蒸汽發生器二次側水力清洗系統的流量脈動

程 檀

（核動力運行研究所，湖北武漢 430223）

0 引言

核電站蒸汽發生器（SG）在正常運行過程中，由于各種原因，會在蒸汽發生器二次側管板上產生泥渣沉積。泥渣沉積對SG 傳熱管危害較大，必須采用合適手段進行清除。作為蒸汽發生器二次側維護的周期性措施，管板泥渣侵襲（S/L）在國內外壓水堆核電站中越來越普遍地得到應用。國內外運行經驗表明，定期去除管板上表面的腐蝕產物沉積物，可以減緩傳熱管腐蝕和破裂的趨勢。

SG 二次側水力清洗系統利用三柱塞高壓泵產生高壓水，經過一定管路到達噴嘴，再把高壓力、低流速的水轉換為低壓力、高流速的水射流，利用其很高的沖擊動能作用于蒸汽發生器二次側泥渣堆積區域，使得沉積物破碎、脫落，最終實現清洗目的。

三柱塞高壓泵因其固有特點，工作過程會產生流量脈動，流量脈動必然引起系統壓力脈動，直接影響系統的穩定性，甚至會加速高壓管線的振動磨損。

1 蒸汽發生器二次側水力清洗系統概述

SG 二次側水力清洗系統利用高壓水射流，將管束內的沉積物打碎并沖至外環廊，通過環流驅趕到抽吸系統的吸入口，將其吸出，以達到去除蒸汽發生器二次側管板上沉積物的目的。典型的SG 二次側管板泥渣清洗系統如圖1 所示。成套的SG 二次側水力清洗系統主要由以下基本模塊組成。

（1）水箱模塊。用于儲存沖洗用水，使沖洗用水能循環使用；

（2）高壓泵模塊。通過三柱塞高壓泵將水箱內的水加壓后通過高壓軟管送往槍體模塊；

（3）槍體模塊。沖洗工作的具體執行機構，安裝在手孔或眼孔上；

（4）抽吸模塊。將蒸汽發生器二次側管板上的泥水混合物抽出，送往過濾模塊；

（5）過濾模塊。將泥水混合物進行過濾，過濾后的水流回到水箱。

根據槍體模塊的結構和功能不同，主要分為剛性清洗槍（管廊式清洗）和柔性清洗槍（管間式清洗）。

（1）剛性清洗槍的頭部一般設有多排噴嘴，通過槍體的步進運動，使噴嘴到達需要清洗的指定傳熱管管間；通過槍體的旋轉運動，使噴嘴噴射出的清潔水同時清洗多排管間區域。剛性清洗技術的特點是清洗效率高，對于松散沉積物清洗效果好。剛性清洗水壓力一般為14～20 MPa。

（2）柔性清洗槍的噴嘴可通過柔性載體深入管束，使噴嘴更接近指定清洗區域。柔性清洗技術對硬性沉積物清洗效果明顯，但清洗效率較低。柔性清洗水壓力一般不低于30 MPa。

SG 二次側水力清洗系統槍體模塊需針對不同類型的SG以及不同的清洗需求進行選擇，一般情況下不具備通用性。其他模塊在滿足相應沖洗壓力、流量要求的前提下，可以適配不同的槍體模塊，具備較高通用性。

SG 二次側水力清洗系統根據高壓泵模塊的不同布局，目前主要分為兩類，一種是采用大流量高壓泵的單泵布局形式，如圖1 所示；另一種是采用小流量高壓泵的5 泵并聯布局形式，如圖2 所示。

圖1 SG 二次側水力清洗系統

圖2 5 泵并聯水力清洗系統

2 三柱塞高壓泵的工作原理與流量脈動

2.1 三柱塞高壓泵的工作原理

三柱塞高壓泵通過大功率電機帶動泵的動力端，也就是曲軸箱。曲軸箱內有一個等角度均布的三拐曲軸，曲軸拐部隨著曲軸的轉動會帶動三組連桿，驅動柱塞在柱塞腔內做往復直線運動。柱塞與柱塞腔通過填料盒密封，使得泵的液力端，也就是柱塞腔內交替形成局部負壓或高壓。通過三組進水、出水單項閥的交替開啟和關閉，完成液力端的進水和出水過程。三柱塞高壓泵的結構如圖3 所示。

2.2 三柱塞高壓泵的流量特性

三柱塞高壓泵單個柱塞進水、排水的過程如圖4所示。

對三柱塞高壓泵單個柱塞腔進行分析，柱塞瞬時速度u 由式（1）表示，u 為正值表示柱塞腔處于出水過程，u為負值表示柱塞腔處于進水過程。

圖3 三柱塞高壓泵示意圖

圖4 柱塞泵進水、出水示意圖

式中 x——柱塞運動位移，mm

φ——曲柄轉角，逆時針為正，x=0 時，φ=0

r——曲柄半徑，mm

ω——曲柄角速度

λ——連桿比，曲柄半徑r 與連桿長度L 的比值

由于一般情況下，連桿長度L 比曲柄半徑r 大很多，λ值很小，因此可以近似認為，故式（1）可以簡化為：

式中 A——柱塞腔截面積，mm2

對于三柱塞高壓泵，曲柄周向均布，相互之間的相位偏角相差2π/3，且在曲柄轉角處于出水相位偏角時才會排出流量。因此，3 個柱塞腔的瞬時排出流量可表示為：

第一柱塞腔瞬時排出流量q11：

第二柱塞腔瞬時排出流量q12：

三柱塞高壓泵的綜合瞬時排出流量通過式（4）～（6）疊加后獲得，可見泵的瞬時排出流量呈正弦函數的周期性分布趨勢。

三柱塞高壓泵由于受曲柄連桿機構自身限制，3 個柱塞腔之間的流量無法提供互補，實現“恒流”，因此，三柱塞高壓泵的排出流量存在固有脈動性。

2.3 單泵水射流系統的流量脈動

對于單臺三柱塞高壓泵單獨使用的情況，考慮到實際情況中λ 值不大于1/4，因此，式（4）～（6）可進一步簡化為：

由式（4）～（6）可以看出，曲柄轉角φ 在（0～2π/3）、（2π/3～4π/3）、（4π/3～2π）的區間內，q11、q12、q13各自具有相同的波形，在這3 個區間內的波形分別對于φ=π/3、π、5π/3 是對稱的。在不考慮進水、排水單向閥滯后角的情況下，可以得到疊加后的瞬時流量曲線，如圖5 所示。相應的流量脈動周期為2π/3。

圖5 三柱塞高壓泵的瞬時流量

2.4 多泵并聯水射流系統的流量脈動

對于多套三柱塞高壓泵并聯使用的情況，假設第一臺高壓泵的排出流量q11、q12、q13符合式（7）～（9），與其并聯的三柱塞高壓泵的曲柄轉角相對于第一臺泵都存在相位偏角。

設并聯后的第n 臺三柱塞高壓泵的曲柄轉角相對于第一臺泵存在的逆時針方向的相位偏角φn，它的綜合瞬時排出流量可表示為：

多套三柱塞高壓泵并聯使用時，系統的瞬時排出流量由各柱塞泵的瞬時排出流量疊加形成。

對疊加后的瞬時流量進行分析可知，單臺三柱塞高壓泵的瞬時排出流量存在固有的流量脈動頻率。但多套三柱塞高壓泵并聯使用時，柱塞泵之間存在最佳的相位偏角，使得每臺柱塞泵的流量峰值交錯疊加，降低系統流量峰值，彌補系統流量低值，從而降低系統的流量脈動率。

由于單臺三柱塞高壓泵流量曲線呈周期性，0～π/3 相位角范圍是流量曲線中最小的區間范圍。因此，當n 臺三柱塞高壓泵并聯使用時，泵之間的最佳相位偏角為π/3n。

3 結論和展望

在忽略三柱塞高壓泵連桿比以及進水、排水單向閥滯后角的影響下，對于單泵布局形式的SG 二次側水力清洗系統，其流量脈動往復周期為2π/3；對于5 泵布局形式的SG 二次側水力清洗系統，當泵之間相位偏角為π/15 時，可以使泵的流量峰值交錯疊加，降低水力清洗系統的流量脈動率。

使用多泵并聯的布局形式，可以有效提升SG 二次側水射流系統的穩定性，降低壓力脈沖對系統管線以及前端清洗槍體模塊的振動影響。其具體效果有待后續進行進一步試驗等技術研究，以滿足實際工作需要。