MSR疏水箱水位控制故障分析及改進(jìn)

錢玉剛,高　穎（中核核電運(yùn)行管理有限公司,　浙江　嘉興314300）

MSR疏水箱水位控制故障分析及改進(jìn)

錢玉剛,高穎
（中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江嘉興314300）

摘要：結(jié)合電站運(yùn)行中出現(xiàn)的MSR一、二級(jí)加熱蒸汽流量以及MSR一級(jí)再熱疏水箱、二級(jí)再熱疏水箱液位異常波動(dòng)現(xiàn)象，在原因分析的基礎(chǔ)上結(jié)合廣核MSR疏水箱液位波動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)反饋，利用電站停機(jī)小修的機(jī)會(huì)采取了相應(yīng)的措施[1]。在處理過(guò)程中，考慮到原控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提出了新的水位控制系統(tǒng)改造方案并在大修期間實(shí)施，投入使用后，效果良好。

關(guān)鍵詞：水位;波動(dòng);經(jīng)驗(yàn)反饋;措施;水位控制系統(tǒng)

汽水分離再熱器（MSR）作為核電站常規(guī)島部分的重要設(shè)備，其主要功能是對(duì)高壓缸排氣進(jìn)行汽水分離再熱以提供給低壓缸作功的合格蒸汽，它是通過(guò)設(shè)置一級(jí)分離再熱器和二級(jí)再熱器來(lái)完成其功能。用來(lái)加熱的蒸汽疏水通過(guò)疏水箱收集后疏入對(duì)應(yīng)的加熱器[2]。從電站第七個(gè)燃料循環(huán)運(yùn)行開始以后，包括以后的C8，C9，C12循環(huán)發(fā)現(xiàn)（C12循環(huán)尤為嚴(yán)重），一、二級(jí)疏水箱液位波動(dòng)明顯，同時(shí)加熱蒸汽流量波動(dòng)也很大，直接影響到該級(jí)的熱效率和機(jī)組的安全運(yùn)行。

1　問(wèn)題的提出

1.1故障現(xiàn)象

2009年4月第11次換料檢修結(jié)束，升負(fù)荷至滿功率后不久，困擾多次的1、2#MSR一級(jí)再熱疏水箱水位相繼開始波動(dòng)，至6月后1#MSR二級(jí)再熱疏水箱水位也開始波動(dòng)。因?yàn)镸SR二級(jí)再熱的加熱蒸汽為新蒸汽，二級(jí)再熱蒸汽流量波動(dòng)后主蒸汽流量也略有波動(dòng)，甚至還影響到了一回路的平均溫度的變化，導(dǎo)致了T4棒頻繁移動(dòng)。

1.2 運(yùn)行中的檢查試驗(yàn)

1.2.1測(cè)量?jī)x表檢查

儀控人員現(xiàn)場(chǎng)檢查MSR一級(jí)、二級(jí)再熱疏水箱的液位測(cè)量變送器和用于疏水箱水位調(diào)節(jié)的基地式調(diào)節(jié)儀，發(fā)現(xiàn)液位測(cè)量變送器送出的至主控室的液位信號(hào)波動(dòng)與基調(diào)儀因水箱水位變化而產(chǎn)生的輸出氣壓波動(dòng)情況一致，直接排除了液位變送器故障的可能。（事后發(fā)現(xiàn)MSR一級(jí)、二級(jí)再熱蒸汽流量也在波動(dòng)更驗(yàn)證了這一推論）。兩套測(cè)量原理不同的液位測(cè)量裝置均測(cè)出疏水箱水位正處于一種波動(dòng)的狀態(tài)，故測(cè)量?jī)x表出錯(cuò)的可能性較低。

1.2.2控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)整

因原水位控制系統(tǒng)為開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此可調(diào)節(jié)的參數(shù)只有比例帶一個(gè)，儀控人員對(duì)水位控制器的比例帶進(jìn)行了調(diào)整：

調(diào)整后因效果不明顯，將所有設(shè)置恢復(fù)到原始設(shè)置。

原有控制系統(tǒng)為一簡(jiǎn)單的基地式調(diào)節(jié)儀，控制回路是開環(huán)調(diào)節(jié)，在水位出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)定性差，很難減緩疏水箱的水位波動(dòng)。

2　疏水箱水位波動(dòng)原因分析

臥式汽水分離再熱器的熱交換是：加熱蒸汽在管內(nèi)水平流動(dòng)凝結(jié)放熱，被加熱蒸汽沿豎直方向流動(dòng)穿過(guò)管束。由于加熱蒸汽與被加熱蒸汽的溫差沿管束高度逐漸減小，所以在外側(cè)的傳熱管的熱負(fù)荷要比內(nèi)側(cè)傳熱管高二倍左右。在蒸汽流量大體相同的條件下，蒸汽在外側(cè)管內(nèi)發(fā)生完全凝結(jié)，并將成為過(guò)冷[3]。

加熱蒸汽在管內(nèi)流型的變化如下圖所示。在外側(cè)管內(nèi)，管內(nèi)出現(xiàn)了塞狀流現(xiàn)象，這會(huì)引起動(dòng)態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定。凝結(jié)水在管內(nèi)周期性累積，直到管子的壓力梯度足以將凝結(jié)水柱以高速推出管外，由此形成間歇的管內(nèi)溫度脈動(dòng)（這時(shí)疏水箱的壓力會(huì)間歇的波動(dòng)，水箱水位也會(huì)間歇的波動(dòng)），這會(huì)導(dǎo)致管束熱變形和交變熱應(yīng)力造成管端部分發(fā)生裂紋。

為了改善管內(nèi)流動(dòng)狀況，采取了加熱蒸汽在管內(nèi)不完全凝結(jié)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水的排放，并用不凝結(jié)的少量蒸汽來(lái)清除管內(nèi)的凝結(jié)水，這部分蒸汽稱為“掃汽蒸汽”。在結(jié)構(gòu)上，將再熱器管束分成兩部分：主管束和掃汽管束。主管束出口還保持相當(dāng)?shù)暮?25%～30%)，這部分蒸汽再次進(jìn)入掃汽管束時(shí)，進(jìn)行凝結(jié)放熱。在掃汽管束出口，仍維持有一定含汽率(8%～12%)，這部分蒸汽與凝結(jié)水一起疏至高壓加熱器，蒸汽占總加熱汽量的2%～3%，當(dāng)然形成了附加的熱量損失。但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，它使管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)根本好轉(zhuǎn)，可避免上述的凝結(jié)水流出的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)多次的檢修、分析，種種跡象均表明，該次水位波動(dòng)是由MSR內(nèi)部問(wèn)題引起，基本可以確認(rèn)由以下三種原因引起。

（1）掃汽隔板的螺栓松動(dòng)，致使加熱蒸汽與掃汽短路。

（2）再熱蒸汽隔板螺栓的松動(dòng)使加熱蒸汽與疏水部分短路。

（3）流量分配板的螺栓松動(dòng)改變了其流量特性。

2.1掃汽隔板的螺栓松動(dòng)，致使加熱蒸汽與掃汽短路

加熱蒸汽與掃氣短路后，加熱蒸汽直接透過(guò)掃氣隔板進(jìn)入掃氣冷凝器，由于泄漏進(jìn)去的加熱蒸汽未與被加熱蒸汽進(jìn)行熱交換，所以壓力與溫度要高于從掃氣管束排除的蒸汽，會(huì)導(dǎo)致掃氣的不暢，這便違背了通過(guò)不凝結(jié)的少量蒸汽來(lái)清除管內(nèi)的凝結(jié)水的設(shè)計(jì)初衷，從一定程度上導(dǎo)致了U型管內(nèi)冷凝水塞狀流的出現(xiàn)。

2.2 再熱蒸汽隔板螺栓的松動(dòng)使加熱蒸汽與疏水部分短路

以一級(jí)再熱器為例，在正常運(yùn)行情況下，加熱蒸汽進(jìn)入加熱管束，蒸汽流向，加熱蒸汽在U型管管側(cè)處與來(lái)自高壓缸的排氣進(jìn)行熱交換，溫度和壓力均有所降低，在熱交換的過(guò)程中逐漸產(chǎn)生冷凝水，產(chǎn)生的冷凝水隨著大部分加熱蒸汽一起流入到一級(jí)再熱疏水箱中[4]。

隔板發(fā)生泄漏以后，加熱蒸汽未經(jīng)過(guò)熱交換直接透過(guò)隔板的縫隙漏到U型管的出口處，同時(shí)泄漏到一級(jí)再熱疏水箱，致使一級(jí)疏水箱壓力略比正常水位要高。

因?yàn)槲唇?jīng)歷過(guò)熱交換的加熱蒸汽壓力壓力要略高于完成了熱交換的加熱蒸汽，所以在加熱蒸汽通過(guò)隔板直接泄漏到U型管加熱蒸汽出口處時(shí)，在其出口處形成了一定的封壓，致使U型管內(nèi)的冷凝水無(wú)法順利的從U型管流到疏水箱內(nèi)（疏水不暢），而由于在穩(wěn)定工況下，加熱蒸汽在完成熱交換以后產(chǎn)生的疏水量是一定的，冷凝水由于疏水不暢必然會(huì)在U型管內(nèi)形成積水，這就加劇了U型管內(nèi)的塞狀流現(xiàn)象。在冷凝水逐漸積在U型管內(nèi)形成塞狀流的過(guò)程中，由于冷凝管在一定程度上被積水所堵塞，會(huì)導(dǎo)致加熱蒸汽流動(dòng)不通暢，但從電站計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)上顯示，在MSR疏水箱水位波動(dòng)的時(shí)候一級(jí)再熱蒸汽流量約為35T/H～42T/H（2#MSR)，而在電站正常運(yùn)行期間，一級(jí)再熱蒸汽流量約為36T/H（2#MSR），約等于波動(dòng)期間的低值，說(shuō)明加熱蒸汽在U型管內(nèi)流動(dòng)不通暢時(shí)，并未出現(xiàn)蒸汽流量下降的情況，這從一個(gè)側(cè)面反映了，冷凝水在U型管內(nèi)不斷積攢的過(guò)程中，加熱蒸汽在隔板處的泄漏更為的嚴(yán)重了（這就可以解釋加熱蒸汽在U型管內(nèi)流通不通暢時(shí)還能保證其流量無(wú)明顯下降），在這一過(guò)程中疏水箱上部的壓力不斷增加。

直到管子累計(jì)的壓力梯度將凝結(jié)水柱以高速推出管外的過(guò)程中，U型管內(nèi)的積水一掃而空。這時(shí)加熱蒸汽便會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)在U型管內(nèi)的流動(dòng)通暢，這樣，加熱蒸汽在隔板處的泄漏會(huì)減少，疏水箱的壓力也會(huì)隨之降低，疏水箱壓力的降低會(huì)使疏水箱內(nèi)的水發(fā)生膨脹，產(chǎn)生虛假水位。而在U型管內(nèi)的冷凝水進(jìn)入疏水箱的瞬間，會(huì)使U型管內(nèi)蒸汽流通順暢，蒸汽流量也隨之增大。

在冷凝水疏盡后，泄漏過(guò)來(lái)的加熱蒸汽又再次在U型管的出口處形成封壓。以此形成了一個(gè)循環(huán)，導(dǎo)致疏水箱水位不停的波動(dòng)。

2.3流量分配板的螺栓松動(dòng)改變了其流量特性

再熱器水動(dòng)力不穩(wěn)定的另一原因是流量分配的不均勻，由于U形管束中內(nèi)外側(cè)管長(zhǎng)度不同，而加熱蒸汽入口與出口汽室共同的壓力差使外側(cè)傳熱管汽流量少于內(nèi)側(cè)傳熱管，從而又加重了外側(cè)傳熱管過(guò)冷而產(chǎn)生的“阻塞”現(xiàn)象。作為糾正措施，在管子進(jìn)口裝設(shè)不同孔徑的節(jié)流圈，使其與熱負(fù)荷相匹配。熱負(fù)荷小的各排管子裝小孔徑的節(jié)流圈，以減少蒸汽流量。這樣可使各排管子在出口處都有一定的不凝結(jié)蒸汽作為掃汽之用。但是由于流量分配板固定用螺栓的松動(dòng)，致使流量分配板傾斜，改變了其流量特性，加重了由于外側(cè)傳熱管過(guò)冷而產(chǎn)生的“阻塞”現(xiàn)象。

3　結(jié)論

在發(fā)現(xiàn)MSR新蒸汽疏水箱水位波動(dòng)后，對(duì)疏水箱水位的波動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行了仔細(xì)的分析，根據(jù)分析的結(jié)果有步驟地進(jìn)行驗(yàn)證和檢查，很快就發(fā)現(xiàn)了故障的原因。在分析和處理故障的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了原有控制系統(tǒng)的不足之處，作為一個(gè)重要的、復(fù)雜的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，僅采用簡(jiǎn)單的開環(huán)控制回路來(lái)調(diào)節(jié)疏水箱的水位不足以滿足其在異常工況下的工作要求。在MSR內(nèi)部本體出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，其抗干擾能力差的缺點(diǎn)很快就體現(xiàn)了出來(lái)，無(wú)論如何去調(diào)節(jié)、改變參數(shù)都不足以使得疏水箱水位波動(dòng)的情況得到緩和。有鑒于此，我們提出了對(duì)MSR疏水箱控制方式的改造，通過(guò)這一次改造，我們將舊的、較為簡(jiǎn)單的疏水箱水位控制系統(tǒng)改成了較復(fù)雜，精度較高，抗干擾能力強(qiáng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)實(shí)際投入使用后，收到了很好的使用效果和評(píng)價(jià)，提高了電站的安全運(yùn)行系數(shù)和實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張金玲,苗逎金.核電機(jī)組中的汽水分離再熱器（MSR）[J].汽輪機(jī)技術(shù),1994(08).

[4]凌星、黃素逸.核電站MSR一二級(jí)加熱器蒸汽流量及其疏水箱水位波動(dòng)大原因分析及處理[Z].2004.