百萬千瓦級核電廠汽水分離再熱器疏水管線振動問題分析

嚴穎第,王小信

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

1 汽水分離再熱系統 (GSS)簡介

該核電站選用的是東方電氣集團ALSTOM技術生產的ArabelleTM1000 MW級汽輪發電機機組，機組配備有兩個完全對稱的一級分離、二級再熱的汽水分離再熱器 (MSR)，每臺汽水分離再熱器配有一個殼體疏水箱 (GSS103BA或GSS203BA)收集來自再熱器殼體及高壓排汽管疏水，兩個再熱器疏水箱 (一級再熱疏水箱GSS101BA或GSS201BA、二級再熱疏水箱GSS102BA或GSS202BA)收集再熱蒸汽凝結水。每一個疏水罐都有兩路疏水管線，分別是排向除氧器或高壓加熱器的正常疏水管線和排向凝汽器的應急疏水管線;疏水調閥由疏水箱上的三個導波雷達式液位變送器測量信號控制 (見圖1)。

2 事件描述

2014年9月6日凌晨機組沖轉并網過程中，將1級再熱器投運后，現場巡檢人員發現汽水分離再熱器系統GSS101/201BA至6A/6B高加疏水管線振動比較大，此時101/201BA疏水箱內液位為0，正常疏水閥GSS161/261VL和應急疏水閥GSS165/265VL都處于關閉狀態。主控人員切除1級再熱器后管道劇烈振動現象消失，再次投運1級再熱器后疏水管線劇烈振動又再次出現，運行一段時間后恢復正常。

圖1 汽水分離再熱系統簡圖Fig.1 Schematic of GSS

9月7日下午再次沖轉并網投運1級再熱器后發現正常疏水閥GSS161VL在疏水罐GSS101BA液位達到該閥門開啟液位時閥門無法開啟，經現場巡檢人員檢查發現GSS161VL氣動調節閥閥軛斷裂 (見圖2)，且其電動隔離閥GSS162VL電動頭與蝸桿之間的法蘭震裂;整條正常疏水管線已經無法完成疏水罐GSS101BA正常疏水功能。

圖2 GSS161VL損壞情況Fig.2 Damage of GSS161VL

3 原因分析

3.1 疏水閥動作原理簡介

疏水罐GSS101BA收集MSR一級再熱器(見圖3)加熱蒸汽冷凝水 (汽輪機高壓缸抽汽進入汽水分離再熱器1級再熱段加熱高壓缸的排氣凝結水)，當疏水罐內液位高于500 mm時，GSS161VL通過PI調節開啟，疏水進入6號高壓加熱器;當疏水罐液位高于600 mm時，緊急疏水閥GSS165VL調節開啟，疏水直接排向凝汽器。

3.2 原因分析

一級再熱器于9月3日左右正式投運，之后機組分別經歷了甩廠用電、打閘跳機等試驗的特殊工況;9月6日一級再熱器再次投運時，GSS161VL所在的正常疏水管線振動比較劇烈，后續又經過反復停運和投運驗證，最后導致了閥門振動損壞。根據調取的疏水罐GSS101BA液位歷史曲線發現，從9月4日汽機停機至9月5日，GSS101BA液位持續下降;9月5日下午液位到達0 m，此時距發生GSS161VL所在的正常疏水管線劇烈振動還有約7 h的時間。可以推斷，隨著疏水罐內及疏水管道內水量的繼續減少，GSS161VL所在的正常疏水管線內必定處于非滿水狀態。

9月6日凌晨汽輪機沖轉后投運1級再熱器，高壓缸的抽汽通過1級再熱器及101BA進入疏水管線，整個疏水管線內為汽液兩相的狀態。當1級再熱器內的疏水流入疏水管線后，由于疏水管線的管道布置為整體水平布置，且部分位置存在向上的傾角，在存在傾角的位置會產生水的聚集，聚集的水填滿管道，形成水團時，會隔離上下游的蒸汽。水團上游與高壓缸抽汽相通，相對參數較高，會推動水團向下游管道流動，下游蒸汽受到水團的擠壓，壓力不斷升高，當下游蒸汽壓力被壓縮到大于上游壓力時，水團破裂，下游蒸汽突破水團進入水團上游，水團快速進入下游原來蒸汽占據的空間，遇到管道彎頭或關閉的閥門時發生劇烈撞擊，引起管道劇烈震動，即水錘現象。反復周期性管道內調閥處撞擊和疏水管線的劇烈振動最終導致了閥門的損壞。

圖3 汽水分離再熱器一級再熱簡圖Fig.3 Schematic of MSR

根據以上現象及分析可知，1級疏水罐GSS101BA液位持續下降到0位以下，致使類似“V”型布置的正常疏水管線內存在汽水兩相流體，兩相流體上游為高壓蒸汽，下游為封閉空間，反復作用產生水錘，最終導致正常疏水管線疏水調閥GSS161VL和電動隔離閥GSS162VL損壞。1級疏水罐GSS101BA液位持續下降的可能原因如下:

(1)初始液位偏低

汽水分離再熱器系統1級再熱投運前疏水罐GSS101BA液位偏低或罐內沒有水，在1級再熱器投運時高溫高壓蒸汽進入疏水罐，疏水罐內少量液體受熱閃蒸，然后疏水管道內液體受熱變成蒸汽蒸發。

(2)閥門內漏

正常情況下疏水隔離閥GSS162VL是打開的，如果疏水調閥GSS161VL內漏，疏水罐GSS101BA及疏水管道內液體會隨時間的推移逐漸流失，最終導致疏水罐空罐和疏水管道處于不滿水狀態。

(3)閃蒸

閃蒸主要是發生在疏水罐內壓力迅速降低或者疏水罐內壓力降為負壓時，疏水罐內液體低壓汽化，并通過排汽管路排至凝汽器，導致液位突然下降或者連續性降低。

在機組停運期間，1級再熱被長期隔離，GSS152VV、GSS252VV 關 閉，GSS103VL 開啟。此時，疏水罐GSS101BA、GSS201BA通過1級再熱器疏水管道、1級再熱供汽管道、1級再熱供汽管道疏水管路 (GSS103VL所在管線)與凝汽器聯通，疏水罐被抽成了負壓，疏水罐內溫水閃蒸并排至凝汽器。該閃蒸過程比1級再熱器被突然隔離時要緩慢，但是會導致疏水罐內液位緩慢下降，甚至下降至空罐狀態。

(4)導波雷達式液位探測器誤判與疏水閥誤動

調取歷史曲線發現，在打閘停機或者汽輪機跳閘后，疏水罐液位會有一個突然升高的尖峰;這是由于打閘或跳機后1級再熱器高溫高壓疏水突然消失，且疏水罐轉向與凝汽器聯通，導致疏水罐內閃蒸出攜有大量水珠的水蒸汽，帶有水珠的水蒸汽干擾了導波雷達式液位探測器，誤判為高液位。高液位誤判信號出現會觸發疏水閥快速開啟，高液位信號消失后又快速關閉，致使液位瞬間下降 (見圖4)。

圖4 汽輪機打閘時疏水罐液位變化曲線Fig.4 The trends of the drain tank level after turbine trip

4 總結與建議

4.1 總結

根據后續對閥門GSS161VL、GSS162VL驗證發現，閥門嚴密性良好，不存在內漏情況。結合主控疏水罐GSS101BA液位、閥門GSS161VL動作曲線和現場現象，分析認為GSS161VL振動損壞的原因總結如下:

因調試試驗需要汽輪機打閘，機組打閘后導波雷達液位探測器誤判觸發了液位高信號，短暫的液位高信號觸發了疏水閥GSS161VL短暫誤開啟，致使疏水罐GSS101BA液位下降到正常液位以下;

機組停運后，1級再熱被隔離，凝汽器真空未被破壞，疏水罐GSS101BA通過1級再熱供汽管道疏水管路與凝汽器聯通，疏水罐液位繼續緩慢閃蒸至0 mm液位下;

機組再次沖轉啟動，1級再熱投運后大量熱蒸汽進入GSS101BA及GSS161VL所在正常疏水管線，由于1級再熱正常疏水管線的 “V”型布置導致水錘的出現，疏水管線劇烈振動導致閥門損壞;

其他疏水罐同樣發生了以上液位下降過程，但是由于多種因素使得其他疏水罐液位未能下降至0 mm液位以下，因此未發生與GSS161VL所在疏水管線相同的水錘和振動。

4.2 改進建議

選用能夠抗帶有大量水珠的蒸汽干擾的導波雷達式液位探測器或者換用其他類型的用于探測高溫高壓水的液位探測器，避免液位高信號誤觸發;

修改調試和運行規程，要求在每次啟動再熱器前檢查確認各疏水罐液位在正常范圍內，當液位偏低時，通過手動補水方式將疏水罐液位補水至正常液位。

5 結束語

該文針對電廠實際發生的因管路劇烈振蕩導致的閥門損壞事件，從導波雷達工作原理、工藝管線布置、系統工藝機理等多方面分析，最終理順了事件發生的全過程，找到了管路振蕩的根本原因。后經驗證實踐，該機組未再發生同類事件，該經驗反饋不但保證了本機組后續GSS系統調試和運行工作的順利，還為后續機組提供了寶貴的實踐經驗。