輔助給水調節閥振蕩現象分析優化

王 瑜，李 基，鄒 霆

（中國中原對外工程有限公司，北京 100044）

0 引言

“華龍”機組是我國自主研發的三代核電機組，其輔助給水系統（TFA）屬于專設安全系統，在機組主系統啟動升溫階段、熱停堆工況和建立汽腔前為蒸發器提供“冷源”。國產研發的氣動套筒調節閥得到了廣泛應用，為系統提供閉環調節控制。其中TFA 系統閉環調節閥（簡稱TFA 調節閥）通過蒸發器液位閉環控制其開度，屬于“關鍵核心”控制設備，其調節的準確性、穩定性直接影響機組啟動和安全。在調試期間，TFA調節閥均出現了不同程度的振蕩現象，引起蒸發器流量劇烈波動、調節閥后管道振動和吊架松動等現場。針對閉環調節閥的振蕩現象，運用系統分析和理論計算的方法，確定閥門振蕩的根本原因，分析其產生機理及其對下游管道、孔板影響，進而提出優化、改進措施和后續選型的建議。

1 設備及故障

1.1 TFA 系統及設備

TFA 系統屬于專設安全系統，采用單一故障準則和設備冗余準則，布置A/B 兩列系統管線，每列系統分別包含3 臺TFA調節閥設備，向蒸發器二次側充水和實施液位控制調整。

TFA 調節閥為國產科研設備，屬于氣動套筒式調節閥（預啟式調節閥），采用多彈簧氣動薄膜式執行機構，氣路控制系統包含空氣過濾器、定位器、行程開關和電磁閥；該閥門為雙閥座結構（主閥芯和平衡型閥芯），調節流量特性為等百分比，閥門前后壓差高達10 MPa，閥芯部件采用低噪聲、抗汽蝕材料，主要參數如圖1 所示，TFA 調節閥閥芯和控制氣路如圖2 所示。

圖1 TFA 調節閥參數

圖2 TFA 調節閥閥芯和控制氣路

1.2 閥門振蕩簡介

TFA 調節閥在執行向蒸發器充水試驗時，向單臺蒸發器充水試驗時，在開啟過程中，調節閥分別在27%～43%開度出現振蕩，閥桿振蕩幅度為50%行程值，流量最大在20～79 m3/h 波動，嚴重影響蒸發器液位調整的準確性，屬于共性問題，以1#和3#調節閥作為研究對案例，其他閥門故障情況類似，振蕩數據詳見表1。

表1 TFA 調節閥振蕩數據

TFA 調節閥在特點開度出現明顯振蕩現象，且在關閥過程的振蕩開度值略高于開啟過程；振蕩整體表現為大開度、大幅度振蕩。

TFA 調節閥后的管道出現振動量增加（最高達200 mm/s），管道晃動，吊架因長期振動脫落；在調節閥后安裝臨時壓力表，測量發現壓力在0.5～10 MPa 區間反復波動（閥門開度43%時），導致多臺壓力故障；在TFA 調節閥位置及閥后孔板位置均出現明顯的“嘯叫”聲，TFA 調節閥房間噪聲異常。

2 原因分析及驗證

TFA 調節閥的控制、連鎖邏輯復雜，影響因素多，必須運用系統思維開展原因分析，采用理論計算結合系統試驗驗證的方法排除次要因素，挖掘根本原因和振蕩現象的機理。從系統運行、控制氣路和閥門設計角度開展系統化分析優化，主要因素分析如圖3 所示，系統化分析流程如下。

圖3 原因分析

2.1 系統設計及運行

TFA 調節閥的振蕩現象屬于大幅度、大開度的振蕩現象，且是系統設備共性問題，因此存在調節閥的實際運行工況（閥前、后的流量和壓力等）超出設計范圍的可能性；經核實，TFA 系統實際運行參數顯示輔助給水電動泵的運行參數正常，系統運行參數均正常，調節閥前壓力未超過設計和運行規范，排除系統設計因素。

DCS 控制系統PID 參數設置不合理，例如比例帶小、積分時間長等因素均會導致閥門振蕩。為排查該因素，就地采用信號發生器替代DCS 系統向定位器輸入控制電信號，相同的振蕩現象仍然出現。

2.2 控制氣路

控制氣路的漏氣、定位器反饋桿松動和振動、定位器零點等設置參數不合理等因素均會導致閥門動態調整開度，產生振蕩現象。首先，定位器、膜室及控制管路存在漏點時，開度無法保持，定位器動態調整輸出信號，使得開度增加或減小，產生閥門振蕩；其次，信號干擾、“虛假”的開度反饋和氣路靈敏性均會產生振蕩問題；采用泡沫法進行查漏，發現輕微漏點后，予以調整消除，氣路及膜室的密封性試驗合格；更換定位器后，進行空載動作、待載荷運行試驗后，振蕩問題依然存在，因此排除控制氣路因素。

2.3 閥門設計

閥門設計不合理主要包括：①閥門選型不合理，CV值與實際系統運行工況不匹配；②氣動執行機構的作用力不滿足最大不平衡力。閥門流量系數CV是閥門流通能力（閥門阻力）體現，由閥芯固有結構決定，不隨外界因素變化。

根據上述故障描述得出：閥門在特定開度、流量時，出現振蕩現象；考慮到開度與流量系數CV是一一對應的指數關系，計算閥門在該流量下的壓降阻力損失，閥門振蕩時壓差計算見表2。

表2 閥門振蕩時壓差計算

TFA 系統的輔助給水電動泵在對應的工況的出口壓力值約為13.6 MPa。蒸發器的背壓等于1 bar。根據調節閥的控制原理，在CV 值保持不變時，流量增加，壓差也隨著增加，若壓力低于汽化壓力時，則產生汽蝕現象，形成堵塞流動。經調節閥節流后，壓降損失約14 MPa，閥芯位置的壓力將低于0.045 bar，連續不斷地產生汽化現象，產生類似“水錘”現象的壓力沖擊力。而閥門執行機構的作用力無法克服瞬間不平衡力，進而導致閥門振蕩，無法穩定。

2.4 機理分析及優化

經分析，TFA 調節閥振蕩特征為大幅度、大閥位的振蕩，其根本原因為該閥門選型與運行工況不匹配。在閥前、后產生高于14 MPa 的壓降，造成閥芯內部流體不斷產生汽蝕，汽泡在潰滅時產生高壓射流沖擊作用，在調節閥后產生“水錘”現象壓力波，導致管道振動（吊架脫落等），異常的“嘯叫”異音噪聲。

綜合分析后采取如下優化措施：①修改電站運行細則，同步均衡調整3 個環路SG 的流量，使每個環路達到33 m3/h 時，壓差降低至約10 MPa，避開振蕩區間；②選用新型的∑F 側裝式氣動執行機構，提高作用和剛性，提高抵抗振蕩的能力；③調整氣路控制系統，增加放大器，增大管線直徑，增大進氣量，TFA 調節閥優化改造如圖4 所示。改造后，調節性能可以滿足電站運行要求，未出現振蕩情況，但是仍然無法滿足單獨向蒸發器充水的工況。

圖4 TFA 調節閥優化改造

3 結束語

經實踐，氣路控制系統漏氣、靈敏性及機械摩擦的缺陷情況，往往導致小幅度的輕微振蕩，無異常噪聲和壓力波現象；閥門內部汽蝕導致的振蕩現象，往往呈現大幅度、大開度的特征，伴隨著明顯的壓力和流量波動、異常噪聲等現象。針對該調節閥振蕩問題，采用系統思維和理論計算交叉驗證的方法，研究調節閥振蕩的根本原因和機理分析，建立振蕩缺陷的故障樹分析模型，為相似缺陷處理借鑒；通過對此類型振蕩缺陷的研究，發現TFA 調節閥選型與系統匹配性問題，提出優化方向，警示設計者應從系統的角度提出設計需求，為“華龍”機組國產科研閥門設備品質提升提供試驗數據和方向。