汽動給水泵非能動控制機理與脫扣試驗調整

文 學，侯曉宇，杜鵬程

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

0.1 系統功能

輔助給水系統（ASG）是壓水堆核電站的專設安全設施，在任一正常給水系統（APA，ARE，APD）故障時，輔助給水系統運行，以導出堆芯余熱，至余熱排出系統（RRA）可投運的狀態[1]。

為滿足單一故障準則，ASG 設置成雙系列2×100%容量：即可由應急電源供電的2×50%電動輔助給水泵系列；可由主蒸汽系統（VVP）或輔助蒸汽分配系統（SVA）供汽的2×50%汽動輔助給水泵（以下簡稱汽輔泵）系列。汽輔泵與電輔泵采用完全不同的結構，以避免共模失效。

0.2 結構原理

某核電廠的汽輔泵型號TWL-45S，為臥式兩級單吸離心泵，汽輪機配置單級葉輪。泵與驅動汽輪機采用一體化集成設計（同軸、同殼體），既提高了運行可靠性，又減少了維修工作量。此外，汽輔泵還有如下特點。

（1）配置機械式流量非能動控制系統，實現汽輪機蒸汽流量與泵水流量動態平衡；

（2）設置了機械和電氣兩種非能動脫扣功能，保護泵組安全運行；

（3）正常運行時無需外部供應水或油等潤滑冷卻；

（4）無需預潤滑或暖泵而快速啟動（2 s 可達90%額定轉速）；

（5）無機械密封、聯軸器等部件；

（6）汽輪機側懸空以適應汽缸膨脹，汽缸蓋設置一根平衡管連接至乏汽側，以減小高壓蒸汽淤積而產生的軸向力。

1 汽輔泵的非能動控制機理

1.1 流量非能動控制

1.1.1 常規設計的安全風險

常規泵組未設計流量自調節系統，須通過改變閥門開度或變頻電機等調節泵組流量。這無法保障在事故狀態下，汽輔泵出口流量符合安全要求。

例如汽輔泵出口管道破裂后，管道阻力驟減，使得泵出口流量劇增而超出系統和設備的安全極限值，存在輔助給水箱被快速抽干、泵汽蝕等而導致ASG 核安全功能不可用（I0）的安全風險。

1.1.2 流量非能動控制機理

汽輔泵的流量非能動特性使得汽輪機入口蒸汽流量隨動于泵出口水流量。因而使得泵組偏離穩態工況后能快速準確回到新的平衡狀態，還使得事故工況下泵的最大流量符合安全要求，從而提高泵組的可靠性和效率。

根據流體力學基本原理，可列出文丘里管的理論方程，見式（1）。

式中 A1——入口面積

P1——入口壓力

A2——喉部面積

P2——喉部壓力

ΔP——P1和P2之差

由上式可知，當泵出口流量升高時，經過文丘里管的水壓差（ΔP）增加，從而對活塞施加向下的力增加，該力通過壓力調節器杠桿使得汽輪機蒸汽調節閥開口變小，降低蒸汽進入量使得汽輪機適當減速，從而使得泵出口水流量適當降低。反之亦然。

1.2 脫扣非能動控制

1.2.1 功能與組成

泵組在發生甩負荷（突變零流量、泵軸斷裂等）、汽輪機調節閥故障等瞬態時均可能造成超速事故。非能動脫扣使泵發生超速后緊急停機，保障泵組及其系統的安全。

汽輔泵的非能動脫扣系統由電氣和機械脫扣組成，以兩道獨立屏障方式保障汽輔泵及系統安全。兩種脫扣都基于將主汽門活塞與乏汽側連通，以快速關閉主汽門，實現泵組停機。電氣和機械脫扣的動作轉速標準如下[2]：電氣脫扣（9250～9420）r/min；機械脫扣（9675～9850）r/min。另外，為更好地避免泵組超速事故，還冗余設置第二級電氣脫扣（101 10～102 80）r/min。

1.2.2 電氣脫扣

電氣脫扣通過在主汽門活塞的脫扣側設置一個電磁閥，當測速計監測到轉速達設定值后，觸發電磁閥開啟，隨后主汽門活塞脫扣側與乏汽側連通，從而將活塞脫扣側的壓力快速降低至乏汽壓力，主汽門在巨大壓差的作用下快速關閉，從而將汽輔泵停機。電氣脫扣也可以通過現場控制柜或主控的脫扣按鈕實現。

1.2.3 機械脫扣

（1）主要結構。汽輔泵的機械脫扣主要由掛扣組件和機械飛錘等組成。①掛扣組件。觸發器由彈簧及脫扣桿定位而與軸表面保持（0.381～0.686）mm 的間隙。脫扣桿與復位桿通過橫向插銷連接，觸發器施加給脫扣桿——復位桿組件逆時針的靜力矩使得錐形閥芯桿往上壓縮彈簧而關閉錐形閥。②機械飛錘包括子母飛錘及對應彈簧、調整螺塞等。采用雙彈簧與雙飛錘結構、真空潤滑等獨特設計，子飛錘置于母飛錘的密封保護中，避免飛錘所處環境介質參數（如水溫度壓力）變化的影響，提高了運行準確性和使用壽命。

泵停運時，子飛錘的質心在飛出端，母飛錘及飛錘整體的質心均在反方向。當轉速低于脫扣轉速時，彈簧力大于離心力使得飛錘保持在軸內。當轉速升高至設定的機械脫扣轉速時，子飛錘因離心力快速向外飛出從而帶動母飛錘向外移動打擊觸發器，使得觸發器與脫扣桿脫開，復位桿旋轉而落下，由此使得錐形閥打開，從而將主汽門活塞的脫扣側與乏汽側連通，由此關閉主汽門。

機械脫扣也可現場手動實現。即通過推進泵體上的推進桿，使得觸發器與脫扣桿—復位桿組件脫開，導致錐形閥打開，由此使得主汽門活塞脫扣側與乏汽側連通而使主汽門快速關閉，從而將汽輔泵停機。

在執行機械超速試驗時，需按下電氣脫扣屏蔽按鈕。緩慢關閉泵入口閥，依靠汽輔泵的流量非能動控制機理而使得泵轉速逐漸升高，檢驗在設定脫扣轉速時機械脫扣動作的準確性。

（2）復位。電氣脫扣后復位。可通過按壓現場控制柜或主控的復位按鈕實現。機械脫扣后復位。可通過抬起泵復位桿或按下控制柜的復位按鈕實現。

2 脫扣試驗調整優化方法

根據機組設計要求，汽輔泵需定期進行超速試驗，并分別驗證電氣和機械脫扣能否準確動作，保障機組設計安全可靠。

2.1 機械脫扣動作失準

某廠汽輔泵調試期間進行超速試驗時，按設備運行維護手冊（EOMM）要求泵組應在（9675～9850）r/min 實現機械脫扣，但實際轉速升至10 660 r/min 時機械脫扣才動作。按照EOMM 說明：將調整螺塞順時針（逆時針）旋轉1°可使得機械脫扣動作轉速降低（升高）約50 r/min。

因此，將調整螺塞順時針旋轉約15°后試車，泵組在7600 r/min 時便機械脫扣。而后，將調整螺塞旋回原位后再順時針旋轉2°，此時泵組在10 460 r/min 機械脫扣。隨后，多次按照EOMM 要求進行調整，但發現脫扣動作轉速均未完全符合EOMM 的描述，呈現一定的不確定性。

2.2 機械飛錘動作失準原因分析

結合機械飛錘的結構原理及前人研究[3-5]，分析超速試驗時機械脫扣失準主要有彈簧特性、飛錘結構、環境因素和泵組振動等原因。

2.2.1 彈簧特性

彈簧的性能優劣直接影響飛錘的動作情況。彈簧塑性變形、剛度等對超速試驗的準確性與復現性等影響很大。

（1）塑性變形。彈簧塑性變形將導致彈力與預期值不同而導致動作轉速達不到預期。還會使調整螺塞的旋轉角度產生誤差，由此而使得旋轉調整螺塞時實際轉速變化與EOMM 描述規律不一致。

（2）剛度。若彈簧剛度線性不佳，將導致彈簧受力后剛度變化較大，特別在調整過程中會產生相同調整量而轉速變化不同現象。

2.2.2 飛錘結構

飛錘零部件較多，制造及裝配等各環節質量控制不良都可能影響動作轉速。如調整螺塞與軸孔螺紋的嚙合間隙較大可能導致調整螺塞在調整后旋緊定位螺釘過程中誤碰螺塞而產生移位；螺紋變形等使得螺紋導程誤差過大而使得調整螺塞調整量誤差過大或牙間載荷不均等，導致動作轉速達不到預期值。另外，盡管EOMM 指出了調整螺塞旋轉角度與轉速變化的對應關系，但由于調整螺塞的尺寸較小在實際調整時不便于準確測量出螺塞旋轉角度，由此產生誤差。

2.2.3 環境因素

飛錘處于一定溫度和壓力的水中，水的溫度壓力不同可能影響飛錘動作轉速。如溫度降低時彈簧剛度升高，從而影響動作轉速。

2.2.4 泵組振動

振動通過振幅與相位角一起影響飛錘動作轉速。即當泵組產生足夠的振幅且有利于飛錘飛出的相位角時，將使得飛錘較設定的脫扣轉速低而動作。反之亦然。

2.3 優化方法

彈簧的剛度等特性均有專業機構證明合格且泵之前未曾運轉，故判定其合格。對于環境溫度、泵組振動等參數，通過現場專業人員測試均合格，故排除其影響。由此分析得出：需根據飛錘結構特點等，優化動作轉速的調整方法。

優化的調整方法包含：①將調整螺塞旋轉一定量后再回旋一定量，以使得螺塞與軸孔螺紋充分緊密嚙合；②將調整螺塞的調整量從旋轉角度折算為周向旋轉位移，以便于測量；③在調整螺塞旋轉完畢后緊定位螺釘時，要嚴格確保不能讓調整螺塞有絲毫位移。

采用上述方法調整后試車，泵機械脫扣動作轉速穩定在9750 r/min，符合設計要求。

3 結論

介紹汽輔泵的一體化集成設計、非能動控制機理等主要特性。分別基于電氣和機械兩種脫扣功能，闡述了非能動脫扣機理的安全性能、結構組成和動作原理。有利于準確掌握汽輔泵的運行控制和故障處理。

結合調試期間產生的機械超速試驗動作失準案例，從多角度分析機械脫扣動作失準的原因，并提出了優化調整方法，對同類故障處理具有一定的參考意義。