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核電廠(chǎng)主給水系統再循環(huán)閥設計布置試驗研究
來(lái)源:哲成閥門(mén) 作者:www.57k7.com 發(fā)布時(shí)間:2019-6-27 閱讀:次
  

0 引 言

    再循環(huán)閥也稱(chēng)最小流量調節閥,安裝于主給水泵出口至除氧器的再循環(huán)管線(xiàn)上。主給水泵將水從除氧器里吸出送往二回路。當給水流量由于機組運行工況而低于最小值時(shí),將導致主給水泵內的介質(zhì)汽化而使設備無(wú)法工作,甚至損壞[1]。為防止主給水泵過(guò)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。當機組運行流量低至運行限值時(shí),系統將自動(dòng)打開(kāi)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(xiàn)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”狀態(tài),以保證主給水泵的安全運行。

    本文主要研究再循環(huán)閥的設計布置對主給水泵異常啟動(dòng)的影響。

1 主給水系統問(wèn)題產(chǎn)生

    主給水泵是核電廠(chǎng)二回路的心臟,是主給水系統的核心設備[2],在正常運行工況和預期運行事件時(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(chǎng)主給水系統采用定速給水泵,每臺泵組布置在有獨立柔性支持的混凝土臺板上,臺板通過(guò)隔振器彈簧與樓板相接。泵組布置在常規島8 m層,從33 m層的除氧器取水,通過(guò)二回路輸送至核島。正常運行時(shí)流量約1500 t/h,管內流速1.6 m/s。

    主給水泵進(jìn)入設備單體調試階段,啟泵后泵組振動(dòng)值超標,泵體和電機對中偏移,彈性基礎臺板產(chǎn)生位移,水平度發(fā)生傾斜,且無(wú)法復位,上述現象隨著(zhù)啟動(dòng)次數的增加而逐漸惡化。經(jīng)檢查,再循環(huán)閥附近管道在系統啟動(dòng)瞬間能聽(tīng)到小幅清脆的爆破聲音,并觀(guān)察到再循環(huán)閥出現突然跳動(dòng)的情況。泵組啟動(dòng)時(shí)間為1.75 s,當啟動(dòng)完成進(jìn)入正常狀態(tài)后,上述瞬態(tài)現象消失,但泵組運行幾分鐘后因振動(dòng)超標而自動(dòng)停泵。

圖1 泵組檢測儀表布置

Fig.1 Survey Meter Arrange on Pump

 

圖2 泵出口檢測儀表布置

Fig.2 Survey Meter Arrange on Pmp Outlet

圖3 再循環(huán)閥檢測儀表布置

Fig.3 Survey Meter Arrange on Recirculation Valve

2 試驗檢測分析

2.1 問(wèn)題根源分析及檢測方案

    為查找產(chǎn)生上述問(wèn)題的根源,沿主管線(xiàn)從泵出口到除氧器一路排查,發(fā)現在除氧器前的再循環(huán)管道上布置有3個(gè)閥門(mén),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)現象,并伴有清脆的爆破聲音,之后趨于穩定。初步分析該管線(xiàn)高于除氧器,與除氧器的上部氣體空間相連,管道內存在空氣的可能性較大。以此推測在泵啟動(dòng)瞬間,管道內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致爆破。

    為驗證上述推斷,在泵、電機、臺板、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)、臺板位移(測點(diǎn)5、6)、出口管道動(dòng)態(tài)壓力和出口管道應變力(測點(diǎn)7、8、9、10、11)。

2.2 數據分析

    主給水泵出口管道的動(dòng)態(tài)壓力測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)數據如圖4所示,在泵啟動(dòng)1.4 s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,壓力應是平滑的爬升曲線(xiàn)。此壓力脈沖換算為受力約有400 kN,即表示有400 kN的力通過(guò)管道水流作用于泵上。泵組的基礎臺板也發(fā)生了位移(圖5),該位移在停泵后并未復位。

    上述試驗證實(shí)在啟動(dòng)階段存在一個(gè)對泵異常大的沖擊力,將泵組基礎臺板推偏,并導致泵和電機不對中。多次啟動(dòng)后,該力一次次沖擊泵組,導致系統情況不斷惡化。

 

圖4 動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)圖

Fig.4 Dynamic Pressure Pulsation

 

圖5 臺板位移

Fig.5 Base Movement

    從圖6顯示的再循環(huán)閥振動(dòng)加速度數據可以看出:在啟機過(guò)程中再循環(huán)閥受到2次瞬態(tài)沖擊,時(shí)間間隔1.4 s,第1次沖擊引起的振動(dòng)很小,振動(dòng)加速度峰值約為5 m/s2;第2次沖擊振動(dòng)較大,振動(dòng)加速度峰值約為140 m/s2。前后兩次的振動(dòng)加速度峰值相差28倍。相應時(shí)刻現場(chǎng)再循環(huán)閥附近也可聽(tīng)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,與相應時(shí)刻的振動(dòng)信號特征相對應,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,該力就是再循環(huán)閥啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水錘導致的。為了進(jìn)一步證實(shí)這一結論,接下來(lái)對再循環(huán)閥結構進(jìn)行分析,研究水錘產(chǎn)生的機理。

 

圖6 再循環(huán)閥振動(dòng)加速度

Fig.6 Acceleration of Recirculation Valve Vibration

3 再循環(huán)閥產(chǎn)生水錘機理研究

3.1 閥門(mén)布置

    再循環(huán)閥所在的管線(xiàn)布置見(jiàn)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,因此該段管道應存在氣體。

圖7 再循環(huán)閥布置情況

Fig.7 Recirculation Valve Arrange

3.2 再循環(huán)閥內部結構

    再循環(huán)閥為多級籠式結構[3],有多級降壓閥籠,每級閥籠上有多個(gè)阻尼孔,該結構使得高速流動(dòng)的分子產(chǎn)生撞擊和摩擦的機率更大,以此來(lái)達到降壓目的,閥門(mén)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,給閥體一個(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(mén)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(guò)水流反向傳導至水泵口,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(xiàn)全部充滿(mǎn)水,系統進(jìn)入穩態(tài)運行。

3.3 水封分析

    在相鄰2次啟泵間隔較短的情況下(約1 h內),緊接著(zhù)第2次啟泵時(shí),該瞬時(shí)爆破力卻沒(méi)有明顯出現。經(jīng)分析,第2次啟泵時(shí),由于調節閥的特殊結構,加之再循環(huán)管道末端浸沒(méi)于除氧器液位以下,管道內尚存有一段水體,來(lái)不及退去,暫時(shí)形成了水封。

表1 間隔時(shí)間較短的2次啟泵數據 導出到EXCEL

Table1 Vibration Date of Two Start Pump

測點(diǎn)

位置

測點(diǎn)

方向

第1次啟泵振動(dòng)速度/mm·s-1

第2次啟泵振動(dòng)速度/mm·s-1

電機

驅動(dòng)端

橫向

2.2~2.5

1.6~1.8

縱向

1.7~1.8

1.1~1.3

泵驅動(dòng)端

橫向

6.4~8.7

3.9~4.2

縱向

4.4~5.3

4.0~4.3

    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(méi)有聽(tīng)見(jiàn)清脆爆破聲,即沒(méi)有水錘產(chǎn)生。但是隔天再啟泵時(shí),水封退去,大水錘再次復現。表1的數據是首次啟泵和間隔1 h后第2次啟泵的振動(dòng)數據對比,從表1中可以看出,第2次啟泵的振動(dòng)數據要比第1次啟泵表現好。

4 充水試驗

    為了再次驗證上述再循環(huán)閥的特殊結構和布置位置是導致水錘產(chǎn)生的根源,結合現場(chǎng)多次啟泵試驗情況,對再循環(huán)管道進(jìn)行了充水試驗,即從再循環(huán)管線(xiàn)的排氣閥處灌水,讓再循環(huán)閥處于被水淹沒(méi)的狀態(tài)下啟泵檢測。結果氣阻和水錘情況明顯緩解,但未完全消失,這是因為灌水后并不能保證再循環(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1.4 s時(shí)迅速爬升并發(fā)生爆破,爆破壓力峰值為7.6 MPa。隔天(確保水封退去)灌水后再啟泵,壓力脈動(dòng)在1.0 s時(shí)迅速上升并爆破,峰值為4.8 MPa(圖9)。2次啟泵對比,氣體壓縮時(shí)間由1.4 s變?yōu)?.0 s,同時(shí)爆破壓力由7.6 MPa降低至4.8 MPa。

圖8 充水前泵出口壓力脈動(dòng)

Fig.8 Start Pump Pressure before Douche

 

圖9 充水后泵出口壓力脈動(dòng)

Fig.9 Start Pump Pressure after Douche

4.2 再循環(huán)閥振動(dòng)

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

 

圖10 再循環(huán)閥振動(dòng)加速度(充水前)

Fig.10 Acceleration of Recirculation Valve Vibration before Douche

 

圖11 再循環(huán)閥振動(dòng)加速度(充水后)

Fig.11 Acceleration of Recirculation Valve Vibration after Douche

5 優(yōu)化設計布置

    對再循環(huán)管閥的布置進(jìn)行優(yōu)化。將閥門(mén)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)閥內部閥腔處于被水淹沒(méi)的狀態(tài)。優(yōu)化布置后,經(jīng)啟泵驗證發(fā)現:再循環(huán)閥處的爆破聲沒(méi)有出現、水錘消失、壓力爬升曲線(xiàn)平穩、泵組臺板也沒(méi)產(chǎn)生位移。啟泵前后的泵出口壓力基本是一條平滑曲線(xiàn)(圖12)。

 
圖12 再循環(huán)閥優(yōu)化布置后壓力脈動(dòng)

Fig.12 Start Pump Pressure of Recirculation Valve after Improve

6 結 論

    通過(guò)理論分析和試驗研究再循環(huán)閥產(chǎn)生氣阻和水錘的機理,并進(jìn)行了優(yōu)化設計布置。結果表明,在高壓給水管道中布置再循環(huán)閥時(shí),應確保閥芯完全布置于浸沒(méi)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。

本文Tag:調節閥、多級籠式、管道水錘、設計布置
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