基于TWL-45S型汽動泵超速試驗方法優化的探討

□肖 驥 劉建光 詹華德

2017～2018年間為解決克萊德汽動泵二級葉輪長期運行后葉片產生裂紋的問題，國內近十家核電運營單位對所轄的汽輔泵進行了全面的檢查和升級改造，并進行了一系列的性能試驗進行驗證，確保升級后的設備能夠繼續滿足原設計功能的要求。其中某電廠在大修期間進行試驗過程中，發生了轉子卡死、葉輪燒毀的故障。事后經分析是由于超速試驗過程中，泵內部嚴重缺水，平衡活塞受損，引起軸向力失衡，最終導致了事件的發生。本文參考這個案例，對克萊德TWL-45S這型泵的超速試驗進行剖析，分析出風險點，并提出相應的改進建議。

一、調速簡介

(一)調速原理簡介。汽輔泵蒸汽流量與給水之間的調節關系如下：泵啟動后，蒸汽驅動給水泵汽輪機形成相應流量和壓力的輔助給水，從泵殼和泵出口文丘里管喉部兩個位置引出介質到壓差調節器的兩端。通過二者之間的壓差及彈簧力等，驅動壓差調節器內活塞上下運動，實現對汽輪機調節閥開度的調節，以控制蒸汽輸入量，最終實現轉速自動調節。

泵剛啟動時調節閥由于彈簧力作用，處于全開狀態，泵以最大功率加速。當泵建立起流量后，泵殼處壓力最先上升，活塞克服彈簧力向下運動，通過杠桿先關小調節閥，避免轉速繼續上升。然后是泵出口管道壓力開始建立，文丘里管處壓力上升后，形成一個向上的反推力，抵消一部分來自泵出口引入到活塞上方的推力，避免調節閥關閉過小。另外調節閥的閥芯因上下面積差，本身還有一個向下的推力，打開調節閥。四個力通過杠桿相互作用。

當Ps*A3*L1=(Pd*A1-Pt*A2-Ft)*L2時，達到平衡關系，此時調節閥開度保持不變，蒸汽輸入的功率與泵的輸出功率維持平衡，轉速恒定，輸出的流量和壓力也恒定。

當Ps*A3*L1>(Pd*A1-Pt*A2-Ft)*L2時，活塞向上運動，進汽調節閥開度增大，輸入功率增加。

當Ps*A3*L1<(Pd*A1-Pt*A2-Ft)*L2時，活塞向下運動，進汽調節閥開度減小，輸入功率減少。

由于Ps、L1和L2、A1和A2都不會變化，所以當輸入蒸汽壓力不變時，實際上是Pd、Pt、Ft的變化引起調節閥開度的變化，即壓差值△P發生變化。

因此泵側不同的出口壓力條件下，對應了不同的閥門開度，不同的功率輸入。

注：L1、L2分別為對支點O的力臂；

Ft為彈簧恢復力，Ft=k△x,其中k為彈性系數，△x為壓縮量。

Pd為來自泵殼處的壓力，A1為活塞上部面積。

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Pt為來自文丘里管喉部的壓力，A2為活塞下部面積。

Ps為蒸汽壓力，A3為調節閥閥桿截面積。

△P為Pd-Pt的壓差。

根據該泵的特性曲線，在蒸汽壓力一定的情況下，隨著泵側流量的增加，揚程迅速下降，轉速也加速下降，功率減小。反映到汽輪機上是△P變大，彈簧被壓縮，即調節閥開度變小。

(二)超速原理和方法。通過以上的調速原理，就可以通過改變相應的條件，破壞力系的平衡，使調節閥開度比正常情況下變大，來實現超速目的。由于杠桿長度和活塞面積、閥桿截面積都是恒定的，那剩下可以改變的條件有四個：一是降低活塞上部的壓力，即改變活塞上下部壓差△P；二是增加蒸汽的進氣壓力Ps，增大輸入功率；三是增大彈簧恢復力；四是在外部施加一個額外的力，開大調節閥。另外還有一個方式是在原有力系平衡的基礎上，改變運行工況，減小泵的負荷，使泵軸輸入功率遠大于葉輪的輸出功率，此時轉子加速運轉，可實現轉子超速。下文對五個方式的可行性和利弊進行分析。

(1)降低活塞上部壓力，使△P變小。此時彈簧推力Ft大于活塞壓差力Pd*A1-Pt*A2，被壓縮的彈簧逐漸恢復，△x減小，Ft相應減小。活塞向上運動，調節閥打開增加蒸汽量，轉速上升。

根據以上原理，可以在泵出口到差壓調節器活塞上部的管道中間，增加泄壓調節閥，逐步關小該閥，使活塞上方的壓力減小，實現超速。為了避免誤動，需在超速試驗完成后將閥打開，行政上鎖。

存在的風險：將差壓調節器上部的管道壓力減小時，對活塞向上部運動的影響大小還不清楚，需要進行驗證，避免關閉過小或過快時，活塞行程突然過量，對設備零部件造成沖擊等不利影響。需在該調節閥上游安裝一個隔離閥，防止調節閥出現內漏，影響正常的調節功能。由于涉及到對設備的設計變更，考慮到該設備的核安全屬性，因此不推薦采用該方式。

(2)增加蒸汽進氣壓力。閥芯由于面積差本身向外的推力會隨著蒸汽壓力增加而增大，有利于進汽調節閥開度增大。同時汽動泵的特點是蒸汽壓力越大，輸入功率越大，泵的流量、壓力也同時增大，轉速也會更高。但由于二回路的蒸汽壓力最高也不超過7.5MPa，且調速機構已經設定了運行時的最高轉速，因此無法超速。但是可以確定蒸汽壓力越高，輸入功率越大，越容易超速。因此得出一個結論：超速試驗時，蒸汽壓力越高越好。

(3)增加彈簧力。該方案要調節差壓調節器底部的調節螺母，會改變原來的轉速設置，且操作過程時間長，不能立即恢復，出于安全和便利性考慮，實際上不可行。

(4)增加一個額外的作用力，加大蒸汽調節閥開度。在靠近差壓調節器一側，杠桿處施加一個向上的力，使汽輪機進汽調節閥快速打開。該方案簡單易行，沒有對汽輪機做實質性改變，釋放該力后，汽輪機力系可以自行立即恢復平衡。據了解英國廠家已使用過此種操作。某核電204大修也已試驗過該方法，切實高效，一般只需1～2分鐘即可完成超速，且整個過程轉速上升平穩、可控，無需外接軸承供水。

存在的問題：如泵的流量太大，可能存在當進汽調節閥開到最大位置時，輸入功率不足，轉速無法上升到超速設定值。

(5)改變運行工況，減小負荷，進行超速(目前普遍采用的方式)。關小入口閥，使進入泵內水量減少，葉輪的傳遞給液體的能量減少。使用汽動泵的轉速自動調節功能保持蒸汽調節閥開啟，在輸入的軸功率幾乎不變的情況下，轉子不斷加速，最終實現超速。超速試驗的蒸汽壓力大于2MPa，這是克萊德廠家供貨時提供給用戶的超速方法。

存在的風險：關閉入口閥，由于進水量不足，葉輪出現汽蝕現象，葉片會受損。如操作不當，泵內部出現失水，可導致轉子軸向力失衡而損壞。試驗過程時間很長，關開閥門的前后接近半個小時，試驗人員需要承受很大的心理壓力。調節閥的閥桿有盤根密封，如果閥桿因密封過緊或潤滑不良，會存在一定的卡澀、動作不靈活情況，這樣將影響差壓調節器的自動調節性能，不能及時的跟隨泵的△P變化實時進行自動調節。因此可能造成泵入口閥過度關小，進水量過度少而增大泵損壞的風險。

存在的問題：進行超速前和超速后，需反復隔離泵，進行外接軸承供水水源和拆除外接水源的操作，由此產生了兩次“不可運行性”事件，不利于維持高水平的安全性。

通過以上分析可以確定目前采用的最后一種超速方式是不可取的，存在設備損壞的巨大風險和人因失誤風險，有必要對現行的超速方案進行優化。

(三)各電廠超速試驗的方法和情況。根據之前調研的結果，目前中國核電下屬電廠均采用小流量循環的工況下，關閉泵出口閥方法，進行超速試驗。廣核各電廠則采用的是全流量工況下，打開泵出口閥方法，進行超速試驗。二者都需要同時配合關小泵的入口閥，減少進水，降低負載，實現超速。試驗規程中進行超速試驗的蒸汽壓力條件：大于2MPa。

二、建議方案及措施

根據以上理論分析及試驗實測得到的數據，建議各電廠進行TWL-45S汽輔泵超速試驗時，做如下優化。

(一)修改試驗規則中蒸汽進氣壓力標準。蒸汽壓力越大，越容易實現超速，原來的超速試驗的前提條件各電廠均規定為蒸發器二次側壓力大于2MPa，經過實踐證明不能滿足超速試驗要求，風險極大。現建議統一將標準修改為7MPa及以上。使用7MPa.g是因為核電廠蒸汽母管壓力一般最大也只在7.5MPa.g以內，已經接近上限，考慮到有一定偏差，選用7.0MPa.g。

(二)采用小流量工況進行超速。泵側壓力越大，△P越小，有利于活塞向上運動，調節閥開度增大，輸入功率增加，有利于轉速增加，更容易實現超速。

(三)改變超速試驗方法。使用外力，在靠近差壓調節器一側，杠桿處緩慢施加一個向上的力，使汽輪機進汽調節閥開度增加，增大輸入功率。

(四)在不關閉泵入口閥的情況下進行超速試驗。如無法達到超速轉速，再考慮逐漸關小泵入口閥，控制好保證設備安全的進水量，減少泵損壞的風險。由于泵有足夠的揚程和流量給軸承供水，不需要接外部水源，從根本上避免因外接軸承供水而產生計劃內“不可運行性”事件。

(五)試驗前檢查。進行超速試驗前，一定要有對調節閥閥桿盤根處的檢查，防止調節系統卡澀、動作不靈活。年度檢查的預防性維修中必須要有脫扣螺栓回彈性動作檢查、手動打閘裝置動作檢查，只有靈活、順暢的情況下，才能開展試驗。

三、結語

超速試驗是轉動設備運行時的一個特殊工況，具有較大的危害。比如TWL-45S泵原來的舊型葉輪產生裂紋原因很大程度是來自超速試驗的貢獻。目前國內該泵的超速試驗，試驗方式均采用關小入口閥、汽蝕的方法，給設備造成很大的傷害。部分電廠的超速試驗周期較短，對設備的危害就更大，長此以往可靠性和經濟性都會出現下降。對超速試驗方法進行改進迫在眉睫，以上建議看似只是一個很小的優化，卻對設備的保護非常有利，投入低，節約大量維修成本，很大程度減小了人因失誤的風險，提高了設備可靠性，潛力巨大，值得應用。