主給水泵濾網壓差高問題分析及設計改進

劉 星

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350300）

主給水泵濾網壓差高問題分析及設計改進

劉 星

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350300）

本文通過對福清核電1號機組商運期間主給水壓力級泵入口濾網壓差高 （均值高于報警值）問題進行分析，發現濾網的通流面積不足和截面出水能力低于行業標準是主要原因。通過對濾網的形狀和結構進行改進，相同流量下濾網壓差值最大下降57%，改進效果明顯，滿足設計要求。該濾網的設計改進經驗，對后續機組處理類似問題具有借鑒意義。

壓差高；通流面積；截面出水能力

1 主給水泵功能簡介

福清核電主給水泵組由英國SPX公司制造，泵組分別由前置泵、電機、液力耦合器、壓力級泵串聯而成 （見圖1）。主給水系統設計了兩個濾網，一個濾網在前置泵入口，過濾精度為3mm；另一個濾網在壓力級泵入口，過濾精度為80目。整個主給水系統通過兩個濾網來過濾介質中的雜質，保證泵組可靠運行。

2 主給水泵濾網故障介紹

福清核電1號機組主給水泵組自機組商運后，出現壓力級泵入口濾網壓差值上升較快，并且持續超過高高報警值 （0．1MPa）的問題，后續維修人員在更換和清洗濾網的過程中，發現濾網在管道出口位置堵塞較為嚴重，并存在濾網嚴重變形，甚至破損的現象 （見圖2）。

如果濾網出現破損，將失去過濾作用，介質中的雜質和濾網碎片將進入壓力級泵內，使葉輪產生渦流磨損，使泵的汽蝕能力變差，泵的振動溫度升高，最終導致泵不可用。因此查找濾網壓差高和容易變形的根本原因，并采取有效應對措施，是保證泵組穩定運行的關鍵。

圖1 主給水泵組系統簡圖Fig．1 Sketch of main feedwater pump system

圖2 濾網變形及破損Fig．2 The filter distortion and broken

3 濾網壓差高問題原因分析

3．1 濾網通流面積的計算

濾網的通流面積是衡量濾網性能好壞的重要指標，通流性能主要表現在濾網有效過濾面積與進水面積之間的比值，比值越大表示通流面積越大 （參考文獻 ［1］），濾網通流性能越好；反之越小。參照原濾網的相關尺寸 （參考文獻 ［4］）通流面積計算如下 （見圖3）。

圖3 原濾網管道以及濾網尺寸Fig．3 Sizes of original strainer and its tube

注：濾網入口管道內徑尺寸為482mm

注：網片水阻系數的算法為 （見圖4），相鄰4個孔的中心連成菱形，孔的面積 （過水）與菱形 （不過水）的面積的比值，就是網片水阻。

圖4 原濾網的網片尺寸Fig．4 Size of single mesh of original filters

注：在一個邊長為25．4mm的正方形面積內，所有正方形孔的面積與濾布總面積的比值，就是濾布的水阻系數。

將公式 （4）、（5）、（6）代入公式 （3）得到：

注：由于網片有兩層，所以水阻要乘兩次。將公式 （2）、（7）代入公式 （1）得到：

根據行業標準SH／T 3411—1999（參考文獻 ［3］），永久性濾網的有效過濾面積與相連的管道通流面積之比不宜小于1．5，經過計算原濾網有效過濾面積與進水面積之比為0．85，低于行業標準要求。

3．2 濾網截面出水能力的計算

濾網截面出水能力是衡量濾網性能的又一重要指標，計算方式為截面面積與進水面積比值，該比值無明確的標準、規范要求，但行業通用規定為濾網截面面積應大于等于濾網的進水面積，這樣可保證濾網出水通暢，不會發生反流或擾流現象。

從濾網的進水截面的側視圖可知，濾網的外徑與管道內徑形成一個圓環，圓環的面積計算如下：

由前面計算可知濾網進口面積是182 374mm2，原濾網截面面積小于濾網進口面積，低于行業通用規定。

從實際觀察到的濾網堵塞情況也可以佐證這個結論，表現為濾網在過濾器出口對應的位置堵塞比較嚴重，而其他位置比較干凈，說明濾網在出口側水流比較通暢，且水流是單方向的，雜質容易留在濾網截面，而濾網其他位置水流擾流較大，水流方向復雜，雜質反而不容易留在濾網上。

3．3 濾網結構設計缺陷和強度不足

福清核電1號機組主給水泵原濾網在結構上存在前部彈性支撐剛度不足和后部止口長度偏短的缺陷。當濾網在水沖擊力的作用下，前部彈性支撐變形量超過后部止口長度，濾網從止口處脫落，與管道內的支撐產生摩擦，導致濾網的外壁容易變形甚至破損 （見圖5）。

圖5 管道支撐和濾網對應位置產生的變形Fig．5 Deformation of pipe supporting and filters

同時，濾網在強度設計上也存在不足，網片壁厚1．5mm （參考文獻 ［4］），整個濾網是兩個網片拼接而成，所有接縫處均使用點焊連接 （見圖6）。

圖6 濾網接縫處全部采用點焊固定Fig．6 Spot welding at the conjunction of filters

福清核電1號機組主給水泵原濾網通流面積低于國家標準，截面出水能力也低于行業通用規定，是濾網壓差高的根本原因，加上結構和強度上的設計缺陷，使濾網頻繁變形和破損。因此，增大濾網通流面積、改善截面出水能力、改變結構以及增加強度是解決目前問題的關鍵。

4 新濾網改進設計分析

4．1 新濾網通流面積的計算

新濾網通過加長長度和改變形狀，在確保80目過濾精度不變的基礎上，增加濾網通流面積。下面從理論上計算新濾網的通流面積 （見圖7）是否滿足行業標準。

圖7 新濾網尺寸圖Fig．7 Size of new filters

將公式 （4）、（5）、（6）代入 （3），考慮濾網10mm 的厚度，計算 （參考文獻 ［5］）如下：

圖8 新濾網網片Fig．8 Mesh of new filters

通過計算，新濾網的通流面積比值為1．91，滿足行業標準 SH／T 3411—1999要求，通流面積比原濾網增加了124%。

4．2 新濾網截面出水性能的計算

新濾網截面尺寸是經驗值，如果這個值設置過大，雖然可以解決濾網截面出水性能的問題，但是濾網直徑會因此減小，濾網通流面積就會減小；反之，設置太小可以增加濾網直徑，但濾網截面的出水能力就會下降。

新濾網在過濾器出口對應位置設計成圓臺形狀 （見圖7），這樣可以增加濾網截面的出水能力，后端設計成圓柱形狀，可保證濾網的通流面積。新濾網改進如下：一是新濾網外部筒體直徑由660mm增加到760mm；二是在圓臺濾網后增加一個圓柱形濾網 （圓柱直徑550mm，圓臺頂面直徑430mm）。截面面積詳細計算如下：

通過理論計算，新濾網截面面積為229 010．5mm2，大于濾網進水面積，高于行業通用規定，新濾網比原濾網截面面積增加77%。

4．3 新濾網結構和強度的設計改進分析

新濾網通過增加軸向限位柱、平衡孔和增長止口長度來解決濾網容易脫出止口的問題；通過設計ф89mm×2 600mm×5mm的龍骨以及相應的筋板 （見圖9）來增加濾網的整體抗變形能力。經過上述改進，使得新濾網整體的抗變形能力較原濾網增加了1倍以上，理論上可以承受0．3～0．4MPa的壓差，新濾網整體強度滿足現場使用要求。

圖9 新濾網彈性支撐、限位柱、龍骨和連接方式Fig．9 Elastic supporting／limited post／keel beam of new filters and their conjunction

4．4 濾網參數對比

有效通流面積新濾網 347 034mm2 229 010．5mm2原濾網 154 612mm2 129 682mm2增 幅 124% 77%

通過上表對比，新濾網在性能上比原濾網有較大改善，且新濾網在結構上解決了限位、強度等問題，因此從理論上計算，應能解決原濾網存在的問題。

5 新濾網驗證

5．1 驗證數據

福清核電2號機組3號主給水泵，從2015年6月8日開始安裝，7月1日安裝工作完成。各流量下濾網壓差結果記錄如下：

1 800m3／h 2 000m3／h 2 500m3／h 3 000m3／h 3 300m3／h0．003MPa 0．01MPa 0．02MPa 0．02MPa 0．03MPa0．02MPa 0．03MPa 0．04MPa 0．07MPa 0．074MPa0．02MPa 0．03MPa 0．05MPa 0．08MPa 0．09MPa0．03MPa 0．03MPa 0．04MPa 0．06MPa 0．069MPa

根據上表得出，新濾網在相同流量下的壓差值下降明顯，最大降幅達57%，大幅提升了設備的運行可靠性。

5 結論

通過分析福清核電主給水泵濾網壓差高的原因，在保證新濾網過濾精度的基礎上，對尺寸、結構進行了改進，使得通流面積高于標準，截面出水能力滿足行業通用規定要求。經驗證，新濾網在相同流量下較原濾網壓差最大降幅達57%，改進效果明顯，正常運行的壓差小于0．08MPa，滿足系統設計要求，徹底解決濾網壓差高的問題。該濾網的設計改進經驗，對后續機組處理類似問題具有借鑒意義。

［1］孫東坡，宋永軍，宮鵬杰，等 ．流道濾網微觀阻力機理試驗研究及應用 ［M］．北京：水動力學研究與進展出版社，2010：218－220．SUN DonG－po，SONG YonG－jun，Gong PenG－jie，Wang Er－ping．Analysis and application of microresistance mechanism for filtration net in inlet conduit［J］．Chinese Journal of Hydrodynamics，2010，25（6）：751－757．

［2］克萊德泵業有限公司 ．主給水泵運行維護手冊［DB］．英 國： 克 萊 德 泵 業 有 限 公 司，2009：338－350．Clyde Union Pumps．Equipment operation and maintance manual of main feedwater pump ［DB］．British：Clyde Union Pumps，2009：338－350．

［3］國家石油和化學工業局 ．SH／T 3411—1999：石油化工泵用過濾器選用、檢驗及驗收 ［S］．北京：國家石油和化學工業局，1999．SH／T 3411—1999［S］．SHJ of China，1999．

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［5］袁壽其，施衛東，劉厚林 ．泵理論與技術 ［M］．北京：機械工業出版社，2014：121－125．YUAN Shou－qi，SHI Wei－dong，LIU Hou－lin．Pump theory and technology ［M］．Beijing： Mechanical industry，2014：121－125．

Cause Analysis and Design Improvement for the Filter Pressure Difference of Main Feedwater Pump

LIU Xing
（Fujian Fuqing Nuclear Power Co．，Ltd．，Fuqing，Fujian Prov．350300，China）

This paper analyzes the high pressure difference of strainer at the inlet of high pressure pump based on Unit 1of Fuqing nuclear power plant．It finds out that the problem lies in the limited strainer flow area and less flowage．The maximum pressure difference decreases by 57%after modifying the shape and structure of strainer．This modification will provide guidance for future similar problem

high pressure difference；flow area；crosS－section capacity

TM623 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0405－06

TM623

A

1674－1617 （2017）03－0405－06

10．12058／zghd．2017．03．405

2017－06－07

劉 星 （1984—），男，江蘇邗江人，學士，工程師，現主要從事核電廠泵類設備技術管理工作 （E－mail：liuxing＠fqnp．com）。

（責任編輯：白佳）