發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)流量波動問題的分析與處理

周林林, 盧 揚, 石 剛

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發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)流量波動問題的分析與處理

周林林, 盧 揚, 石 剛

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

CPR1000核電機組發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)（GST）設計有兩臺冷卻水泵，正常情況下一臺泵運行，另一臺備用。該系統(tǒng)冷卻水流量通過孔板流量計測量，流量低1時系統(tǒng)發(fā)出備用泵聯(lián)啟信號，流量低2會觸發(fā)跳機信號。本文針對國內(nèi)某核電機組定子冷卻水含氣量造成的流量波動問題進行了模擬計算分析，研究了冷卻水系統(tǒng)含氣量變化影響流量測量的機理，并提出具體的處理措施，解決了該系統(tǒng)啟動初期由于系統(tǒng)內(nèi)部含氣量造成的流量波動問題。

CPR1000；定子冷卻水；孔板流量計；流量波動；含氣量

0 前言

發(fā)電機正常運行過程中需要保證其內(nèi)部的冷卻，對于定子水冷的發(fā)電機組，必須要保證定子冷卻水的流量滿足要求，但在系統(tǒng)運行過程中，由于種種原因流量可能產(chǎn)生大幅波動，影響系統(tǒng)的可靠運行。各行業(yè)關于流量波動問題目前有著很多研究，本文通過模擬分析含氣量對孔板流量計測量流量的影響，并針對定子冷卻水系統(tǒng)的特點深入分析氣體來源以及制定專門的處理方案，解決了系統(tǒng)運行過程中的流量異常波動問題。

1 系統(tǒng)簡介

發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)（GST）是通過一個閉式的冷卻水循環(huán)回路對發(fā)電機定子繞組以及出線端進行冷卻。某CPR1000核電機組采用的是ALSTOM公司生產(chǎn)的發(fā)電機組，該發(fā)電機組為水-氫-氫冷卻方式，每一根定子線棒由實心銅線和不銹鋼空心線組成，通過低電導率的冷卻水流過不銹鋼空心線帶走熱量，保證發(fā)電機正常運行[1]。系統(tǒng)的工藝流程見圖1。

圖1 發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)工藝流程圖

定子冷卻水系統(tǒng)有兩臺冷卻水泵GST101PO及GST201PO，均為臥式軸端進水泵。泵設計流量為100%，正常情況下一臺泵在運行，另一臺備用。正常運行時系統(tǒng)的流量為180m3/h，其中流量的測量通過孔板流量計GST002MD實現(xiàn)。當流量小于150m3/h時會自動聯(lián)啟備用泵以保證發(fā)電機安全運行；當流量小于100m3/h時延時5s后會觸發(fā)跳機信號。

發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)設計有一高位水箱，為系統(tǒng)提供一個壓力參考點。系統(tǒng)的連續(xù)排氣口分別取自兩臺板式冷卻器及系統(tǒng)主過濾器上方，三路管道均有一定流量的水持續(xù)排至高位水箱內(nèi)部，以排除系統(tǒng)內(nèi)部殘留的氣體。

2 問題描述

國內(nèi)某核電2號機組調(diào)試啟動期間，GST系統(tǒng)多次發(fā)生備用泵聯(lián)啟事件。如2013年11月14日08:50啟動GST系統(tǒng)，從12:26開始發(fā)生多次聯(lián)啟。11月28日也發(fā)生多次聯(lián)啟，由于流量低于100m3/h時間短于5s，沒有造成跳機后果。冷卻水流量波動曲線如圖2所示。

圖2 定子冷卻水流量波動曲線

從圖2曲線看，每次備用泵聯(lián)啟前GST002MD監(jiān)測的流量都存在一個明顯的波谷。經(jīng)過進一步檢查排除流量計本身故障以及泵本身造成的流量波動。由于定子冷卻水流量的測量是通過流量孔板的前后壓差來實現(xiàn)的，當孔板前后壓差發(fā)生改變后，就會造成GST002MD流量波動[2]。在問題出現(xiàn)后，對GST002MD儀表管線進行排氣檢查，并在泵出口多次進行排氣，泵聯(lián)啟現(xiàn)象得到改善，但偶然還會發(fā)生流量大幅波動現(xiàn)象。其中每次排氣時取樣發(fā)現(xiàn)，排出的水呈乳白色，水中明顯含有大量細小的氣泡。

在GST系統(tǒng)運行時，隨著系統(tǒng)的運行水溫升高，氣體溶解度下降會使氣體析出，或如有氫氣漏入，有可能造成系統(tǒng)內(nèi)部冷卻水含氣量增大。當流量孔板受到氣泡干擾時，就會產(chǎn)生測量偏差[3]。因此，備用泵聯(lián)啟的原因可能是水中含氣量大造成孔板流量計測量誤差所致。

3 孔板流量計測量流量受水中含氣量影響的計算分析

3.1 孔板流量計結(jié)構(gòu)及原理

標準孔板流量計有角接取壓、和/2取壓以及法蘭取壓等多種方式[4]。本文所研究的孔板流量計為角接取壓，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。對于不可壓縮流體的水平管流動，在忽略沿程摩擦阻力損失的情況下，根據(jù)流體流動的伯努利方程(能量守恒)和連續(xù)性原理，可以得出管道中流體理論體積流量Q的計算公式。

式中，b為孔板流量計的直徑比，；d、D分別為孔板孔徑和上游管道內(nèi)徑；為面s1、s2上平均流體壓力p1、p2之差；r為管道內(nèi)流體介質(zhì)的密度[5]。

3.2 數(shù)值模型的建立

由于孔板流量計結(jié)構(gòu)具有對稱的特點，運用Gambit直接建立標準孔板流量計角接取壓時的二維軸對稱回旋結(jié)構(gòu)模型，縮短計算時間[6]。最終所得網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

3.3 含氣量對壓差的影響

為了研究不同含氣量對標準孔板流量計測量的影響，在工況溫度為288.16K、流量為180m3/h的情況下，對水中含氣量體積百分比從0到5%的液態(tài)水，利用Fluent進行數(shù)值模擬計算和相關分析[7]。選擇Mixture混合模型，設置空氣為第二相，其中空氣的密度=1.225kg/m3，黏度=1.7894e-5kg/(m×s)。參考壓力設置在原點位置，大小為101325Pa。計算結(jié)果如表1和圖5所示。

圖4 標準孔板流量計網(wǎng)格劃分計算模型

圖5 含氣量與孔板流量計平均壓差關系

由表1可知，標準孔板流量計的平均壓力值1隨水中含氣量的增加而減小，而平均壓力值3則相反，因此平均流體壓力差D隨水中含氣量的增加而減小，從而造成孔板測量的流量隨著含氣量的增加而變小。由圖5可知，D與含氣量基本上呈線性遞減關系。

表1 標準孔板流量計在不同含氣量下的流場計算結(jié)果

圖7和圖8分別是含氣量為0、5%時計算出來的孔板附近的壓力、速度分布云圖。計算結(jié)果顯示，含氣量對孔板前后壓力和速度的變化趨勢影響很小，但隨著含氣量的增加，最大壓力和真空度減小。因此，當所測管道水中混入空氣時，孔板流量計測量的壓差就會變小，從而造成測量流量減小。

(a)含氣量為0

(b)含氣量為5%

圖7 孔板附近壓力分布圖

(a)含氣量為0

(b)含氣量為5%

圖8 孔板附近速度分布圖

計算結(jié)果表明，冷卻水系統(tǒng)在處于含氣量變化的工況下，孔板流量計測量的壓差會隨著混入氣體量的增加而變小，從而導致測試流量較實際流量小。

4 解決方案研究

根據(jù)以上分析，孔板流量計測量的流量與系統(tǒng)含氣量的變化有很大的關系。在正常運行工況下，發(fā)電機定冷水系統(tǒng)含氣量很低，且含氣量不會有大的波動。因此，在工程實際應用上，可考慮減少含氣量的方法來減少系統(tǒng)的流量波動，避免跳機的不良后果產(chǎn)生[8]。

4.1 對含氣體的來源分析

4.1.1 發(fā)電機氫氣漏入系統(tǒng)

該發(fā)電機組調(diào)試期間，對定子線棒進行打壓試驗，對發(fā)電機進行氫氣泄漏率試驗，并檢查高位水箱排氣流量計GST002QD監(jiān)測的氣體流量，均滿足要求，可以判斷，氫氣泄漏進入定子冷水系統(tǒng)的可能性很小[9]。

4.1.2 發(fā)電機高位水箱渦流卷入

發(fā)電機高位水箱正常液位為40%~80%，當水箱進水與排水造成渦流時就可能會將水箱內(nèi)部氣體卷入回水管道，從而引起流量測量的變化。使用多普勒流量計測量高位水箱入口流量為4m3/h左右，入口水管為DN50的管道，計算入口管道的流速大概為：

=/=(4/3600)/(3.14′0.025′0.025)=0.566 m/s

其雷諾數(shù)

Re=/=1000′0.566′0.05/0.001003=28215>2500，從而判斷入口管道處的水流為湍流狀態(tài)[10]，該速度的水流進入高位水箱，可能形成漩渦造成氣體進入系統(tǒng)中。

4.1.3 初期系統(tǒng)補水引入

系統(tǒng)內(nèi)部氣體的引入還有一個來源為系統(tǒng)內(nèi)部殘存氣體的析出，系統(tǒng)初期充水為常溫的核島除鹽水，隨著系統(tǒng)運行，水溫逐漸升高,水的含氣量會隨著內(nèi)部溶解氣體的析出逐漸增大[11]。

按照系統(tǒng)含水量15 m3估算，假設除鹽水水溫10℃，GST溫控閥溫度設定值為45℃，正常運行時系統(tǒng)平均壓力為6bar，根據(jù)氣體溶解度估算（溶解度表見表2）溫度上升過程中析出的氣體量為：

=0（1-2）=0.825 m3

由此可見系統(tǒng)啟動初期，由于水溫上升會析出大量的氣體。

表2 壓力6bar時溶解度表

4.2 減少含氣量措施分析

方案一：補水管臨時除氣裝置

減少系統(tǒng)內(nèi)部的含氣量可以減少孔板流量計所測流量的波動。以防城港核電項目為參考，由于其定子線棒是銅線棒，對水質(zhì)的含氧量有嚴格要求[12]，在系統(tǒng)補水口處安裝除氣除氧設備，可以有效減少由于補水引入的含氣量，減小啟動時由于含氣量變化造成的流量波動。對于該核電項目機組，由于發(fā)電機采用不銹鋼線棒，對含氧量要求不高，未執(zhí)行此改造。

方案二：系統(tǒng)啟動初期充水排氣

前期充水的過程中，要嚴格按照在線程序，通過啟動密封油系統(tǒng)真空泵排除系統(tǒng)內(nèi)部的殘存氣體，盡量減少系統(tǒng)的初始含氣量。在抽真空的過程中，要調(diào)節(jié)真空油泵的入口壓力調(diào)節(jié)閥，保證高位水箱的真空度[13]。

如果補水溫度很低，水中會溶解大量氣體，在系統(tǒng)持續(xù)運行過程中隨著水溫升高氣體會逐漸析出，系統(tǒng)正常運行是通過熱交換器上部兩個排氣管及主過濾器的排氣管進行連續(xù)排氣。由于連續(xù)排氣管設計流量有限，難以短時間排出大量積存的氣體，就會造成系統(tǒng)內(nèi)部氣體的聚集。所以系統(tǒng)啟動初期，應及時投運加熱器，提高水溫至系統(tǒng)額定溫度44.5℃，然后持續(xù)通過泵出口及冷卻器的排氣閥手動排氣來達到減少系統(tǒng)含氣量的目的。

方案三：消氣過濾器

通過在孔板流量計前加裝消氣過濾器，可以有效去除設備內(nèi)部混入的氣體[14]，由于系統(tǒng)正常運行時水是閉式循環(huán)的，期間含氣量不會大幅波動和上漲，考慮消氣過濾器投運與電加熱器都是在系統(tǒng)投運初期階段使用，可以把消氣過濾器設置在電加熱器下游，如圖9所示。

圖9 消氣過濾器安裝示意圖

方案四：控制發(fā)電機高位水箱內(nèi)部漩渦

如上文分析，入口管道處的水流為湍流狀態(tài)，其水流能否造成水箱內(nèi)部形成漩渦尚無嚴格的證據(jù)，但為避免該因素造成系統(tǒng)內(nèi)部含氣量的增加，可以考慮對高位水箱內(nèi)部進行改造，加設消渦板的方法可以避免漩渦的形成[15]。由于高位水箱液位正常范圍為40%~80%，適當提高水位可以減少水箱內(nèi)部由于入口管道沖擊引入的含氣量，但如果液位高于80%會產(chǎn)生液位高報警，液位過高時如果產(chǎn)生液位波動，水可能溢流至GST002QD，造成儀表失去檢測功能。

4.3 方案選擇與實施效果

針對該核電2號機流量波動的現(xiàn)象，根據(jù)上述方案的實施難度，優(yōu)先選擇方案二與方案四，共落實如下行動：

（1）系統(tǒng)補水時，利用發(fā)電機密封油系統(tǒng)的真空泵對系統(tǒng)抽真空補水，減少初期系統(tǒng)殘留的氣體；

（2）系統(tǒng)啟動前，適當提高高位水箱水位至65%左右，減少可能由于漩渦引入的氣體；

（3）運行初期，定期通過泵出口排氣閥檢查水中含氣量，并通過泵出口與冷卻器上的排氣閥手動排氣；

（4）降低發(fā)電機頂部高位水箱內(nèi)部氣體的壓力，以利于冷卻器和主過濾器上連續(xù)排氣管道中的氣體排出。

通過執(zhí)行以上方案，2號機發(fā)電機定子冷卻水的流量不再大幅波動，正常運行期間未發(fā)生備用泵聯(lián)啟現(xiàn)象，后續(xù)在3、4號機執(zhí)行同樣的控制手段，系統(tǒng)流量也未出現(xiàn)非預期的大幅波動。

5 結(jié)語

發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)啟動初期，由于水溫上升水中溶解的氣體析出，以及補水過程排氣不充分，系統(tǒng)內(nèi)部水中會混合大量氣體，氣體與水混合不均勻時，會加劇孔板流量計測量流量的波動。本文通過系統(tǒng)啟動初期的人為干預，在充水過程使用抽真空上水，適當提高高位水箱液位并減小水箱壓力，定期手動排氣的方式，減少系統(tǒng)內(nèi)部的含氣量，使系統(tǒng)運行過程中的流量維持在一個穩(wěn)定的工況。解決了機組調(diào)試期間出現(xiàn)的問題。

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Analysis and Treatment on the Flow Fluctuation of generator Stator Cooling Water System

ZHOU Linlin, LU Yang, SHI Gang

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

The generator stator cooling water system ( GST ) of the CPR1000 nuclear power unit is designed with two cooling water pumps, GST101PO and GST 201PO. Normally there is one pump in operation, the other is standby. The flow is measured by a flow meter, low flow 1 will produce standby pump associated start signal, low flow 2 will trigger the generator trip signal, affecting the normal operation of the unit. In this paper, the influence of the air content in the system on flow measurement is simulated and analyzed, and a set of special treatment for the measures of flow fluctuation caused by the gas content is established to solve the problem. The problem of flow fluctuation during the starting of the system is solved.

CPR1000; stator cooling water; orifice flowmeter; flow fluctuation; gas content

TM311

A

1000-3983(2018)05-0070-06

2017-09-01

周林林（1989-），2012年7月畢業(yè)于哈爾濱工程大學動力與能源工程學院熱能與動力工程專業(yè)，現(xiàn)從事核電汽輪發(fā)電機組輔助系統(tǒng)調(diào)試工作，工程師。