C-2核電廠主給水調(diào)節(jié)閥改造介紹及選型分析

范晶磊

(中原運維海外工程有限公司,上海 200233)

1 C-2項目主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)介紹[1]

C-2項目主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計為定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于定速泵的性能特性曲線在運行中無法改變，因此需要通過調(diào)節(jié)安裝在給水泵出口的高壓差調(diào)節(jié)閥的開度來改變管道阻力特性曲線，從而改變泵組在性能曲線上的工作點實現(xiàn)調(diào)節(jié)給水流量和控制蒸汽發(fā)生器水位的目的。因此，主給水調(diào)節(jié)閥設(shè)計和選型的準(zhǔn)確性和可靠性顯得十分重要。

2 調(diào)節(jié)閥選型介紹

2.1 基本原則

市場上的調(diào)節(jié)閥由直線、等百分比和快開三種基本結(jié)構(gòu)特性。對于調(diào)節(jié)系統(tǒng)選擇調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)流量特性，在設(shè)計選用中主要依據(jù)以下兩個原則[2]：

1)從控制系統(tǒng)的品質(zhì)出發(fā)，選擇閥的工作流量特性；

2)從管路情況出發(fā)，根據(jù)閥的希望工作流量特性選擇閥的結(jié)構(gòu)特性。

閥門結(jié)構(gòu)流量特性指的是在閥門前后壓差不變的情況下閥門開度與閥門流量的關(guān)系，而實際過程中閥門前后的壓差必然會有變化，因此實際過程中閥門開度與流量的關(guān)系會發(fā)生畸變，此為工作流量特性。工作流量特性相較于結(jié)構(gòu)特性的畸變程度與閥門壓降與系統(tǒng)總壓降的比值有關(guān)(稱為S值，S=1表示系統(tǒng)壓降全部落在閥門上)，因此當(dāng)我們根據(jù)已定的希望工作特性來選取調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性時，就必須考慮系統(tǒng)配管情況。S值大時，調(diào)節(jié)閥的工作特性畸變??；S值小，調(diào)節(jié)閥的工作特性畸變大。S值大對控制有利，但是S值大說明調(diào)節(jié)閥的壓力損失大，不經(jīng)濟(jì)。因此必須綜合考慮，工程建設(shè)中普遍認(rèn)為壓降比S為0.3～0.6是比較合適的。

2.2 調(diào)節(jié)閥口徑計算的一般步驟[3]

在已知工藝生產(chǎn)流程和閥的控制對象、使用條件后，按照調(diào)節(jié)閥選型原則先選定閥的種類型號和結(jié)構(gòu)特性，然后按照以下步驟進(jìn)行調(diào)節(jié)閥口徑的計算。

1)根據(jù)工藝的生產(chǎn)能力設(shè)備負(fù)荷，確定計算調(diào)節(jié)閥流通能力的最大流量、常用流量、最小流量、計算壓差等參數(shù);

3)根據(jù)需要驗算開度或開度范圍、可調(diào)比R等；

4)計算結(jié)果若滿意，則調(diào)節(jié)閥口徑選定工作完畢。否則重新計算、驗算。

2.3 選型計算中的幾個關(guān)鍵點[4]

閥門選型計算時對設(shè)計輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性有很高的要求。實際上，對于Kv(Cv)值計算中最難確定的就是計算流量和計算壓差。計算流量既要保證調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)范圍滿足系統(tǒng)要求，又要保證閥門運行中的穩(wěn)定性和可靠性；而對于計算差壓，既要充分考慮實際受控對象的流量—壓力特性，又要考慮計算差壓與系統(tǒng)管路總壓力損失的比值(2.1中的S值)對于工作特性的影響。

3 C-2項目改造原因介紹及分析

3.1 進(jìn)口SPX主給水調(diào)節(jié)閥設(shè)計參數(shù)及流量特性曲線

進(jìn)口SPX主給水調(diào)節(jié)閥設(shè)計參數(shù)及流量特性曲線分別如表1和圖1所示。

表1 設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameter

圖1 流量特性曲線Fig.1 Cv characteristic curve

3.2 實際運行中出現(xiàn)的問題

1)在同一流量工況點上，實際開度大幅度超過設(shè)計開度。實際運行中流量達(dá)到960 t/h時，閥門開度已經(jīng)處于70%左右；

2)為了讓電廠輸出功率達(dá)到設(shè)計值，當(dāng)進(jìn)一步加大閥門開度時，蒸汽發(fā)生器液位易發(fā)生波動。

3.3 上述問題的原因分析

C-2項目調(diào)試期間曾對SPX閥門在運行過程中出現(xiàn)的實際開度遠(yuǎn)超設(shè)計開度的問題進(jìn)行過討論，當(dāng)時意見主要有以下幾點：

1)閥門實際的特性曲線與設(shè)計的特性曲線不一致；

2)調(diào)節(jié)閥規(guī)范書中對閥門設(shè)計參數(shù)所提不準(zhǔn)確；

3)巴基斯坦當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)頻率常年低于50 Hz導(dǎo)致主給水泵組出力不足；

主給水泵組的出力不足確實會對閥門開度造成影響，但是為了找出閥門本體上的問題，需要對閥門的實際運行參數(shù)進(jìn)行分析，通過從電廠計算機(jī)中讀取歷史數(shù)據(jù)，選擇了部分運行點，如表2和表3所示。

表2 原A通道主給水調(diào)節(jié)閥2011年7月26日運行數(shù)據(jù)Table 2 Operation data of MFWCV channel A dated on 26th July, 2011

表3 原A通道主給水調(diào)節(jié)閥2012年8月24日運行數(shù)據(jù)Table 3 Operation data of MFWCV channel A dated on 24th Aug, 2011

通過運行參數(shù)和設(shè)計參數(shù)的對比，閥門在實際運行中所反映出來的流量特性與設(shè)計曲線相差很大，例如67%開度下設(shè)計Cv值是493，而實際運行反饋出來的Cv值只有340左右。同時考慮到該閥門并未在采購方見證下對流量特性曲線進(jìn)行標(biāo)定，因此可以肯定該主給水調(diào)節(jié)閥實際特性曲線和設(shè)計特性曲線不一致。

此外，閥門設(shè)計參數(shù)與實際運行工況也有一定偏差：

1)實際運行中，主給水調(diào)節(jié)閥入口給水溫度隨著給水流量有較大變化，設(shè)計參數(shù)中將介質(zhì)溫度統(tǒng)一定為額定工況下的給水溫度(220 ℃)不夠準(zhǔn)確;

2)最小流量點(工況3：205 t/h)的設(shè)計參數(shù)與實際運行工況有偏差，入口壓力和出口壓力都不夠準(zhǔn)確。

因此可以確定引起閥門開度超設(shè)計值的最主要原因就是進(jìn)口閥門的制造和試驗過程未被有效控制，使得閥門性能不符合設(shè)計要求。其次，泵組的出力也會造成較大影響。此外，選用的流量特性曲線(圖1)在閥門大開度時存在明顯拐點，當(dāng)開度繼續(xù)增加時就容易導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器液位波動。

4 C-2項目主給水調(diào)節(jié)閥改造過程簡介及國產(chǎn)調(diào)節(jié)閥的運行情況分析

為了解決主給水調(diào)節(jié)閥流通能力不足和巴基斯坦當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)頻率波動對C-2電廠輸出功率的影響，在C-2電廠RFO-1期間對主給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了更換，首次在核電廠上采用國產(chǎn)主給水調(diào)節(jié)閥。

4.1 設(shè)計參數(shù)修改

考慮到電網(wǎng)頻率過低導(dǎo)致的主給水泵組的出力不足，需要對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行一定修改，增加閥門流通能力。修改后的參數(shù)如表4所示。

表4 修改后的設(shè)計參數(shù)Table 4 Modified design parameter

4.2 閥門選型和流量特性曲線

選用上海自動化儀表七廠引進(jìn)的梅索尼蘭41300系列套筒調(diào)節(jié)閥，單座閥體內(nèi)插入一個圓筒形套筒，套筒上開節(jié)流窗口。執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用KOSO公司的526LLARH直行程氣動薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu),最大輸出力為16 475 N。設(shè)計的流量特性曲線如圖2所示。

圖2 修改后的設(shè)計流量特性曲線Fig.2 The characteristic curve of modified design Cv

4.3 改造后的主給水調(diào)節(jié)閥實際運行情況分析

部分實際運行中的閥門工況數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 A通道國產(chǎn)主給水調(diào)節(jié)閥運行數(shù)據(jù)Table 5 Operation data of domestic MFWCV A

表6 B通道國產(chǎn)主給水調(diào)節(jié)閥運行數(shù)據(jù)Table 6 Operation data of domestic MFWCV B

實際運行工況分析：

1)對比圖2和表5、表6中的數(shù)據(jù)，閥門開度從20%增加到50%左右時，閥門實際運行中所反映出的開度與流通能力(Cv值)的關(guān)系與設(shè)計曲線基本一致；

2)小流量(205 t/h和220 t/h)工況下，閥前后的實際壓差與設(shè)計壓差存在一定偏差，設(shè)計壓差偏小；

3)正常流量點(992.5 t/h)選擇不夠精確，汽輪機(jī)340 MW下的進(jìn)汽量為960 t/h，再加上蒸汽發(fā)生器連續(xù)排污和泄漏量，977.5 t/h更合理；

4)參考C-2電廠在輸出功率330 MW時的主給水流量和實際Cv值，按照調(diào)節(jié)閥選型的一般原則，最大設(shè)計Cv值(1190)過大不經(jīng)濟(jì)，但這主要因為考慮了巴基斯坦當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)頻率有可能會低至48.5 Hz的特殊情況。

4.4 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及原因分析

1)主給水調(diào)節(jié)閥快關(guān)時間無法滿足設(shè)計規(guī)范(5 s)的要求。國內(nèi)實際制造完成后曾在無流量狀態(tài)下進(jìn)行過快關(guān)試驗，快關(guān)時間滿足5 s的要求。但是實際安裝后由于系統(tǒng)管路滿水存在壓力，快關(guān)試驗時間>5 s，經(jīng)過分析后認(rèn)為是閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)氣管路口徑過小造成，擴(kuò)大氣路口徑后問題解決；

2)低負(fù)荷(205 t/h和220 t/h)工況下進(jìn)行旁閥/主閥自動切換時，閥門流量波動較大。經(jīng)過分析，認(rèn)為是閥門在小流量工況下開度不穩(wěn)定造成，根本原因在于閥門氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用膜片式，推力有限，而小開度時所需氣缸推力較大易出現(xiàn)不穩(wěn)定；

3)進(jìn)行蒸汽發(fā)生器水位控制試驗和負(fù)荷變動試驗時，發(fā)生閥門跟蹤響應(yīng)不及時及超調(diào)現(xiàn)象引起給水流量波動。主要原因有兩點，一是閥門在實際壓差作用下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接塊與閥體存在摩擦，該摩擦作為一個負(fù)載擾動會引起定位器產(chǎn)生一個輸出信號進(jìn)行糾正。雖然通過對閥門定位器PI參數(shù)的整定實施了優(yōu)化，但是閥門本體缺陷無法完全消除，流量波動幅度和頻率減小但仍然存在；二是第一批調(diào)試人員對閥門智能定位器的PI參數(shù)調(diào)整不熟悉，導(dǎo)致該問題的解決周期較長；

4)調(diào)試周期超過計劃時間，由于上述3項問題沒有第一時間解決導(dǎo)致安裝和調(diào)試工期超過計劃值，給工程單位帶來很大壓力并造成了經(jīng)濟(jì)損失。主要原因是在工程實施前對風(fēng)險估計不足，沒有編制應(yīng)急預(yù)案。在管理上也沒有相應(yīng)的工作程序和管理程序?qū)椖扛脑旃ぷ骷右砸?guī)范和指導(dǎo)。

5 經(jīng)驗總結(jié)

5.1 技術(shù)方面

1)主給水調(diào)節(jié)閥選型中要求參數(shù)準(zhǔn)確，因此在對主給水泵組進(jìn)行性能試驗應(yīng)盡量模擬泵組在現(xiàn)場的實際運行工況，特別關(guān)注額定流量點和主閥、旁閥切換的小流量點;

2)考慮到系統(tǒng)管道和高壓加熱器中的壓力損失以及蒸汽發(fā)生器背壓的波動，在對主給水調(diào)節(jié)閥供應(yīng)商的設(shè)計方案進(jìn)行評審時應(yīng)注意閥門設(shè)計中流通能力的裕量;

3)對于主給水調(diào)節(jié)閥設(shè)計方案中所提供的各項參數(shù)(介質(zhì)溫度、密度，閥前壓力，前后壓差)，應(yīng)盡量契合主給水系統(tǒng)的實際運行參數(shù)，同時關(guān)注閥門壓降與系統(tǒng)總壓降的比值(前述S值)對于閥門工作流量特性的畸變影響;

4)設(shè)計方案應(yīng)充分考慮項目當(dāng)?shù)氐目陀^條件，例如巴基斯坦當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)頻率不穩(wěn)定會對主給水泵組的出力造成很大影響，從而影響閥門的實際運行工況點;

5)主給水調(diào)節(jié)閥制造完成后進(jìn)行模擬實際運行工況的全流量試驗[5]是有必要的，一方面可以驗證實測流量特性曲線是否與設(shè)計曲線相符，另一方面也可以在實際運行流量下檢測閥門各部件是否正常工作，暴露可能存在的問題并在出廠前及時解決。因此在進(jìn)行該項試驗時，采購方應(yīng)盡可能組織設(shè)計單位和調(diào)試單位對現(xiàn)場試驗進(jìn)行見證，不但能提前了解該閥門在各流量工況下的特點，還能從系統(tǒng)運行角度對閥門使用情況進(jìn)行分析;

6)主給水調(diào)節(jié)閥不僅僅是一臺簡單的機(jī)械設(shè)備，實際運行中需要控制系統(tǒng)密切配合才能有效地控制流量，因此在采購該閥時不僅要關(guān)注選型計算，還要對控制系統(tǒng)的匹配以及相應(yīng)關(guān)鍵部件(定位器、放大器、氣缸等)的參數(shù)和性能加以了解。此外，對于此類重要調(diào)節(jié)閥在出廠前進(jìn)行空載下的閥門動態(tài)響應(yīng)性能測試也是十分必要的;

7)在采購國外進(jìn)口調(diào)閥時，應(yīng)詳細(xì)了解國外供應(yīng)商的實際試驗情況，在閥門采購回來后應(yīng)盡可能在國內(nèi)進(jìn)行一次流量特性標(biāo)定試驗，以避免出現(xiàn)類似C-2項目上原先進(jìn)口閥出現(xiàn)的實際曲線與設(shè)計參數(shù)完全不符的問題。

5.2 管理方面

1)實施重大技術(shù)問題改造前，應(yīng)編制相應(yīng)的管理程序和工作程序?qū)Ω脑祉椖繉嵤┻^程進(jìn)行指導(dǎo)和規(guī)范；

2)改造工作可協(xié)調(diào)設(shè)計單位、產(chǎn)品供應(yīng)商及調(diào)試單位的有關(guān)人員成立專門工作組，由經(jīng)驗較豐富的專人負(fù)責(zé)、領(lǐng)導(dǎo)；

3)針對改造項目的特點應(yīng)編制專項的工作計劃，進(jìn)行項目進(jìn)度、費用、質(zhì)量等方面控制；

4)對現(xiàn)役的運行核電廠進(jìn)行改造都會存在一定的風(fēng)險，因此在項目實施前應(yīng)充分了解潛在的風(fēng)險做出風(fēng)險預(yù)估，同時做好風(fēng)險防范的應(yīng)急(備用)方案。

6 結(jié)論

雖然國產(chǎn)主給水調(diào)節(jié)閥在調(diào)試期間出現(xiàn)了一系列的問題，但是閥門更換后C-2項目輸出電功率的提升以及將近一年的正常運行表明，國產(chǎn)主給水調(diào)節(jié)閥是可以應(yīng)用在核電項目上的，同時也驗證了在選好主給水調(diào)節(jié)閥的前提下，目前在建的恰?，斎?、四期電廠的主給水系統(tǒng)是可以滿足電廠340 MW設(shè)計出力要求的。