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    核電廠主給水系統再循環閥設計布置試驗研究
    來源:哲成閥門 作者:www.thevoomblooms.com 發布時間:2019-6-27 閱讀:
      

    0 引 言

        再循環閥也稱最小流量調節閥,安裝于主給水泵出口至除氧器的再循環管線上。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,將導致主給水泵內的介質汽化而使設備無法工作,甚至損壞[1]。為防止主給水泵過熱以及氣蝕產生,主給水泵的流量在任何情況下都必須控制在某一個安全流量之上,這個流量即是最小流量。再循環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,系統將自動打開再循環閥,將一部分高壓水從主給水泵出口經再循環管線回流至除氧器,在局部進行循環,使得主給水泵處于“待機”狀態,以保證主給水泵的安全運行。

        本文主要研究再循環閥的設計布置對主給水泵異常啟動的影響。

    1 主給水系統問題產生

        主給水泵是核電廠二回路的心臟,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保證蒸汽發生器的給水,并維持蒸汽發生器在安全水位。該核電廠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,通過二回路輸送至核島。正常運行時流量約1500 t/h,管內流速1.6 m/s。

        主給水泵進入設備單體調試階段,啟泵后泵組振動值超標,泵體和電機對中偏移,彈性基礎臺板產生位移,水平度發生傾斜,且無法復位,上述現象隨著啟動次數的增加而逐漸惡化。經檢查,再循環閥附近管道在系統啟動瞬間能聽到小幅清脆的爆破聲音,并觀察到再循環閥出現突然跳動的情況。泵組啟動時間為1.75 s,當啟動完成進入正常狀態后,上述瞬態現象消失,但泵組運行幾分鐘后因振動超標而自動停泵。

    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 問題根源分析及檢測方案

        為查找產生上述問題的根源,沿主管線從泵出口到除氧器一路排查,發現在除氧器前的再循環管道上布置有3個閥門,即電動閘閥、再循環閥、手動閘閥,該段管道在泵的啟動瞬間有突然的、小幅跳動現象,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、再循環管道等關鍵部位布置檢測儀表(圖1、圖2和圖3)。檢測參數有:振動速度(測點1、2、3、4)、振動加速度(測點1、2、3、4、12、13、14)、臺板位移(測點5、6)、出口管道動態壓力和出口管道應變力(測點7、8、9、10、11)。

    2.2 數據分析

        主給水泵出口管道的動態壓力測點的壓力脈動數據如圖4所示,在泵啟動1.4 s時,有個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。此壓力脈沖換算為受力約有400 kN,即表示有400 kN的力通過管道水流作用于泵上。泵組的基礎臺板也發生了位移(圖5),該位移在停泵后并未復位。

        上述試驗證實在啟動階段存在一個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。多次啟動后,該力一次次沖擊泵組,導致系統情況不斷惡化。

     

    圖4 動態壓力脈動圖

    Fig.4 Dynamic Pressure Pulsation

     

    圖5 臺板位移

    Fig.5 Base Movement

        從圖6顯示的再循環閥振動加速度數據可以看出:在啟機過程中再循環閥受到2次瞬態沖擊,時間間隔1.4 s,第1次沖擊引起的振動很小,振動加速度峰值約為5 m/s2;第2次沖擊振動較大,振動加速度峰值約為140 m/s2。前后兩次的振動加速度峰值相差28倍。相應時刻現場再循環閥附近也可聽到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,與相應時刻的振動信號特征相對應,也與泵出口管道的壓力脈沖時刻相吻合。因此可初步確認,該力就是再循環閥啟動時產生的水錘導致的。為了進一步證實這一結論,接下來對再循環閥結構進行分析,研究水錘產生的機理。

     

    圖6 再循環閥振動加速度

    Fig.6 Acceleration of Recirculation Valve Vibration

    3 再循環閥產生水錘機理研究

    3.1 閥門布置

        再循環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,因此該段管道應存在氣體。

    圖7 再循環閥布置情況

    Fig.7 Recirculation Valve Arrange

    3.2 再循環閥內部結構

        再循環閥為多級籠式結構[3],有多級降壓閥籠,每級閥籠上有多個阻尼孔,該結構使得高速流動的分子產生撞擊和摩擦的機率更大,以此來達到降壓目的,閥門出口流速也由于多排孔的分布而得到了較好的控制。水流在其內部流向曲折,在有高壓水流沖擊到此閥時,水流由橫向突然變為斜向上,給閥體一個斜向上的沖擊力;同時,管道中存在空氣,在啟動時,閥門經歷氣-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至水泵口,即產生了大水錘,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,系統進入穩態運行。

    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),緊接著第2次啟泵時,該瞬時爆破力卻沒有明顯出現。經分析,第2次啟泵時,由于調節閥的特殊結構,加之再循環管道末端浸沒于除氧器液位以下,管道內尚存有一段水體,來不及退去,暫時形成了水封。

    表1 間隔時間較短的2次啟泵數據 導出到EXCEL

    Table1 Vibration Date of Two Start Pump

    測點

    位置

    測點

    方向

    第1次啟泵振動速度/mm·s-1

    第2次啟泵振動速度/mm·s-1

    電機

    驅動端

    橫向

    2.2~2.5

    1.6~1.8

    縱向

    1.7~1.8

    1.1~1.3

    泵驅動端

    橫向

    6.4~8.7

    3.9~4.2

    縱向

    4.4~5.3

    4.0~4.3

        因此,首次啟泵有水錘產生,但之后短時間間隔再啟泵時沒有聽見清脆爆破聲,即沒有水錘產生。但是隔天再啟泵時,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次啟泵的振動數據對比,從表1中可以看出,第2次啟泵的振動數據要比第1次啟泵表現好。

    4 充水試驗

        為了再次驗證上述再循環閥的特殊結構和布置位置是導致水錘產生的根源,結合現場多次啟泵試驗情況,對再循環管道進行了充水試驗,即從再循環管線的排氣閥處灌水,讓再循環閥處于被水淹沒的狀態下啟泵檢測。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閥完全形成水封。

    4.1 泵出口壓力脈動

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

    圖8 充水前泵出口壓力脈動

    Fig.8 Start Pump Pressure before Douche

     

    圖9 充水后泵出口壓力脈動

    Fig.9 Start Pump Pressure after Douche

    4.2 再循環閥振動

        灌水前閥門爆破瞬間引起的沖擊振動加速度峰值約740 m/s2(圖10);隔天灌水后閥門振動加速度峰值約為40 m/s2(圖11)。同時,第2次聽到的爆破聲也遠小于第1次啟泵。上述灌水試驗分析進一步驗證了3.2節和3.3節推理的正確性,即再循環閥的籠式閥體結構和布置位置是產生水錘的根源。

     

    圖10 再循環閥振動加速度(充水前)

    Fig.10 Acceleration of Recirculation Valve Vibration before Douche

     

    圖11 再循環閥振動加速度(充水后)

    Fig.11 Acceleration of Recirculation Valve Vibration after Douche

    5 優化設計布置

        對再循環管閥的布置進行優化。將閥門布置于除氧器液位以下的管道中,確保每次啟泵時再循環閥內部閥腔處于被水淹沒的狀態。優化布置后,經啟泵驗證發現:再循環閥處的爆破聲沒有出現、水錘消失、壓力爬升曲線平穩、泵組臺板也沒產生位移。啟泵前后的泵出口壓力基本是一條平滑曲線(圖12)。

     
    圖12 再循環閥優化布置后壓力脈動

    Fig.12 Start Pump Pressure of Recirculation Valve after Improve

    6 結 論

        通過理論分析和試驗研究再循環閥產生氣阻和水錘的機理,并進行了優化設計布置。結果表明,在高壓給水管道中布置再循環閥時,應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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