主給水泵濾網(wǎng)壓差高問題分析及設(shè)計改進

劉 星

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350300）

主給水泵濾網(wǎng)壓差高問題分析及設(shè)計改進

劉 星

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350300）

本文通過對福清核電1號機組商運期間主給水壓力級泵入口濾網(wǎng)壓差高 （均值高于報警值）問題進行分析，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)的通流面積不足和截面出水能力低于行業(yè)標準是主要原因。通過對濾網(wǎng)的形狀和結(jié)構(gòu)進行改進，相同流量下濾網(wǎng)壓差值最大下降57%，改進效果明顯，滿足設(shè)計要求。該濾網(wǎng)的設(shè)計改進經(jīng)驗，對后續(xù)機組處理類似問題具有借鑒意義。

壓差高；通流面積；截面出水能力

1 主給水泵功能簡介

福清核電主給水泵組由英國SPX公司制造，泵組分別由前置泵、電機、液力耦合器、壓力級泵串聯(lián)而成 （見圖1）。主給水系統(tǒng)設(shè)計了兩個濾網(wǎng)，一個濾網(wǎng)在前置泵入口，過濾精度為3mm；另一個濾網(wǎng)在壓力級泵入口，過濾精度為80目。整個主給水系統(tǒng)通過兩個濾網(wǎng)來過濾介質(zhì)中的雜質(zhì)，保證泵組可靠運行。

2 主給水泵濾網(wǎng)故障介紹

福清核電1號機組主給水泵組自機組商運后，出現(xiàn)壓力級泵入口濾網(wǎng)壓差值上升較快，并且持續(xù)超過高高報警值 （0．1MPa）的問題，后續(xù)維修人員在更換和清洗濾網(wǎng)的過程中，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)在管道出口位置堵塞較為嚴重，并存在濾網(wǎng)嚴重變形，甚至破損的現(xiàn)象 （見圖2）。

如果濾網(wǎng)出現(xiàn)破損，將失去過濾作用，介質(zhì)中的雜質(zhì)和濾網(wǎng)碎片將進入壓力級泵內(nèi)，使葉輪產(chǎn)生渦流磨損，使泵的汽蝕能力變差，泵的振動溫度升高，最終導(dǎo)致泵不可用。因此查找濾網(wǎng)壓差高和容易變形的根本原因，并采取有效應(yīng)對措施，是保證泵組穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

圖1 主給水泵組系統(tǒng)簡圖Fig．1 Sketch of main feedwater pump system

圖2 濾網(wǎng)變形及破損Fig．2 The filter distortion and broken

3 濾網(wǎng)壓差高問題原因分析

3．1 濾網(wǎng)通流面積的計算

濾網(wǎng)的通流面積是衡量濾網(wǎng)性能好壞的重要指標，通流性能主要表現(xiàn)在濾網(wǎng)有效過濾面積與進水面積之間的比值，比值越大表示通流面積越大 （參考文獻 ［1］），濾網(wǎng)通流性能越好；反之越小。參照原濾網(wǎng)的相關(guān)尺寸 （參考文獻 ［4］）通流面積計算如下 （見圖3）。

圖3 原濾網(wǎng)管道以及濾網(wǎng)尺寸Fig．3 Sizes of original strainer and its tube

注：濾網(wǎng)入口管道內(nèi)徑尺寸為482mm

注：網(wǎng)片水阻系數(shù)的算法為 （見圖4），相鄰4個孔的中心連成菱形，孔的面積 （過水）與菱形 （不過水）的面積的比值，就是網(wǎng)片水阻。

圖4 原濾網(wǎng)的網(wǎng)片尺寸Fig．4 Size of single mesh of original filters

注：在一個邊長為25．4mm的正方形面積內(nèi)，所有正方形孔的面積與濾布總面積的比值，就是濾布的水阻系數(shù)。

將公式 （4）、（5）、（6）代入公式 （3）得到：

注：由于網(wǎng)片有兩層，所以水阻要乘兩次。將公式 （2）、（7）代入公式 （1）得到：

根據(jù)行業(yè)標準SH／T 3411—1999（參考文獻 ［3］），永久性濾網(wǎng)的有效過濾面積與相連的管道通流面積之比不宜小于1．5，經(jīng)過計算原濾網(wǎng)有效過濾面積與進水面積之比為0．85，低于行業(yè)標準要求。

3．2 濾網(wǎng)截面出水能力的計算

濾網(wǎng)截面出水能力是衡量濾網(wǎng)性能的又一重要指標，計算方式為截面面積與進水面積比值，該比值無明確的標準、規(guī)范要求，但行業(yè)通用規(guī)定為濾網(wǎng)截面面積應(yīng)大于等于濾網(wǎng)的進水面積，這樣可保證濾網(wǎng)出水通暢，不會發(fā)生反流或擾流現(xiàn)象。

從濾網(wǎng)的進水截面的側(cè)視圖可知，濾網(wǎng)的外徑與管道內(nèi)徑形成一個圓環(huán)，圓環(huán)的面積計算如下：

由前面計算可知濾網(wǎng)進口面積是182 374mm2，原濾網(wǎng)截面面積小于濾網(wǎng)進口面積，低于行業(yè)通用規(guī)定。

從實際觀察到的濾網(wǎng)堵塞情況也可以佐證這個結(jié)論，表現(xiàn)為濾網(wǎng)在過濾器出口對應(yīng)的位置堵塞比較嚴重，而其他位置比較干凈，說明濾網(wǎng)在出口側(cè)水流比較通暢，且水流是單方向的，雜質(zhì)容易留在濾網(wǎng)截面，而濾網(wǎng)其他位置水流擾流較大，水流方向復(fù)雜，雜質(zhì)反而不容易留在濾網(wǎng)上。

3．3 濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷和強度不足

福清核電1號機組主給水泵原濾網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上存在前部彈性支撐剛度不足和后部止口長度偏短的缺陷。當(dāng)濾網(wǎng)在水沖擊力的作用下，前部彈性支撐變形量超過后部止口長度，濾網(wǎng)從止口處脫落，與管道內(nèi)的支撐產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致濾網(wǎng)的外壁容易變形甚至破損 （見圖5）。

圖5 管道支撐和濾網(wǎng)對應(yīng)位置產(chǎn)生的變形Fig．5 Deformation of pipe supporting and filters

同時，濾網(wǎng)在強度設(shè)計上也存在不足，網(wǎng)片壁厚1．5mm （參考文獻 ［4］），整個濾網(wǎng)是兩個網(wǎng)片拼接而成，所有接縫處均使用點焊連接 （見圖6）。

圖6 濾網(wǎng)接縫處全部采用點焊固定Fig．6 Spot welding at the conjunction of filters

福清核電1號機組主給水泵原濾網(wǎng)通流面積低于國家標準，截面出水能力也低于行業(yè)通用規(guī)定，是濾網(wǎng)壓差高的根本原因，加上結(jié)構(gòu)和強度上的設(shè)計缺陷，使濾網(wǎng)頻繁變形和破損。因此，增大濾網(wǎng)通流面積、改善截面出水能力、改變結(jié)構(gòu)以及增加強度是解決目前問題的關(guān)鍵。

4 新濾網(wǎng)改進設(shè)計分析

4．1 新濾網(wǎng)通流面積的計算

新濾網(wǎng)通過加長長度和改變形狀，在確保80目過濾精度不變的基礎(chǔ)上，增加濾網(wǎng)通流面積。下面從理論上計算新濾網(wǎng)的通流面積 （見圖7）是否滿足行業(yè)標準。

圖7 新濾網(wǎng)尺寸圖Fig．7 Size of new filters

將公式 （4）、（5）、（6）代入 （3），考慮濾網(wǎng)10mm 的厚度，計算 （參考文獻 ［5］）如下：

圖8 新濾網(wǎng)網(wǎng)片F(xiàn)ig．8 Mesh of new filters

通過計算，新濾網(wǎng)的通流面積比值為1．91，滿足行業(yè)標準 SH／T 3411—1999要求，通流面積比原濾網(wǎng)增加了124%。

4．2 新濾網(wǎng)截面出水性能的計算

新濾網(wǎng)截面尺寸是經(jīng)驗值，如果這個值設(shè)置過大，雖然可以解決濾網(wǎng)截面出水性能的問題，但是濾網(wǎng)直徑會因此減小，濾網(wǎng)通流面積就會減??；反之，設(shè)置太小可以增加濾網(wǎng)直徑，但濾網(wǎng)截面的出水能力就會下降。

新濾網(wǎng)在過濾器出口對應(yīng)位置設(shè)計成圓臺形狀 （見圖7），這樣可以增加濾網(wǎng)截面的出水能力，后端設(shè)計成圓柱形狀，可保證濾網(wǎng)的通流面積。新濾網(wǎng)改進如下：一是新濾網(wǎng)外部筒體直徑由660mm增加到760mm；二是在圓臺濾網(wǎng)后增加一個圓柱形濾網(wǎng) （圓柱直徑550mm，圓臺頂面直徑430mm）。截面面積詳細計算如下：

通過理論計算，新濾網(wǎng)截面面積為229 010．5mm2，大于濾網(wǎng)進水面積，高于行業(yè)通用規(guī)定，新濾網(wǎng)比原濾網(wǎng)截面面積增加77%。

4．3 新濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)和強度的設(shè)計改進分析

新濾網(wǎng)通過增加軸向限位柱、平衡孔和增長止口長度來解決濾網(wǎng)容易脫出止口的問題；通過設(shè)計ф89mm×2 600mm×5mm的龍骨以及相應(yīng)的筋板 （見圖9）來增加濾網(wǎng)的整體抗變形能力。經(jīng)過上述改進，使得新濾網(wǎng)整體的抗變形能力較原濾網(wǎng)增加了1倍以上，理論上可以承受0．3～0．4MPa的壓差，新濾網(wǎng)整體強度滿足現(xiàn)場使用要求。

圖9 新濾網(wǎng)彈性支撐、限位柱、龍骨和連接方式Fig．9 Elastic supporting／limited post／keel beam of new filters and their conjunction

4．4 濾網(wǎng)參數(shù)對比

有效通流面積新濾網(wǎng) 347 034mm2 229 010．5mm2原濾網(wǎng) 154 612mm2 129 682mm2增 幅 124% 77%

通過上表對比，新濾網(wǎng)在性能上比原濾網(wǎng)有較大改善，且新濾網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上解決了限位、強度等問題，因此從理論上計算，應(yīng)能解決原濾網(wǎng)存在的問題。

5 新濾網(wǎng)驗證

5．1 驗證數(shù)據(jù)

福清核電2號機組3號主給水泵，從2015年6月8日開始安裝，7月1日安裝工作完成。各流量下濾網(wǎng)壓差結(jié)果記錄如下：

1 800m3／h 2 000m3／h 2 500m3／h 3 000m3／h 3 300m3／h0．003MPa 0．01MPa 0．02MPa 0．02MPa 0．03MPa0．02MPa 0．03MPa 0．04MPa 0．07MPa 0．074MPa0．02MPa 0．03MPa 0．05MPa 0．08MPa 0．09MPa0．03MPa 0．03MPa 0．04MPa 0．06MPa 0．069MPa

根據(jù)上表得出，新濾網(wǎng)在相同流量下的壓差值下降明顯，最大降幅達57%，大幅提升了設(shè)備的運行可靠性。

5 結(jié)論

通過分析福清核電主給水泵濾網(wǎng)壓差高的原因，在保證新濾網(wǎng)過濾精度的基礎(chǔ)上，對尺寸、結(jié)構(gòu)進行了改進，使得通流面積高于標準，截面出水能力滿足行業(yè)通用規(guī)定要求。經(jīng)驗證，新濾網(wǎng)在相同流量下較原濾網(wǎng)壓差最大降幅達57%，改進效果明顯，正常運行的壓差小于0．08MPa，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，徹底解決濾網(wǎng)壓差高的問題。該濾網(wǎng)的設(shè)計改進經(jīng)驗，對后續(xù)機組處理類似問題具有借鑒意義。

［1］孫東坡，宋永軍，宮鵬杰，等 ．流道濾網(wǎng)微觀阻力機理試驗研究及應(yīng)用 ［M］．北京：水動力學(xué)研究與進展出版社，2010：218－220．SUN DonG－po，SONG YonG－jun，Gong PenG－jie，Wang Er－ping．Analysis and application of microresistance mechanism for filtration net in inlet conduit［J］．Chinese Journal of Hydrodynamics，2010，25（6）：751－757．

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［3］國家石油和化學(xué)工業(yè)局 ．SH／T 3411—1999：石油化工泵用過濾器選用、檢驗及驗收 ［S］．北京：國家石油和化學(xué)工業(yè)局，1999．SH／T 3411—1999［S］．SHJ of China，1999．

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Cause Analysis and Design Improvement for the Filter Pressure Difference of Main Feedwater Pump

LIU Xing
（Fujian Fuqing Nuclear Power Co．，Ltd．，F(xiàn)uqing，F(xiàn)ujian Prov．350300，China）

This paper analyzes the high pressure difference of strainer at the inlet of high pressure pump based on Unit 1of Fuqing nuclear power plant．It finds out that the problem lies in the limited strainer flow area and less flowage．The maximum pressure difference decreases by 57%after modifying the shape and structure of strainer．This modification will provide guidance for future similar problem

high pressure difference；flow area；crosS－section capacity

TM623 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0405－06

TM623

A

1674－1617 （2017）03－0405－06

10．12058／zghd．2017．03．405

2017－06－07

劉 星 （1984—），男，江蘇邗江人，學(xué)士，工程師，現(xiàn)主要從事核電廠泵類設(shè)備技術(shù)管理工作 （E－mail：liuxing＠fqnp．com）。

（責(zé)任編輯：白佳）