核電廠汽輔泵轉(zhuǎn)速波動原因分析及改進(jìn)

閔濟(jì)東

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

0 引言

某核電廠多次發(fā)現(xiàn)，定期試驗開始期間汽輔泵出現(xiàn)不同程度的轉(zhuǎn)速波動問題。對可能原因進(jìn)行排查，泵轉(zhuǎn)速探頭、泵入口進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥包括定位器均未發(fā)現(xiàn)異常，但發(fā)現(xiàn)在試驗前汽水分離器存在液位高報警，因而懷疑系統(tǒng)啟動前系統(tǒng)疏水能力不足、導(dǎo)致少量凝結(jié)水進(jìn)入汽輪機(jī)。

1 問題描述

某核電廠使用的輔助給水系統(tǒng)設(shè)計上作為正常蒸汽發(fā)生器給水系統(tǒng)的備用，在機(jī)組主給水系統(tǒng)喪失后，向蒸汽發(fā)生器提供備用給水，在反應(yīng)堆啟動階段和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)升溫階段，可以用來代替主給水系統(tǒng)運(yùn)行。輔助給水系統(tǒng)（ASG）屬于核電廠的專設(shè)安全設(shè)施，由2臺電動泵和兩臺輔助給水汽動泵（簡稱汽輔泵）組成，汽輔泵用于在電廠失去電源時由正蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽推動，在8.6 MPa到0.76 MPa的供氣壓力下可以運(yùn)行。

通過3根外徑114.3 mm的管道向汽輔泵的汽輪機(jī)供應(yīng)蒸汽，每根管道介入主蒸汽隔離閥上游的1根主蒸汽管，只需要一根管道就可以向汽輪機(jī)提供足夠的蒸汽。3根管道匯聚到一根外徑為168.3 mm的管道上，然后由分流到2根裝有汽水分離器的管道上，汽水分離器出口靠近汽輪機(jī)處，依靠氣動閥進(jìn)行隔離。系統(tǒng)的上游部分包括汽水分離器在內(nèi)，設(shè)計上持續(xù)進(jìn)行暖管，減少汽輔泵凝結(jié)水積水風(fēng)險，凝結(jié)水靠汽水分離器和下游的疏水器排出。

汽輔泵在機(jī)組啟動階段需要執(zhí)行定期試驗，以驗證泵的機(jī)械超速和電氣超速、泵供水能力等能力。試驗開始期間，多次發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)不同程度的轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象：正常汽動泵轉(zhuǎn)速在（8000±20）r/min附近波動，但在啟泵初期經(jīng)常波動至（8000±100）r/min，在穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后泵恢復(fù)至正常轉(zhuǎn)速（圖1）。

圖1 4ASG004PO轉(zhuǎn)速波動圖

凝結(jié)水對汽輪機(jī)的主要影響有以下4個：

（1）汽輪機(jī)動靜部分碰磨。汽輪機(jī)進(jìn)入凝結(jié)水，處于高溫下的金屬部件受到冷卻而收縮，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和變形，動靜之間間隙發(fā)生變化，可能產(chǎn)生軸向或徑向碰磨，嚴(yán)重時可能發(fā)生汽輪機(jī)大軸彎曲事故。

（2）葉片損傷乃至斷裂。當(dāng)通流部分的凝結(jié)水量較大時，可能會葉片損傷和斷裂。

（3）推力瓦磨損或燒毀。進(jìn)入汽輪機(jī)的凝結(jié)水密度比蒸汽密度大，在噴嘴內(nèi)不能獲得與蒸汽同樣的加速度，出噴嘴時絕對速度偏小，汽流不能按設(shè)計方向進(jìn)入動葉通道，產(chǎn)生一個額外的軸向力，汽輪機(jī)軸向推力增大。實際運(yùn)行中，軸向推力可能增大到正常運(yùn)行時的10倍，推力軸承超出設(shè)計承載范圍可能導(dǎo)致推力瓦磨損或燒毀。

（4）產(chǎn)生金屬裂紋。汽輪機(jī)內(nèi)進(jìn)入凝結(jié)水，金屬在交變應(yīng)力作用下可能出現(xiàn)裂紋，如汽動泵口環(huán)、二級葉輪等可能出現(xiàn)裂紋缺陷。

電廠對可能原因進(jìn)行排查，對泵轉(zhuǎn)速探頭、泵入口進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥包括定位器進(jìn)行了檢查均未發(fā)現(xiàn)異常，通過系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)在試驗前汽水分離器存在液位高報警，懷疑系統(tǒng)啟動前系統(tǒng)疏水能力不足導(dǎo)致少量凝結(jié)水進(jìn)入汽輪機(jī)。

2 疏水量計算

2.1 系統(tǒng)布置

該核電廠輔助給水汽動泵的蒸汽來源于核電廠蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的主蒸汽，從主蒸汽隔離閥前的3條主管道出來的主蒸汽經(jīng)匯合成1條母管后，分別進(jìn)入兩列汽輔泵，經(jīng)汽水分離器后進(jìn)入汽輪機(jī)，輸水通過汽水分離器下游的疏水器排放。

2.2 疏水量計算

啟動階段的飽和蒸汽管道疏水量的計算，通常認(rèn)為啟動疏水量等于暖管的蒸汽量[1]，蒸汽放出的熱量Q：

式中

Q——用以加熱管道和保溫材料的蒸汽放出的熱量，kJ

Cn——保溫材料的比熱，kJ/（kg·K）

Cr——管道的比熱，kJ/（kg·K）

Wn——單位長度保溫材料重量，kg/m

Wr——單位長度管道的重量，kg/m

θ0——穩(wěn)態(tài)的蒸汽溫度，K

θ1——保溫材料的外表面溫度，K

θm——穩(wěn)態(tài)保溫材料平均溫度，K

其中，γ=H－h(huán)，H為蒸汽的焓（kJ/kg），h為相同壓力下飽和水焓（kJ/kg），t為暖管時間。

蒸汽管道及閥門在啟動階段所產(chǎn)生的凝結(jié)水量[2]，計算Gcal：

式中 Gcal——為計算的凝結(jié)水量，kg/h

W1——管道和閥門的總重量，kg

W2——用于管道和閥門的保溫材料重量，kg

C1——管道的比熱，kJ/（kg·K）

C2——保溫材料的比熱，kJ/（kg·K）

Δt1——管道的升溫速度，一般取Δt1=5℃/min

Δt2——保溫材料的升溫速度，一般取Δt2=Δt1/2

i1——工作條件下飽和蒸汽的焓，kJ/kg

i2——工作條件下飽和水的焓，kJ/kg

2.3 管道和閥門重量計算

對于汽輔泵的入口管線，經(jīng)查詢管道等軸圖，主蒸汽系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)管道重量見表1。

表1 主蒸汽系統(tǒng)（VVP）和輔助給水系統(tǒng)（ASG）系統(tǒng)管道重量kg

求和得W1=8109.637+1160×2=10 429.637 kg。

2.4 保溫材料重量的計算

對于直徑大于2 m的管道外壁，可以近似按平壁保溫計算[3]：

式中 δ——保溫層厚度，m

λ——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/（m·h·℃）

α——保溫層外表面放熱系數(shù)，kJ/（m·h·℃）

t0——保溫層內(nèi)表面溫度，℃

ts——保溫層外表面溫度，℃

tp——環(huán)境溫度，℃

k——修正系數(shù)，一般取1.2

對于管徑小于2 m的管道，其保溫層厚度按下式計算：

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其中，D1為保溫層理論外徑，D0為保溫層內(nèi)徑。

管道保溫層重量W2=其中，ρ為保溫材料密度，L為管道長度。

由于保溫層的密度為128 kg/m3，查詢并計算管道保溫層的總重量W3=452.774 kg。

對于ASG001/003ZE，考慮其為兩位半球形的封頭，采用近似計算等效于長度1046 mm、直接404 mm的管道，其保溫層的重量

因而，W2=W3+2W4=452.774+2×7.466=467.706 kg。

2.5 疏水量計算

查詢P280gh為低合金鋼，C1=0.486 kJ/（kg·k），查詢C2=0.837 kJ/（kg·k）。在蒸汽壓力7.6 MPa時，i1=2763.53 kJ/kg，i2=1297.1 kJ/kg。

通過式計算，Gcal=×60=1074.81 kg/h。所以，該系統(tǒng)啟動階段輸水量為1074.81 kg/h。

2.6 安全系數(shù)

計算得知Gr=3×1074.81=3224.43 kg/h，即該系統(tǒng)在啟動階段的輸水量應(yīng)為3224.43 kg/h。

3 管道疏水器

管道設(shè)置有并聯(lián)的兩個疏水器，其疏水能力見表3。通常情況下，疏水器的輸水量與壓差成正比。

表3 疏水器的工作能力

即在0.1 MPa的壓差下，兩個疏水器的疏水能力為200 kg/h＜3224.43 kg/h，不能滿足啟動階段的疏水量。得出偏差的主要原因在于未充分考慮安全系數(shù)n的影響，設(shè)計階段系統(tǒng)安全系數(shù)考慮不足。

4 解決方案

在機(jī)組啟動時，由于疏水器不能滿足啟動階段的輸水量，可由運(yùn)行部門將疏水器旁路隔離閥打開，保持小開度連續(xù)疏水。

后續(xù)電廠應(yīng)采取技改將疏水器換型為更大疏水能力的疏水器，滿足各個階段的輸水要求。

5 結(jié)束語

通過對輔助給水汽動泵在啟動階段輸水量的計算，得出當(dāng)前系統(tǒng)配置的疏水器不能滿足啟動輸水量的要求，輸水量不足引起疏水進(jìn)入汽輪機(jī)，進(jìn)而導(dǎo)致啟動階段汽輔泵轉(zhuǎn)速存在波動。偏差的原因主要在于未考慮安全系數(shù)的影響，系統(tǒng)設(shè)計階段安全系數(shù)考慮不足。本次改造為疏水閥門的換型提供了理論依據(jù)。