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核电厂主给水系统再循环阀设计布置试验研究
来源:哲成阀门 作者:www.76609.net 发布时间:2019-6-27 阅读:次
  

0 引 言

    再循环阀也称最小流量调节阀,安装于主给水泵出口至除氧器的再循环管线上。主给水泵将水从除氧器里吸出送往二回路。当给水流量由于机组运行工况而低于最小值时,将导致主给水泵内的介质汽化而使设备无法工作,甚至损坏[1]。为防止主给水泵过热以及气蚀产生,主给水泵的流量在任何情况下都必须控制在某一个安全流量之上,这个流量即是最小流量。再循环管道从除氧器的上方接入到除氧器。当机组运行流量低至运行限值时,系统将自动打开再循环阀,将一部分高压水从主给水泵出口经再循环管线回流至除氧器,在局部进行循环,使得主给水泵处于“待机”状态,以保证主给水泵的安全运行。

    本文主要研究再循环阀的设计布置对主给水泵异常启动的影响。

1 主给水系统问题产生

    主给水泵是核电厂二回路的心脏,是主给水系统的核心设备[2],在正常运行工况和预期运行事件时保证蒸汽发生器的给水,并维持蒸汽发生器在安全水位。该核电厂主给水系统采用定速给水泵,每台泵组布置在有独立柔性支持的混凝土台板上,台板通过隔振器弹簧与楼板相接。泵组布置在常规岛8 m层,从33 m层的除氧器取水,通过二回路输送至核岛。正常运行时流量约1500 t/h,管内流速1.6 m/s。

    主给水泵进入设备单体调试阶段,启泵后泵组振动值超标,泵体和电机对中偏移,弹性基础台板产生位移,水平度发生倾斜,且无法复位,上述现象随着启动次数的增加而逐渐恶化。经检查,再循环阀附近管道在系统启动瞬间能听到小幅清脆的爆破声音,并观察到再循环阀出现突然跳动的情况。泵组启动时间为1.75 s,当启动完成进入正常状态后,上述瞬态现象消失,但泵组运行几分钟后因振动超标而自动停泵。

图1 泵组检测仪表布置

Fig.1 Survey Meter Arrange on Pump

 

图2 泵出口检测仪表布置

Fig.2 Survey Meter Arrange on Pmp Outlet

图3 再循环阀检测仪表布置

Fig.3 Survey Meter Arrange on Recirculation Valve

2 试验检测分析

2.1 问题根源分析及检测方案

    为查找产生上述问题的根源,沿主管线从泵出口到除氧器一路排查,发现在除氧器前的再循环管道上布置有3个阀门,即电动闸阀、再循环阀、手动闸阀,该段管道在泵的启动瞬间有突然的、小幅跳动现象,并伴有清脆的爆破声音,之后趋于稳定。初步分析该管线高于除氧器,与除氧器的上部气体空间相连,管道内存在空气的可能性较大。以此推测在泵启动瞬间,管道内高压水流冲击空气造成空气压缩而引起气阻,气阻被压缩到极限导致爆破。

    为验证上述推断,在泵、电机、台板、泵出口管道、再循环管道等关键部位布置检测仪表(图1、图2和图3)。检测参数有:振动速度(测点1、2、3、4)、振动加速度(测点1、2、3、4、12、13、14)、台板位移(测点5、6)、出口管道动态压力和出口管道应变力(测点7、8、9、10、11)。

2.2 数据分析

    主给水泵出口管道的动态压力测点的压力脉动数据如图4所示,在泵启动1。4 s时,有个瞬间陡起的压力脉冲,正常情况下该脉冲是不存在的,压力应是平滑的爬升曲线。此压力脉冲换算为受力约有400 kN,即表示有400 kN的力通过管道水流作用于泵上。泵组的基础台板也发生了位移(图5),该位移在停泵后并未复位。

    上述试验证实在启动阶段存在一个对泵异常大的冲击力,将泵组基础台板推偏,并导致泵和电机不对中。多次启动后,该力一次次冲击泵组,导致系统情况不断恶化。

 

图4 动态压力脉动图

Fig.4 Dynamic Pressure Pulsation

 

图5 台板位移

Fig.5 Base Movement

    从图6显示的再循环阀振动加速度数据可以看出:在启机过程中再循环阀受到2次瞬态冲击,时间间隔1.4 s,第1次冲击引起的振动很小,振动加速度峰值约为5 m/s2;第2次冲击振动较大,振动加速度峰值约为140 m/s2。前后两次的振动加速度峰值相差28倍。相应时刻现场再循环阀附近也可听到2次明显的声音突变,第1次为撞击声,第2次为小幅清脆的爆破声,与相应时刻的振动信号特征相对应,也与泵出口管道的压力脉冲时刻相吻合。因此可初步确认,该力就是再循环阀启动时产生的水锤导致的。为了进一步证实这一结论,接下来对再循环阀结构进行分析,研究水锤产生的机理。

 

图6 再循环阀振动加速度

Fig.6 Acceleration of Recirculation Valve Vibration

3 再循环阀产生水锤机理研究

3.1 阀门布置

    再循环阀所在的管线布置见图7,该管道高于除氧器液位,且除氧器上部空间为气体空间,因此该段管道应存在气体。

图7 再循环阀布置情况

Fig.7 Recirculation Valve Arrange

3.2 再循环阀内部结构

    再循环阀为多级笼式结构[3],有多级降压阀笼,每级阀笼上有多个阻尼孔,该结构使得高速流动的分子产生撞击和摩擦的机率更大,以此来达到降压目的,阀门出口流速也由于多排孔的分布而得到了较好的控制。水流在其内部流向曲折,在有高压水流冲击到此阀时,水流由横向突然变为斜向上,给阀体一个斜向上的冲击力;同时,管道中存在空气,在启动时,阀门经历气-液两相变换,空气在高速水压下被多级阀笼阻挡而被压缩,在被压缩到极限后又迅速爆破,该力通过水流反向传导至水泵口,即产生了大水锤,正是该水锤将泵一次次地推偏。待水流冲破气阻、将空气完全排入除氧器后,该段管线全部充满水,系统进入稳态运行。

3.3 水封分析

    在相邻2次启泵间隔较短的情况下(约1 h内),紧接着第2次启泵时,该瞬时爆破力却没有明显出现。经分析,第2次启泵时,由于调节阀的特殊结构,加之再循环管道末端浸没于除氧器液位以下,管道内尚存有一段水体,来不及退去,暂时形成了水封。

表1 间隔时间较短的2次启泵数据 导出到EXCEL

Table1 Vibration Date of Two Start Pump

测点

位置

测点

方向

第1次启泵振动速度/mm·s-1

第2次启泵振动速度/mm·s-1

电机

驱动端

横向

2。2~2。5

1。6~1。8

纵向

1.7~1.8

1.1~1.3

泵驱动端

横向

6。4~8。7

3.9~4.2

纵向

4.4~5.3

4.0~4.3

    因此,首次启泵有水锤产生,但之后短时间间隔再启泵时没有听见清脆爆破声,即没有水锤产生。但是隔天再启泵时,水封退去,大水锤再次复现。表1的数据是首次启泵和间隔1 h后第2次启泵的振动数据对比,从表1中可以看出,第2次启泵的振动数据要比第1次启泵表现好。

4 充水试验

    为了再次验证上述再循环阀的特殊结构和布置位置是导致水锤产生的根源,结合现场多次启泵试验情况,对再循环管道进行了充水试验,即从再循环管线的排气阀处灌水,让再循环阀处于被水淹没的状态下启泵检测。结果气阻和水锤情况明显缓解,但未完全消失,这是因为灌水后并不能保证再循环阀完全形成水封。

4.1 泵出口压力脉动

    图8是充水前泵出口压力脉动,在1.4 s时迅速爬升并发生爆破,爆破压力峰值为7.6 MPa。隔天(确保水封退去)灌水后再启泵,压力脉动在1.0 s时迅速上升并爆破,峰值为4.8 MPa(图9)。2次启泵对比,气体压缩时间由1.4 s变为1.0 s,同时爆破压力由7.6 MPa降低至4.8 MPa。

图8 充水前泵出口压力脉动

Fig.8 Start Pump Pressure before Douche

 

图9 充水后泵出口压力脉动

Fig.9 Start Pump Pressure after Douche

4.2 再循环阀振动

    灌水前阀门爆破瞬间引起的冲击振动加速度峰值约740 m/s2(图10);隔天灌水后阀门振动加速度峰值约为40 m/s2(图11)。同时,第2次听到的爆破声也远小于第1次启泵。上述灌水试验分析进一步验证了3.2节和3.3节推理的正确性,即再循环阀的笼式阀体结构和布置位置是产生水锤的根源。

 

图10 再循环阀振动加速度(充水前)

Fig.10 Acceleration of Recirculation Valve Vibration before Douche

 

图11 再循环阀振动加速度(充水后)

Fig.11 Acceleration of Recirculation Valve Vibration after Douche

5 优化设计布置

    对再循环管阀的布置进行优化。将阀门布置于除氧器液位以下的管道中,确保每次启泵时再循环阀内部阀腔处于被水淹没的状态。优化布置后,经启泵验证发现:再循环阀处的爆破声没有出现、水锤消失、压力爬升曲线平稳、泵组台板也没产生位移。启泵前后的泵出口压力基本是一条平滑曲线(图12)。

 
图12 再循环阀优化布置后压力脉动

Fig.12 Start Pump Pressure of Recirculation Valve after Improve

6 结 论

    通过理论分析和试验研究再循环阀产生气阻和水锤的机理,并进行了优化设计布置。结果表明,在高压给水管道中布置再循环阀时,应确保阀芯完全布置于浸没水的管道中,切忌布置在有空气的管段中,以防止产生破坏性水锤。

本文Tag:调节阀、多级笼式、管道水锤、设计布置
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