

作者：穆冠宇 單位：中國核電工程有限公司