汽動(dòng)給水泵非能動(dòng)控制機(jī)理與脫扣試驗(yàn)調(diào)整

文 學(xué)，侯曉宇，杜鵬程

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

0.1 系統(tǒng)功能

輔助給水系統(tǒng)（ASG）是壓水堆核電站的專設(shè)安全設(shè)施，在任一正常給水系統(tǒng)（APA，ARE，APD）故障時(shí)，輔助給水系統(tǒng)運(yùn)行，以導(dǎo)出堆芯余熱，至余熱排出系統(tǒng)（RRA）可投運(yùn)的狀態(tài)[1]。

為滿足單一故障準(zhǔn)則，ASG 設(shè)置成雙系列2×100%容量：即可由應(yīng)急電源供電的2×50%電動(dòng)輔助給水泵系列；可由主蒸汽系統(tǒng)（VVP）或輔助蒸汽分配系統(tǒng)（SVA）供汽的2×50%汽動(dòng)輔助給水泵（以下簡(jiǎn)稱汽輔泵）系列。汽輔泵與電輔泵采用完全不同的結(jié)構(gòu)，以避免共模失效。

0.2 結(jié)構(gòu)原理

某核電廠的汽輔泵型號(hào)TWL-45S，為臥式兩級(jí)單吸離心泵，汽輪機(jī)配置單級(jí)葉輪。泵與驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)采用一體化集成設(shè)計(jì)（同軸、同殼體），既提高了運(yùn)行可靠性，又減少了維修工作量。此外，汽輔泵還有如下特點(diǎn)。

（1）配置機(jī)械式流量非能動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)蒸汽流量與泵水流量動(dòng)態(tài)平衡；

（2）設(shè)置了機(jī)械和電氣兩種非能動(dòng)脫扣功能，保護(hù)泵組安全運(yùn)行；

（3）正常運(yùn)行時(shí)無(wú)需外部供應(yīng)水或油等潤(rùn)滑冷卻；

（4）無(wú)需預(yù)潤(rùn)滑或暖泵而快速啟動(dòng)（2 s 可達(dá)90%額定轉(zhuǎn)速）；

（5）無(wú)機(jī)械密封、聯(lián)軸器等部件；

（6）汽輪機(jī)側(cè)懸空以適應(yīng)汽缸膨脹，汽缸蓋設(shè)置一根平衡管連接至乏汽側(cè)，以減小高壓蒸汽淤積而產(chǎn)生的軸向力。

1 汽輔泵的非能動(dòng)控制機(jī)理

1.1 流量非能動(dòng)控制

1.1.1 常規(guī)設(shè)計(jì)的安全風(fēng)險(xiǎn)

常規(guī)泵組未設(shè)計(jì)流量自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，須通過(guò)改變閥門開(kāi)度或變頻電機(jī)等調(diào)節(jié)泵組流量。這無(wú)法保障在事故狀態(tài)下，汽輔泵出口流量符合安全要求。

例如汽輔泵出口管道破裂后，管道阻力驟減，使得泵出口流量劇增而超出系統(tǒng)和設(shè)備的安全極限值，存在輔助給水箱被快速抽干、泵汽蝕等而導(dǎo)致ASG 核安全功能不可用（I0）的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.2 流量非能動(dòng)控制機(jī)理

汽輔泵的流量非能動(dòng)特性使得汽輪機(jī)入口蒸汽流量隨動(dòng)于泵出口水流量。因而使得泵組偏離穩(wěn)態(tài)工況后能快速準(zhǔn)確回到新的平衡狀態(tài)，還使得事故工況下泵的最大流量符合安全要求，從而提高泵組的可靠性和效率。

根據(jù)流體力學(xué)基本原理，可列出文丘里管的理論方程，見(jiàn)式（1）。

式中 A1——入口面積

P1——入口壓力

A2——喉部面積

P2——喉部壓力

ΔP——P1和P2之差

由上式可知，當(dāng)泵出口流量升高時(shí)，經(jīng)過(guò)文丘里管的水壓差（ΔP）增加，從而對(duì)活塞施加向下的力增加，該力通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器杠桿使得汽輪機(jī)蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)口變小，降低蒸汽進(jìn)入量使得汽輪機(jī)適當(dāng)減速，從而使得泵出口水流量適當(dāng)降低。反之亦然。

1.2 脫扣非能動(dòng)控制

1.2.1 功能與組成

泵組在發(fā)生甩負(fù)荷（突變零流量、泵軸斷裂等）、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥故障等瞬態(tài)時(shí)均可能造成超速事故。非能動(dòng)脫扣使泵發(fā)生超速后緊急停機(jī)，保障泵組及其系統(tǒng)的安全。

汽輔泵的非能動(dòng)脫扣系統(tǒng)由電氣和機(jī)械脫扣組成，以兩道獨(dú)立屏障方式保障汽輔泵及系統(tǒng)安全。兩種脫扣都基于將主汽門活塞與乏汽側(cè)連通，以快速關(guān)閉主汽門，實(shí)現(xiàn)泵組停機(jī)。電氣和機(jī)械脫扣的動(dòng)作轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)如下[2]：電氣脫扣（9250～9420）r/min；機(jī)械脫扣（9675～9850）r/min。另外，為更好地避免泵組超速事故，還冗余設(shè)置第二級(jí)電氣脫扣（101 10～102 80）r/min。

1.2.2 電氣脫扣

電氣脫扣通過(guò)在主汽門活塞的脫扣側(cè)設(shè)置一個(gè)電磁閥，當(dāng)測(cè)速計(jì)監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)速達(dá)設(shè)定值后，觸發(fā)電磁閥開(kāi)啟，隨后主汽門活塞脫扣側(cè)與乏汽側(cè)連通，從而將活塞脫扣側(cè)的壓力快速降低至乏汽壓力，主汽門在巨大壓差的作用下快速關(guān)閉，從而將汽輔泵停機(jī)。電氣脫扣也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制柜或主控的脫扣按鈕實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 機(jī)械脫扣

（1）主要結(jié)構(gòu)。汽輔泵的機(jī)械脫扣主要由掛扣組件和機(jī)械飛錘等組成。①掛扣組件。觸發(fā)器由彈簧及脫扣桿定位而與軸表面保持（0.381～0.686）mm 的間隙。脫扣桿與復(fù)位桿通過(guò)橫向插銷連接，觸發(fā)器施加給脫扣桿——復(fù)位桿組件逆時(shí)針的靜力矩使得錐形閥芯桿往上壓縮彈簧而關(guān)閉錐形閥。②機(jī)械飛錘包括子母飛錘及對(duì)應(yīng)彈簧、調(diào)整螺塞等。采用雙彈簧與雙飛錘結(jié)構(gòu)、真空潤(rùn)滑等獨(dú)特設(shè)計(jì)，子飛錘置于母飛錘的密封保護(hù)中，避免飛錘所處環(huán)境介質(zhì)參數(shù)（如水溫度壓力）變化的影響，提高了運(yùn)行準(zhǔn)確性和使用壽命。

泵停運(yùn)時(shí)，子飛錘的質(zhì)心在飛出端，母飛錘及飛錘整體的質(zhì)心均在反方向。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于脫扣轉(zhuǎn)速時(shí)，彈簧力大于離心力使得飛錘保持在軸內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至設(shè)定的機(jī)械脫扣轉(zhuǎn)速時(shí)，子飛錘因離心力快速向外飛出從而帶動(dòng)母飛錘向外移動(dòng)打擊觸發(fā)器，使得觸發(fā)器與脫扣桿脫開(kāi)，復(fù)位桿旋轉(zhuǎn)而落下，由此使得錐形閥打開(kāi)，從而將主汽門活塞的脫扣側(cè)與乏汽側(cè)連通，由此關(guān)閉主汽門。

機(jī)械脫扣也可現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。即通過(guò)推進(jìn)泵體上的推進(jìn)桿，使得觸發(fā)器與脫扣桿—復(fù)位桿組件脫開(kāi)，導(dǎo)致錐形閥打開(kāi)，由此使得主汽門活塞脫扣側(cè)與乏汽側(cè)連通而使主汽門快速關(guān)閉，從而將汽輔泵停機(jī)。

在執(zhí)行機(jī)械超速試驗(yàn)時(shí)，需按下電氣脫扣屏蔽按鈕。緩慢關(guān)閉泵入口閥，依靠汽輔泵的流量非能動(dòng)控制機(jī)理而使得泵轉(zhuǎn)速逐漸升高，檢驗(yàn)在設(shè)定脫扣轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械脫扣動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

（2）復(fù)位。電氣脫扣后復(fù)位?？赏ㄟ^(guò)按壓現(xiàn)場(chǎng)控制柜或主控的復(fù)位按鈕實(shí)現(xiàn)。機(jī)械脫扣后復(fù)位?？赏ㄟ^(guò)抬起泵復(fù)位桿或按下控制柜的復(fù)位按鈕實(shí)現(xiàn)。

2 脫扣試驗(yàn)調(diào)整優(yōu)化方法

根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)要求，汽輔泵需定期進(jìn)行超速試驗(yàn)，并分別驗(yàn)證電氣和機(jī)械脫扣能否準(zhǔn)確動(dòng)作，保障機(jī)組設(shè)計(jì)安全可靠。

2.1 機(jī)械脫扣動(dòng)作失準(zhǔn)

某廠汽輔泵調(diào)試期間進(jìn)行超速試驗(yàn)時(shí)，按設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)（EOMM）要求泵組應(yīng)在（9675～9850）r/min 實(shí)現(xiàn)機(jī)械脫扣，但實(shí)際轉(zhuǎn)速升至10 660 r/min 時(shí)機(jī)械脫扣才動(dòng)作。按照EOMM 說(shuō)明：將調(diào)整螺塞順時(shí)針（逆時(shí)針）旋轉(zhuǎn)1°可使得機(jī)械脫扣動(dòng)作轉(zhuǎn)速降低（升高）約50 r/min。

因此，將調(diào)整螺塞順時(shí)針旋轉(zhuǎn)約15°后試車，泵組在7600 r/min 時(shí)便機(jī)械脫扣。而后，將調(diào)整螺塞旋回原位后再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)2°，此時(shí)泵組在10 460 r/min 機(jī)械脫扣。隨后，多次按照EOMM 要求進(jìn)行調(diào)整，但發(fā)現(xiàn)脫扣動(dòng)作轉(zhuǎn)速均未完全符合EOMM 的描述，呈現(xiàn)一定的不確定性。

2.2 機(jī)械飛錘動(dòng)作失準(zhǔn)原因分析

結(jié)合機(jī)械飛錘的結(jié)構(gòu)原理及前人研究[3-5]，分析超速試驗(yàn)時(shí)機(jī)械脫扣失準(zhǔn)主要有彈簧特性、飛錘結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素和泵組振動(dòng)等原因。

2.2.1 彈簧特性

彈簧的性能優(yōu)劣直接影響飛錘的動(dòng)作情況。彈簧塑性變形、剛度等對(duì)超速試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與復(fù)現(xiàn)性等影響很大。

（1）塑性變形。彈簧塑性變形將導(dǎo)致彈力與預(yù)期值不同而導(dǎo)致動(dòng)作轉(zhuǎn)速達(dá)不到預(yù)期。還會(huì)使調(diào)整螺塞的旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生誤差，由此而使得旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺塞時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速變化與EOMM 描述規(guī)律不一致。

（2）剛度。若彈簧剛度線性不佳，將導(dǎo)致彈簧受力后剛度變化較大，特別在調(diào)整過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相同調(diào)整量而轉(zhuǎn)速變化不同現(xiàn)象。

2.2.2 飛錘結(jié)構(gòu)

飛錘零部件較多，制造及裝配等各環(huán)節(jié)質(zhì)量控制不良都可能影響動(dòng)作轉(zhuǎn)速。如調(diào)整螺塞與軸孔螺紋的嚙合間隙較大可能導(dǎo)致調(diào)整螺塞在調(diào)整后旋緊定位螺釘過(guò)程中誤碰螺塞而產(chǎn)生移位；螺紋變形等使得螺紋導(dǎo)程誤差過(guò)大而使得調(diào)整螺塞調(diào)整量誤差過(guò)大或牙間載荷不均等，導(dǎo)致動(dòng)作轉(zhuǎn)速達(dá)不到預(yù)期值。另外，盡管EOMM 指出了調(diào)整螺塞旋轉(zhuǎn)角度與轉(zhuǎn)速變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但由于調(diào)整螺塞的尺寸較小在實(shí)際調(diào)整時(shí)不便于準(zhǔn)確測(cè)量出螺塞旋轉(zhuǎn)角度，由此產(chǎn)生誤差。

2.2.3 環(huán)境因素

飛錘處于一定溫度和壓力的水中，水的溫度壓力不同可能影響飛錘動(dòng)作轉(zhuǎn)速。如溫度降低時(shí)彈簧剛度升高，從而影響動(dòng)作轉(zhuǎn)速。

2.2.4 泵組振動(dòng)

振動(dòng)通過(guò)振幅與相位角一起影響飛錘動(dòng)作轉(zhuǎn)速。即當(dāng)泵組產(chǎn)生足夠的振幅且有利于飛錘飛出的相位角時(shí)，將使得飛錘較設(shè)定的脫扣轉(zhuǎn)速低而動(dòng)作。反之亦然。

2.3 優(yōu)化方法

彈簧的剛度等特性均有專業(yè)機(jī)構(gòu)證明合格且泵之前未曾運(yùn)轉(zhuǎn)，故判定其合格。對(duì)于環(huán)境溫度、泵組振動(dòng)等參數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人員測(cè)試均合格，故排除其影響。由此分析得出：需根據(jù)飛錘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，優(yōu)化動(dòng)作轉(zhuǎn)速的調(diào)整方法。

優(yōu)化的調(diào)整方法包含：①將調(diào)整螺塞旋轉(zhuǎn)一定量后再回旋一定量，以使得螺塞與軸孔螺紋充分緊密嚙合；②將調(diào)整螺塞的調(diào)整量從旋轉(zhuǎn)角度折算為周向旋轉(zhuǎn)位移，以便于測(cè)量；③在調(diào)整螺塞旋轉(zhuǎn)完畢后緊定位螺釘時(shí)，要嚴(yán)格確保不能讓調(diào)整螺塞有絲毫位移。

采用上述方法調(diào)整后試車，泵機(jī)械脫扣動(dòng)作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在9750 r/min，符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

介紹汽輔泵的一體化集成設(shè)計(jì)、非能動(dòng)控制機(jī)理等主要特性。分別基于電氣和機(jī)械兩種脫扣功能，闡述了非能動(dòng)脫扣機(jī)理的安全性能、結(jié)構(gòu)組成和動(dòng)作原理。有利于準(zhǔn)確掌握汽輔泵的運(yùn)行控制和故障處理。

結(jié)合調(diào)試期間產(chǎn)生的機(jī)械超速試驗(yàn)動(dòng)作失準(zhǔn)案例，從多角度分析機(jī)械脫扣動(dòng)作失準(zhǔn)的原因，并提出了優(yōu)化調(diào)整方法，對(duì)同類故障處理具有一定的參考意義。