核電站汽動(dòng)給水泵抽汽調(diào)節(jié)閥門異常關(guān)閉原因分析

王曉峰

（ 大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳518124）

1 引言

某核電站每臺(tái)機(jī)組設(shè)置兩臺(tái)50%容量汽動(dòng)給水泵和一臺(tái)50%容量電動(dòng)給水泵。機(jī)組正常運(yùn)行期間兩臺(tái)汽動(dòng)給水泵運(yùn)行，電動(dòng)給水泵處于備用狀態(tài)。

汽動(dòng)給水泵驅(qū)動(dòng)汽源配置見圖1。每臺(tái)汽動(dòng)給水泵配備一路新蒸汽汽源（用于機(jī)組啟動(dòng)及低功率階段）、兩路來(lái)自機(jī)組再熱熱段的抽汽汽源（機(jī)組高功率時(shí)用）。每路汽源管線上配備一臺(tái)主汽閥和一臺(tái)調(diào)節(jié)閥，汽動(dòng)給水泵正常運(yùn)行期間主汽閥全開，調(diào)節(jié)閥開度在調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用下變化，達(dá)到調(diào)節(jié)小汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)汽量及汽動(dòng)給水泵負(fù)荷的目的。

圖1 汽動(dòng)給水泵驅(qū)動(dòng)汽源系統(tǒng)示意圖

2 故障描述

核電站機(jī)組滿功率平臺(tái)運(yùn)行期間，若一臺(tái)汽動(dòng)給水泵需要臨時(shí)停運(yùn)時(shí)，需先啟運(yùn)備用電動(dòng)給水泵并手動(dòng)提升電動(dòng)給水泵負(fù)荷，兩臺(tái)汽動(dòng)給水泵負(fù)荷自動(dòng)降低。某核電站在該過(guò)程中當(dāng)三臺(tái)給水泵達(dá)到均勻載荷時(shí)，一臺(tái)汽動(dòng)給水泵抽汽調(diào)節(jié)閥門突然關(guān)閉，引起給水流量及蒸發(fā)器液位波動(dòng)。

3 故障原因分析

3.1 閥門結(jié)構(gòu)及工作原理

汽動(dòng)給水泵抽汽調(diào)節(jié)閥門為液壓式調(diào)節(jié)閥門，由閥門本體和油動(dòng)機(jī)組成。閥門本體（見圖2）安裝在汽輪機(jī)汽缸上。油動(dòng)機(jī)（見圖3）位于閥門本體上方，與閥門本體通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)相連。油動(dòng)機(jī)在液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)上、下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門開度控制。

油動(dòng)機(jī)設(shè)有動(dòng)力油、信號(hào)油及兩路排油接口。動(dòng)力油來(lái)自油系統(tǒng)動(dòng)力油母管，信號(hào)油來(lái)自油系統(tǒng)的調(diào)節(jié)油管線。汽動(dòng)給水泵運(yùn)行期間動(dòng)力油壓維持13.8bar.g，信號(hào)油壓力受調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制在3.0~11.0bar.g。

3.2 故障原因及調(diào)查

故障出現(xiàn)在機(jī)組滿功率平臺(tái)下、三臺(tái)給水泵均勻帶載的工況。每臺(tái)汽動(dòng)給水泵負(fù)荷由電動(dòng)泵啟動(dòng)前的50%降低為30%，抽汽調(diào)節(jié)閥門所需蒸汽流量及閥門開度相應(yīng)減小。由于機(jī)組負(fù)荷及閥門上游抽汽壓力不變，閥門下游蒸汽壓力隨開度減小而降低，作用在閥瓣上下游壓差增加。表1 為典型工況下抽汽調(diào)節(jié)閥門上下游壓差數(shù)據(jù)。三臺(tái)給水泵均載工況下閥瓣上下游蒸汽壓差最大，此時(shí)需油動(dòng)機(jī)提供更大提升力維持閥門開啟。

圖2 抽汽調(diào)節(jié)閥門本體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 抽汽調(diào)節(jié)閥門油動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 不同工況下抽汽調(diào)節(jié)閥門上下游壓差

從油動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析可知，動(dòng)力油進(jìn)入油動(dòng)機(jī)后在主活塞下部腔室需建立足夠油壓，以克服主彈簧壓縮力及蒸汽壓差作用在閥瓣上的蒸汽力等。作用在主活塞上的合力達(dá)到平衡時(shí)，閥門維持某一確定開度。利用圖4 簡(jiǎn)化模型可計(jì)算閥瓣蒸汽力、主彈簧壓縮力及油動(dòng)機(jī)維持閥門開啟所需提升力。

圖4 閥瓣蒸汽力示意圖

其中，P1和P2分別為閥瓣上下游蒸汽壓力、d1~d4分別為閥瓣各部位直徑。F1為P1作用在d1與d2間環(huán)形表面的蒸汽力，方向向下；F2為P2作用在d2表面上向上的蒸汽力；F3為P2作用在閥桿d3與d4之間環(huán)形表面向下的蒸汽力；F4為作用在閥瓣曲面上P1~P2間過(guò)渡區(qū)域的蒸汽力，方向向上。蒸汽力的合力ΣF 為：

表2 不同工況下油動(dòng)機(jī)開啟力比較

根據(jù)蒸汽力合力計(jì)算結(jié)果推算出不同工況下主活塞下部腔室所需要的油壓（見表2）。與正常工況相比，三臺(tái)給水泵均勻帶載時(shí)抽汽調(diào)節(jié)閥門開度減小，主彈簧壓縮量及彈簧力相應(yīng)減小，但閥瓣上下游蒸汽力大幅增加，合力增至10254N，油動(dòng)機(jī)主活塞下部腔室所需油壓為4.79bar.g。

商鞅是管仲之后又一位在財(cái)政經(jīng)濟(jì)改革方面作出重大貢獻(xiàn)的改革家，其實(shí)行的改革比管仲更為深刻，影響更為深遠(yuǎn)。由于他的變法，秦國(guó)一躍變成富強(qiáng)的先進(jìn)國(guó)家，為日后秦始皇的統(tǒng)一六國(guó)奠定了基礎(chǔ)。新興的封建地主制日后能在全國(guó)范圍內(nèi)得到鞏固和發(fā)展，其中有商鞅的重要貢獻(xiàn)。

抽汽閥門油動(dòng)機(jī)正常工作必要條件為主活塞下腔室建立各種工況所對(duì)應(yīng)的油壓，否則將出現(xiàn)閥門調(diào)解異常、甚至關(guān)閉問(wèn)題。圖5 以閥門開啟過(guò)程為例說(shuō)明油動(dòng)機(jī)工作過(guò)程：提升汽動(dòng)給水泵負(fù)荷時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)增大信號(hào)油壓，推動(dòng)先導(dǎo)滑閥上移，開大滑閥套筒上動(dòng)力油窗口，同時(shí)關(guān)小上方排油窗口，使主活塞下部腔室油壓升高，推動(dòng)主活塞上移，帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)開大閥門。

從結(jié)構(gòu)原理上分析，影響腔室油壓建立的因素主要有：

①動(dòng)力油母管油壓不足；

②油管路堵塞；

③油動(dòng)機(jī)內(nèi)部間隙泄漏增加導(dǎo)致腔室內(nèi)無(wú)法建立足夠油壓。

檢查油系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及動(dòng)力油管路內(nèi)部的清潔狀態(tài)、化驗(yàn)油質(zhì)，排除系統(tǒng)油壓、油質(zhì)、及油管線方面因素。

動(dòng)力油經(jīng)節(jié)流孔板（孔徑φ3mm）后進(jìn)入油動(dòng)機(jī)，主要有三條泄油通道影響油動(dòng)機(jī)下部腔室油壓建立（見圖5）：主活塞與缸體間間隙（泄漏通道1）、先導(dǎo)滑閥與套筒間間隙（泄漏通道2）以及套筒與缸體間間隙（泄漏通道3）。

圖5 油動(dòng)機(jī)工作原理

從結(jié)構(gòu)上分析，通道1 泄漏量大小直接影響油動(dòng)機(jī)主活塞下部腔室油壓，設(shè)計(jì)上采用雙道彈性密封環(huán)結(jié)構(gòu)加以防范。維修人員定期檢查殼體內(nèi)表面、彈性密封環(huán)狀態(tài)，測(cè)量記錄相關(guān)尺寸，以期通過(guò)歷史信息跟蹤判斷油動(dòng)機(jī)部件磨損狀況、控制油動(dòng)機(jī)泄漏量。比較10 年來(lái)油動(dòng)機(jī)檢修數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)明顯異常。

排油口1 主要來(lái)自動(dòng)力油通過(guò)泄油通道1 泄油，代表主活塞密封環(huán)與殼體內(nèi)壁之間的密封狀況；排油口2 包含動(dòng)力油通過(guò)泄油通道2、3 泄油及信號(hào)油通過(guò)先導(dǎo)滑閥與殼體間間隙泄油。表3 列出兩個(gè)信號(hào)油壓對(duì)應(yīng)的泄漏量測(cè)量結(jié)果，其中，0.7bar 為調(diào)節(jié)系統(tǒng)最低信號(hào)油壓，6.0bar 為機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的信號(hào)油壓。兩種信號(hào)下泄流量均超過(guò)16L/min。采用同樣方法測(cè)量新油動(dòng)機(jī)泄漏量為2.0~2.2L/min。由此判斷：經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后油動(dòng)機(jī)泄漏量明顯增大。

表3 油動(dòng)機(jī)泄漏量試驗(yàn)結(jié)果

3.3 油動(dòng)機(jī)故障原因

油動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，孔板下游動(dòng)力油油壓不小于主活塞下腔室所需壓力時(shí)才能保證閥門維持所需的開度。三臺(tái)給水泵均載運(yùn)行工況下油動(dòng)機(jī)下腔室所需的油壓為4.79bar（見表2），應(yīng)用下列公式（參見HG/T 20570.15-95《管路限流孔板的設(shè)置》）求出該工況下需動(dòng)力油的最大流量。

式中：Q——流量，m3/h；

C ——孔板流量系數(shù)（參照上述文獻(xiàn)選?。?；

D ——孔板孔徑，m；

ΔP——孔板上下游壓差，Pa；

γ ——流體相對(duì)密度（與4℃水密度相比，VG32 號(hào)透平油45℃下相對(duì)密度為0.85）。

按照上述公式計(jì)算單位換算后，最終的結(jié)果為11.9L/min。實(shí)測(cè)油動(dòng)機(jī)動(dòng)力油泄漏量大于通過(guò)孔板最大的動(dòng)力油流量，說(shuō)明在孔板下游及主活塞下腔室內(nèi)部無(wú)法建立對(duì)應(yīng)工況所需要的動(dòng)力油油壓，油動(dòng)機(jī)無(wú)法維持抽汽調(diào)節(jié)閥門所需開度。由此確定：油動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行引起部件磨損并導(dǎo)致泄漏量異常增大是抽汽調(diào)節(jié)閥門異常關(guān)閉的原因。

4 制定解決措施

采用在油動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)表面鑲?cè)肽湍ヒr套的方案來(lái)解決磨損問(wèn)題。耐磨襯套設(shè)計(jì)為可更換結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)異常磨損后及時(shí)更換。

5 結(jié)語(yǔ)

滑閥類設(shè)備的部件的磨損程度直接影響設(shè)備性能和功能。本例故障表明：僅僅通過(guò)尺寸測(cè)量無(wú)法準(zhǔn)確判斷滑閥類設(shè)備的磨損程度及性能。需對(duì)性能及泄漏量進(jìn)行定期檢測(cè)，長(zhǎng)期跟蹤數(shù)據(jù)變化，以此評(píng)價(jià)油動(dòng)機(jī)整體狀態(tài)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。