自動再循環閥在核電的應用及低流量故障分析

阮杭浙

【摘 要】通過對離心泵低流量保護系統的對比，簡析自循環控制閥保護系統的優勢。針對三門核電啟動給水泵再循環回路中使用的自動再循環閥運行原理、結構及設計特點，著重分析自動再循環閥在最小流量試驗期間出現的低流量故障現象。

【關鍵詞】自動再循環；最小流量保護系統；氣蝕；低流量

中圖分類號： TQ051.21 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）05-0055-003

【Abstract】Compared with the low-flow protection system of centrifugal pump， the advantages of the self-circulation control valve protection system are briefly analyzed. For the operation principle， structure and design features of the automatic recirculation valve used in the three-door nuclear start feedwater pump recirculation loop， the low flow failure phenomenon of the automatic recirculation valve during the minimum flow test is emphatically analyzed.

【Key words】Automatic recirculation； Minimum flow protection system； Cavitation； Low flow

0 概述

三門核電啟動給水泵屬于多級離心泵，泵在啟動、停運、泵切換和主管路被突然關閉時，為了使出口壓力達到一定值，減少電機啟動電流，要求主出口閥關閉。一方面，如果出口完全關死，轉子受的剪應力會急劇增大，甚至導致泵軸斷裂；另一方面，由于泵內葉輪與泵體間隙很小，流體易于氣化，如果在沒有液體流出的情況下運轉，泵內液體將產生渦流，使其發熱汽化而發生氣蝕，從而導致部件細小損傷，失去動平衡。同時，過熱也可能引發泵的轉動部件和其他部件卡澀，因此，泵有最小連續穩定流量和最小連續熱控流量，前者主要考慮流量過小時噪聲和振動導致對泵的損壞，后者主要考慮泵送介質在溫度升高后引起蒸汽壓上升而使NPSHa注1減小，而不足以防止氣蝕的發生。

1 離心泵低流量保護方案對比

根據API610第八版中規定，最小流量有下面兩種流量來限定：

（1）最小連續穩定流量：在不超過API610第八版所規定的噪音和振動限度下泵能夠正常工作的最小流量

（2）最小連續熱限制流量：能夠維持泵的正常工作，且在運行過程中不至于由于泵送液體的升溫而引起汽蝕，損壞泵的最小流量。

最小流量裝置：如果泵在未達到最小流量的工況下運轉，則泵必須配置最小流量裝置，如：自動泄漏止回閥，旁路管等，以避免電機振動，減少噪音和防止由于介質會發而導致零件的損壞。

常見的泵的最小流量保護系統有如下三種方式：

i.設計連續循環系統

常開再循環模式是最簡單常見的形式。在再循環回路中設置手動節流閥，將手動節流閥設置一固定的開度，離心泵工作中讓最小流量通過手動節流閥返回到水箱中。

優點：投資較小；當工藝上出現小流量工況時，限流孔板旁路先自動將其消除。

缺點：不論工藝上需要多少流量，旁路線始終都有流量通過。選泵時應把旁路流量附加到操作流量上，否則易造成泵出力不夠的情況；操作費用較高；當泵的揚程很高，液體又處于飽和溫度下時，限流板孔后可能出現超臨界現象，發生氣化；節流閥長期處于沖刷狀態，閥門損壞很快，后期維修及運行成本高。

ii.設計控制循環系統

優點：選泵可不考慮旁路流量附加值；旁路只有在小流量工況時才自動打開，平時關閉以節省能量。缺點：增加一套自控回路造價太高，維修及運行成本同樣很高；旁路存在持續性流量，浪費能量；調節閥需要外力（電動、氣動），且設備多，增大故障幾率。

iii.設計自循環控制閥保護系統

優點：

（1）自循環控制閥自動識別流量變化，自動開啟主路和旁路回路，完全自動控制；

（2）無需其他外接設備或元件控制，直接與泵主出口相連，無復雜的系統連接，減少泄漏點；

（3）集成主路止回閥、旁路節流減壓閥、旁路止回閥、節流孔板、旁路最小流量等功能，節省成本。

三門核電啟動給水泵的最小流量保護系統采用自循環控制閥保護系統。

2 三門核電自動循環閥運行原理

自動再循環閥的設置點可以依照不同泵的最小流量通過調節閥門不同的行程來調節流量，其設計原理與轉子流量計工作原理相同，如下圖4所示。

下圖4為自動再循環閥的主閥和旁通閥切換的示意圖。在給水泵初始啟動階段，三門核電自動再循環閥的主閥尚未開啟。經給水泵加壓之后的介質從泵的出口流出后，全部經旁通閥的多級降壓裝置的降壓之后通過旁通管線回流到給水箱中，此時構成小流量再循環，如圖4中的階段A所示；緊接著，流量隨著運行時間的增長而繼續增加，當流量增加至旁通閥上移流量時，主閥逐漸開啟，旁通閥流量逐漸減小，此時泵的總流量分散到主閥和旁通閥兩處，如圖1中的階段B所示；隨著流量的進一步增加，主閥開度逐漸增大，旁通閥流量進一步減小。最終，旁通閥關閉，主閥處于全開位置。此時沒有流量再循環，如圖4中的階段C所示。

3 三門核電自動再循環閥結構及設計特點

如下圖5所示，三門核電自動再循環調節閥結構主要由主閥、旁通閥及先導閥三大部分構成。閥蓋的下部裝配有彈簧，主閥的閥芯被彈簧緊密壓緊在主閥的閥座上。旁通閥位于循環閥的下部，且與循環閥的進出口形成一定的角度，旁通閥內裝配有多級降壓套管。旁通閥與循環閥閥體間裝配有可更換的襯套。先導閥先導管位于旁通活塞之中但位于旁通閥瓣下面，處于承壓狀態，在高壓介質的作用下對旁通閥閥芯的運動起到調節作用，同時也對循環閥的流量特性進行調節。當當主流量增加到大于切換點時，先導管關閉旁通閥。

三門核電自動再循環閥的設計特點如下：（1）純機械，自驅動，無需外部能源及配套的控制裝置，集成止回閥、流量測量元件、旁通流量控制于一體；（2）簡單可靠的泵保護系統，低安裝、維修和運行成本；（3）如需改變運行參數，可以通過調節旁通閥的切換點及旁路流通能力來實現。

自動再循環閥進口壓力為給水泵出口壓力，設計可達125公斤，出口為除鹽水箱，壓力僅為幾公斤，高達120公斤的壓力差下，多級減壓的設計可以有效的控制介質流速；而拋物線流道設計，使末級流體沿切線方向離開閥芯，不會直接沖刷閥體。結合下進上出的流開型設計，避免因為實際工況和理論工況的偏差導致汽蝕和末級閃蒸的發生。

4 自動再循環閥低流量故障分析

三門核電在調試期間執行啟動給水泵旁通流量試驗期間（主出口閥關閉，流量僅從再循環管線回到水箱），多臺機組接連發生旁通流量異常降低現象。結合自動再循環結構及設計特點，參考圖6再循環閥詳細結構圖分析如下：

（1）主閥瓣卡澀：主閥瓣卡澀會導致主閥瓣無法關閉到位，從而導致先導管位置偏差上移，先導管的運動控制旁通閥的開度，進而使得旁通流量變小。同時也會使得旁通流量調節螺釘53失去調節作用。主閥瓣卡澀的原因多種多樣，最主要的一種是系統清潔度不夠，異物導致主閥瓣在啟泵初期打開后，無法在出口壓力下回到全關位。其他如除鹽水除氧不足引發銹蝕，主閥瓣導向卡澀、自密封閥蓋裝配不當等也是導致主閥瓣卡澀的原因。可以通過在線拆除堵塞3，測量主閥瓣位置來判定。

（2）旁通活塞下腔壓力高：旁通活塞下腔壓力高，旁通活塞位置上移，旁通流量相應變小。一方面是由于再循環管線上其他原因導致出口背壓大，通過旁通活塞內腔與先導管間的流道傳遞至活塞下腔；另一方面密封組件41泄露，旁通活塞下腔壓力過高，導致旁通活塞上移，旁通流量偏小。當然如果密封組件41完全失效，可能導致旁通閥徹底關閉，在小流量試驗期間導致憋泵。另外密封件59的失效，也同樣可能導致相似情況的發生。在排除主閥瓣卡澀的情況后，可以通過拆除堵塞51，安裝壓力表，觀測壓力趨勢變化來判定。

5 結束語

三門核電自動再循環閥在啟動給水泵初始啟動階段介入，維持泵的正常運行，防止流量低于泵最小流量運行而導致給水泵的過熱汽蝕。本文從閥門的結構設計特點出發，介紹了該閥門的設計特點、運行原理、閥門結構及針對該閥門最小流量試驗期間發生的低流量故障展開分析。通過分析，可以為相似設備的檢修、故障診斷提供幫助，并對該設備的設計消化吸收、開發及設備國產化提供依據。

注1：NPSHa：有效汽蝕余量，只取決于裝置的倒灌高度和吸水管的阻力，而與水泵本身無關。

【參考文獻】

[1]葉文華，黃碧亮.珠海發電廠汽動給水泵再循環閥故障分析，熱力發電（1），2005.

[2]顧軍.AP1000核電廠系統與設備[M].北京：原子能出版社，2010.