CPR1000機(jī)組真空泵振動(dòng)超標(biāo)原因分析與處理

高　瞻，項(xiàng)洪一

CPR1000機(jī)組真空泵振動(dòng)超標(biāo)原因分析與處理

高瞻，項(xiàng)洪一

（國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，山東 威海，264200）

國(guó)內(nèi)某核電廠1～4號(hào)機(jī)抽真空初期均存在真空泵振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象，振動(dòng)一度達(dá)到10 mm/s以上，嚴(yán)重影響真空泵的正常運(yùn)行。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凝汽器容量大、抽真空初期抽氣量超標(biāo)是導(dǎo)致真空泵振動(dòng)大的主要原因。為解決振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，本研究采用流體力學(xué)方法，針對(duì)真空建立初始階段的抽真空管路建立模型并進(jìn)行分析計(jì)算，得到了真空泵最小抽氣量對(duì)應(yīng)抽氣隔離閥的開(kāi)度。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)抽氣隔離閥開(kāi)度，降低真空泵抽氣量，保證了真空建立階段真空泵組在正常情況下運(yùn)行，從而保證了機(jī)組和設(shè)備安全。

真空泵；振動(dòng)超標(biāo)；抽氣隔離閥；流體力學(xué)

核電機(jī)組裝機(jī)容量大，凝汽器真空度的好壞對(duì)提升機(jī)組效率、提高發(fā)電量、保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行影響重大。可見(jiàn)凝汽器真空系統(tǒng)的運(yùn)行能力及設(shè)備狀態(tài)對(duì)核電安全性、經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。該項(xiàng)目1-4號(hào)機(jī)組均出現(xiàn)了真空泵振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，極大地影響了設(shè)備安全和機(jī)組的正常啟動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)工作中，工作人員采用各種方法降低振動(dòng)值，但未從理論上明確解決方案。經(jīng)對(duì)比，此項(xiàng)目凝汽器為三列（容積為9 790 m3），而國(guó)內(nèi)采用相同技術(shù)路線和真空泵的另兩個(gè)項(xiàng)目凝汽器為兩列（容積分別為6 890 m3、8 040 m3），且不存在振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，故懷疑抽真空初期抽氣量超標(biāo)是導(dǎo)致振動(dòng)大的主要原因。本研究采用流體力學(xué)方法針對(duì)抽真空管路進(jìn)行建模、計(jì)算，確定了真空泵抽氣量最小時(shí)對(duì)應(yīng)隔離閥的開(kāi)度，明確了隔離閥控制方法，從而保證了核電機(jī)組安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

1　研究模型建立

查詢(xún)圖1真空泵性能曲線可知，泵入口壓力為20 kPa.a時(shí)，抽氣量最小。而此時(shí)抽氣隔離閥開(kāi)度大小直接影響了抽氣管路的管路損失。下面，針對(duì)抽氣管路建立流體力學(xué)計(jì)算模型。

圖1　真空泵性能曲線

Fig 1Vacuum pump performance curve

1.1　抽氣溫度確定

因本次計(jì)算的抽氣管路無(wú)熱交換部件，空氣在整個(gè)流轉(zhuǎn)過(guò)程中溫度變化較小，故設(shè)定在整個(gè)管路中，空氣溫度不變，為=15 ℃（即288 K）。

1.2　凝汽器與泵入口壓力確定

本文旨在圍繞真空建立初期振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題展開(kāi)分析，故設(shè)定工況為建立真空最初階段，即凝汽器內(nèi)壓力0=101.325 kPa.a，溫度=288 K。

設(shè)定我們已經(jīng)將一路抽氣隔離閥全關(guān)，并且將另一路打開(kāi)至某一開(kāi)度，此時(shí)啟動(dòng)3臺(tái)真空泵開(kāi)始抽真空，泵入口壓力為2=20 kPa.a。

1.3　針對(duì)抽氣管路建立伯努利方程

為便于分析，依據(jù)抽氣管路圖將本次所研究抽氣隔離閥對(duì)應(yīng)的管路繪制如圖2所示。（因所研究工況另一路閥門(mén)已全關(guān)，故只繪制一路管路圖）

圖2　抽氣管路圖

Fig 2Drawing of the exhaust line

同時(shí)，為便于對(duì)不同管段展開(kāi)計(jì)算，將抽氣管路按照不同的內(nèi)徑劃分為如圖2幾部分：11、12、13、21、22、23、24、25、31、32、33。（注：以尺寸變化點(diǎn)及閥門(mén)處為分界點(diǎn)）

依據(jù)伯努利方程[1]抽氣管路計(jì)算如下：

式中：0/2——凝汽器內(nèi)/泵入口初始參考點(diǎn)壓力，kPa.a；

0/2——凝汽器內(nèi)/泵入口初始點(diǎn)流速，m/s；

0/2——凝汽器內(nèi)/泵入口參考點(diǎn)標(biāo)高，m；

0/2——凝汽器內(nèi)/泵入口初始點(diǎn)密度，kg/m3；

由圖2可得0=6.5 m，2=0.5 m。

沿程阻力損失達(dá)西-魏斯巴赫公式[2]如下：

式中：——沿程阻力系數(shù)；

——管路長(zhǎng)度，m；

——管路內(nèi)徑，m；

——流體流速，m/s。

局部阻力損失公式[2]如下（為損失系數(shù)）：

2　計(jì)算

2.1　計(jì)算凝汽器內(nèi)與泵入口處空氣密度與流速

查參考文獻(xiàn)[3]得：在大氣壓下，當(dāng)=288 K時(shí)，得凝汽器內(nèi)空氣密度0為1.226 44 kg/m3；同理，查得，當(dāng)2=20 kPa.a，=288 K時(shí)，空氣密度2為0.245 21 kg/m3。

查詢(xún)圖1性能曲線可知，2=20 kPa.a，三回路水溫為13 ℃時(shí)，抽氣量為q=76 m3/min（此體積流量對(duì)應(yīng)一個(gè)大氣壓，空氣溫度21.1 ℃，查詢(xún)《工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊(cè)》[3]可知空氣密度21.1為1.201 38 kg/m3），則質(zhì)量流量：

母管流量為3臺(tái)真空泵之和，母管總流量：

對(duì)于流體，連續(xù)性方程[4]如下：

則母管部分通過(guò)連續(xù)性方程計(jì)算各處流速：

針對(duì)單臺(tái)泵入口管路，通過(guò)下式計(jì)算流速：

由公式（1）可知，由于凝汽器內(nèi)0=101.325 kPa.a，靜壓頭尚未向動(dòng)壓頭的轉(zhuǎn)化，則凝汽器內(nèi)空氣流速0為：0 m/s。

而真空泵的入口處依據(jù)式（8），空氣流速：

2.2　抽氣管路其余各點(diǎn)的空氣密度與流速計(jì)算

2.2.1明確計(jì)算對(duì)象，計(jì)算并聯(lián)管路質(zhì)量流量

由流體力學(xué)[1]可知，并聯(lián)支路阻力相等，則：

13=111221（10）

式中：111221為管段11、12、21以及13左側(cè)22部分管段的組合。

則計(jì)算整個(gè)管路的損失時(shí)該部分可只計(jì)算13。同理在泵入口段有：31=253233。

式中：253233為管段25、32、33以及31右側(cè)24部分管段的組合。

可被替代的部分不再考慮阻力損失情況。需進(jìn)行管路損失計(jì)算的管段為：13、22、23、24、31。（其中22為13右側(cè)，24為31左側(cè)部分）

根據(jù)流體力學(xué)[1]可知，我們所研究的管段13與111221組合管段并聯(lián)后，可得：

因13=111221，則13與111221質(zhì)量流量關(guān)系：

由管路圖可知：13=0.26 m，111221=0.387 m。

那么：

又因?yàn)椋?/p>

則管段13質(zhì)量流量q13為：1.419 84 kg/s。

2.2.2討論抽氣管路各部分空氣密度

由流體力學(xué)[1]可知，實(shí)際氣體狀態(tài)方程為：

式中：——實(shí)際氣體與理想氣體質(zhì)量體積之比；

——壓力；

——相對(duì)分子式量；

——溫度。

根據(jù)公式（15）可以定性判斷，隨著空氣沿管路流轉(zhuǎn)過(guò)程中壓力的不斷降低，空氣密度也不斷降低，而且壓降越多處，密度降低越多。

由表1抽氣隔離閥損失系數(shù)可知，閥門(mén)在小開(kāi)度時(shí)節(jié)流作用非常明顯，而我們討論的工況正是閥門(mén)小開(kāi)度狀態(tài)，故整個(gè)抽氣管路的損失主要集中在閥門(mén)上，即閥門(mén)處壓降最大。

表1　抽氣隔離閥閥門(mén)損失系數(shù)

為保證誤差最小的情況下便于計(jì)算，將空氣密度的變化均分到閥門(mén)前后，設(shè)定閥門(mén)處空氣密度為閥前后平均，則各段空氣密度依次為：

2.2.3計(jì)算各管段流速

查詢(xún)抽氣管路圖2，可知13段管路截面積為：

同理可得：22=0.117 57 m2，23=0.117 57 m2，24=0.186 94 m2，31=0.053 07 m2。

則13段空氣流速為：

同理可得：22=31.660 72 m/s，23=158.353 93 m/s，24=99.591 71 m/s，31=116.938 10 m/s。

2.3　計(jì)算各管段沿程損失

2.3.1分析各管段與粗糙度有關(guān)的不同流動(dòng)狀態(tài)雷諾數(shù)范圍

依據(jù)設(shè)計(jì)文件可知，抽氣管路為無(wú)縫鋼管，查詢(xún)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[5]知無(wú)縫鋼管絕對(duì)粗糙度為0.2 mm。

針對(duì)13管段，紊流粗糙管過(guò)渡區(qū)范圍為：

同理，得紊流粗糙管平方阻力區(qū)范圍為：

同理，管段22、23、24、31，紊流粗糙管過(guò)渡區(qū)、紊流粗糙管平方阻力區(qū)范圍如表2所示。

表2　雷諾數(shù)范圍

2.3.2計(jì)算各管段雷諾數(shù)

溫度為=288 K時(shí)，空氣的運(yùn)動(dòng)黏度[3]為：1.457 545×10-5m2/s。

則根據(jù)流體力學(xué)[1]可計(jì)算得13管路雷諾數(shù)：

同理計(jì)算得：22=8.406 39×105，23=4.204 54×106，24==3.334 42×106，31=2.085 97×106。

2.3.3計(jì)算沿程損失系數(shù)（即管道摩擦系數(shù)）

同理，計(jì)算得：22=0.011 91，31=0.010 23。

而對(duì)于管段23，其雷諾數(shù)：

屬于紊流粗糙管平方阻力區(qū)，則該段為：

同理，管段24的沿程損失系數(shù)計(jì)算得：

2.3.4計(jì)算沿程損失

根據(jù)抽氣管路圖可知，各段管路長(zhǎng)度依次為：13=3.225 m；22=11.646 m；23=17.197 m；24=2.124 m；31=6.253 m。

那么，按照公式（2）可得，管路13、22、23、24、31各部分的沿程損失為：

同理計(jì)算得：22=220.310 64 Pa；23=2 297.913 05 Pa；24=84.526 75 Pa；31=412.487 66 Pa。

由上文可知，整個(gè)抽氣管路沿程損失為：

2.4　計(jì)算各部分局部損失

2.4.1確定局部損失系數(shù)

根據(jù)參考文獻(xiàn)［5］，管路局部損失系數(shù)如表3所示。

表3　局部損失系數(shù)

規(guī)定，空氣沿管路13、22、23、24、31局部損失部件的編號(hào)如下：管道入口：1；三通：2；90°彎頭：3；閥門(mén)：閥；60°彎頭：4；90°彎頭：5；異徑管：6；三通：7；法蘭：8；90°彎頭：9。

查表3：1=0.25；2=6013；3=5=9=0.25；4=0.20；6=0.046；7=6031；8=0。

2.4.2計(jì)算局部損失

根據(jù)公式（3）計(jì)算各部分局部損失如表4所示。

表4　局部損失

由上文可知，整個(gè)抽氣管路的局部損失為：

帶入上文參數(shù)可得：

2.5　對(duì)抽氣管路列伯努利方程，計(jì)算閥門(mén)開(kāi)度

由抽氣管路兩端參數(shù)可得整個(gè)管路損失為：

則抽氣管路沿程損失和局部損失之和為：

綜合上式可得：閥=192.057 24。

查表1可知，當(dāng)閥=192.057 24時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度約為22.99度，即26%的開(kāi)度。

3　應(yīng)用效果

根據(jù)如上結(jié)果，試驗(yàn)人員采用新方案再次執(zhí)行抽真空工作，將一路隔離閥關(guān)閉，另一路閥門(mén)調(diào)整至26%開(kāi)度開(kāi)始啟動(dòng)真空泵，保證了抽氣量最小、負(fù)荷最小。以一號(hào)真空泵為例，方案實(shí)施前后泵組振動(dòng)結(jié)果如表5所示。可見(jiàn)，通過(guò)將這一方案的應(yīng)用，很好的解決了真空泵振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。

表5　泵組振動(dòng)值

4　結(jié)論

本研究通過(guò)流體力學(xué)理論計(jì)算確認(rèn)了在凝汽器真空建立初期，抽氣量最小（負(fù)荷最小）時(shí)對(duì)應(yīng)隔離閥的開(kāi)度值為26%。為抽真空階段，隔離閥開(kāi)度控制提供了參考依據(jù)，解決了真空泵振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，保證了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、安全性。同時(shí)，本文為核電站管路阻力計(jì)算提供了一套完整的理論計(jì)算方法，對(duì)后續(xù)工程領(lǐng)域的管路阻力計(jì)算具有借鑒意義。

致謝

感謝所有試驗(yàn)參與人員及參考文獻(xiàn)作者。

［1］ 王中錚．注冊(cè)公用設(shè)備工程師專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)考試復(fù)習(xí)教程［M］．天津：天津大學(xué)出版社，2010：15，23，159-164.

［2］ 孔瓏．工程流體力學(xué)［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2006：1，89，95，108-110，118-120.

［3］ 張家榮，趙廷元，等．工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊(cè)［M］．北京：新時(shí)代出版社，1987：205-206，220.

［4］ 趙宏志．注冊(cè)公用設(shè)備工程師公共基礎(chǔ)考試復(fù)習(xí)教程［M］．天津：天津大學(xué)出版社，2010：494.

［5］ 電力工業(yè)部東北電力設(shè)計(jì)院．火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［M］．北京：中國(guó)電力出版社，1996：40，166，169-199.

Cause Analysis and Treatment of the Vacuum Pumps’Over-vibration of CPR1000 Nuclear Power Plant

GAO Zhan，XIANG Hongyi

（State Nuclear Power Demonstration Plant co.LTD，Weihai of shandong Prov，264200，China）

The phenomenon of vacuum pumps’vibration beyond the standard limit took place in Unit 1 to 4 of a nuclear power plant. The vibration once exceeded 10 mm/s，which seriously affected the running of the vacuum pumps. By comparison，we can find the main reason that caused over-vibration is the larger capacity and the larger amount of exhaust. To solve this problem，the research focus on the initial phase of vacuum pumping，using fluid mechanics method to build model and calculate. The research got the extraction isolation valves’opening while the vacuum pump pumping capacity is smallest. The tester adjusted the opening of the isolation valve to lower vacuum pumps’ suction，which ensured the normal operation of vacuum pumps and the safety of unit and equipment.

Vacuum pumps；Over-vibration；Extraction isolation Valve；Fluid mechanic

TL48

A

0258-0918（2021）05-0929-06

2021-02-21

高瞻（1988—），男，河北人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)主要從事核電廠流體力學(xué)及電儀控制原理分析研究