核電廠給水流量調節閥開度增大的原因分析與處理

王安寧，林 昕，張銘刻

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

在核電廠和常規電廠中，調節閥被廣泛運用于機組的各個系統回路，它是過程控制系統中用動力操作去改變液體流量的裝置，以調節流體的壓力、溫度、流量、液位等工藝參數以滿足生產工藝需要，是核電廠保障機組穩定經濟運行的重要組成部分。

1 研究背景

方家山機組主給水流量控制系統(簡稱ARE)是核電機組二回路的重要系統，其主要功能是向蒸汽發生器供應給水并且調節給水流量以將蒸汽發生器二次側的水位維持在一個隨汽輪機負荷變化所預定的基準值上。

三臺蒸汽發生器的每條給水管線上設有一個給水調節站，每個給水調節站由一個承擔95%容量的紿水主調節閥和一個承擔15%容量的旁路調節閥組成。當蒸發器水位發生變化時，給水調節閥(主調節閥和旁路調節閥)在收到調節信號后能在20 s內完成調節功能。

方家山2號機組第3燃料循環運行以來，發現主給水ARE(主給水流量控制系統)三臺主給水調節閥(2ARE031VL/032VL/033VL)閥門開度存在異常變大趨勢，從52%緩慢上漲至接近70%，并且在2017年8月14日進行試驗時，一臺主給水調節閥開度達到94.6%觸發全開信號，試驗被迫終止。此缺陷“方家山2號機組三臺主給水調節閥(ARE)開度增大”也被定為公司級十大缺陷項目，當開度持續增大至無法滿足調節蒸發器水位的時候，機組會有停機的風險，需要盡快找到缺陷原因并盡快處理。

2 原因分析

2.1 初步原因分析

2.1.1 初步檢查及措施

在出現了開度增大的缺陷后，維修人員進行了初步的檢查，確認了現場閥門和系統的狀態，主要有以下方面：

1)發現給水流量調節閥閥門開度增大的缺陷時，現場檢查閥門的指示，確認現場與主控室開度指示保持一致，說明現場閥門開度顯示正常；維修人員對閥門機械結構進行檢查，未發現異常，由于三個環路均出現調節閥開度增大問題，得出該缺陷為共性問題，初步排除閥門指示和結構異常的問題。

2)對主給水調節系統運行情況進行檢查，主給水泵運行正常，汽水壓差正常，二回路給水/蒸汽流量、主給水泵轉速、蒸汽母管壓力均正常。

3)對試驗情況進行跟蹤分析， 2017年8月14日執行試驗，因2ARE243VL關至20%時，主閥2ARE032VL開至94.6%，終止試驗。2017年8月16日提高汽水壓差后，補做試驗，汽水壓差由0.88 MPa提升到0.92 MPa，2ARE032VL開度由70%降低到65%，試驗中032VL最大開度79%，試驗順利完成。在此期間對閥門前后壓差進行監測，未發現明顯變化。

2.1.2 調閥特性檢查分析

根據調節閥的流量特性可知，流量會隨著開度的增大而增大，會隨著壓差的增大而增大，目前調節閥流量未發生變化，需要監測閥門前后壓差來進行分析。

調試期間通過不同功率平臺下整定汽水差壓設定值曲線，將主給水調節閥兩端的壓差控制在3 bar±0.3 bar。100%功率平臺下的差壓曲線見圖1，其調節閥差壓控制均值約為3.2 bar。

圖1 100%功率平臺下的差壓曲線

如果主給水調節閥兩端壓差維持在設計值(2.7～3.3 bar)附近，壓差保持不變，說明調節閥的實際流通面積未發生改變，但在調節閥開度變大的情況下，說明在閥門處流通能力不足。如果壓差變小，說明產生壓損的地方不在閥門處，需檢查其他設備。

2017年7月20日執行試驗時，試驗前在主給水調節閥前后加裝了就地壓力表，測得試驗數據如表1所示。對比調試期間的試驗數據：1、2環路壓差降低了約0.4 bar，3環未變化。調節閥的壓差在正常范圍內，未發生明顯變化，閥后壓力正常。試驗過程中主給水調節閥開度變化分別為13%、16%、14%。

表1 試驗期間開度和壓差數據

由表1中試驗數據可以得出，調節閥的壓差在正常范圍，閥后壓力正常，壓差不變流量不變說明調節閥的流通面積未發生變化，所以造成給水調節閥開度增大的位置為閥門，排除了其他系統及管道存在壓降的可能，需要對可能的原因要素進行全面分析。

2.1.3 原因要素分析

通過上述分析，調節閥開度增大但流通面積未發生變化，并且可以鎖定出現問題的設備是閥門本身，分析主給水調節閥開度增大的原因要素主要有四種：流量實際需求變大、閥位指示變大、主給水供給能力下降、給水供給阻力增加。下面對各個原因要素逐一分析：

(1)流量實際需求變大

經檢查，給水流量、蒸汽流量和蒸發器水位指示均正常，未發現流量實際需求增大的現象。該原因排除。

(2)閥位指示變大

經現場確認，閥桿閥位指示與主控一致，現場閥門指示正常。該原因排除。

(3)主給水供給能力下降

經檢查，給水母管壓力沒有下降，主給水泵轉速正常，主給水供給能力未下降。該原因排除。

(4)給水供給阻力增加

1)閥前壓力正常；

2)閥后壓力正常；

3)閥門壓差正常，但是開度增加。

綜合分析得出，給水供給阻力增加是調節閥開度增大的主要原因，并且可以初步分析為調節閥流通能力減小。

2.1.4 初步分析小結

綜上分析，通過對ARE主給水調節閥開大的原因要素分析，排出了其他原因后，初步判斷為在閥門閥籠處流通能力減小的可能性最大，因此制定故障驗證的計劃，在大小修期間對閥門進行解體檢查。

2.2 故障驗證

更換閥籠新備件后，2ARE032VL開度降低了7%，可以得出閥籠是調節閥開度增大的關鍵部件，維修人員對解體更換下來的舊閥籠進行仔細檢查和測量，發現閥籠小孔直徑明顯變小，并在小孔內壁上發現有大量的結垢現象，結垢致密、堅實、難以清理，經化驗結垢的主要成分為四氧化三鐵，具有一定的磁性。根據以上現象，可以初步得出閥籠結垢是調節閥開度增大的根本原因，還需要進一步計算分析進行驗證。

2.3 計算分析驗證

經過閥籠的流量全部要經過閥籠的小孔，閥籠小孔有1104個，通過計算每個小孔平均的流通面積減少量就可以估算出閥門的開度損失，從而驗證閥籠結垢引起的小孔流通面積減少是否是影響閥門開度增大的主要原因。

首先我們需要建立等式的關系：結垢的體積可以通過結垢的質量得出，也可以通過結垢平均厚度差得到，從而得出結構體積相等的公式：

M/ρ×1000=N×Lπ(R×R-r×r)

式中：M——結垢的四氧化三鐵的質量，取樣重量為50.53 g，占總量的1/3；

ρ——四氧化三鐵的密度5.18 g/cm3；

N——閥籠孔的數量1104個；

L——閥籠孔的深度24 mm；

R——閥籠孔半徑3 mm；

r——結垢后的閥籠孔半徑。

考慮取樣占總量的1/3結垢的分布，綜合后的計算如下：結垢的平均厚度d=0.116 mm。

表面均勻結垢0.116 mm，計算損失平均面積比：1-r×r/R×R=7.6%。

表面均勻結垢0.116 mm，將引起流量下降7.6%(流量的變化與壓差有關系，由儀控監測數據可以看出壓差沒有明顯變化，忽略壓差對流量的影響)。

理論計算和實際閥門開度的變化趨勢一致，由此可以得出結論，ARE調節閥開度增大的根本原因為閥籠小孔結垢。

2.4 結論

針對方家山2號機組給水流量調節閥開度增大的原因，首先從系統上分析得出初步結論是閥門處存在流通能力減小是閥門開度增大的原因，再通過解體更換閥籠后發現開度明顯減小而驗證是在閥籠處，最后通過對小孔結垢進行化學分析和計算分析得到最終結論為：ARE調節閥開度增大的根本原因為閥籠小孔結垢。

3 制定對策

3.1 初步緩解對策

由于方家山機組“ARE給水流量調節閥的開度增大”的問題已對系統的正常運行產生了較大危害，嚴重影響了機組運行的穩定性，因此為避免閥門開度過大引起機組停機的風險，電廠從機械、運行等各方面對ARE給水流量調節閥采取了一系列的保護措施和緩解措施，確保系統運行功能，主要包括以下幾方面：

(1)調整汽水壓差

2017年8月16日提高汽水壓差后，補做試驗，順利完成。汽水壓差由0.88 MPa提升到0.92 MPa，ARE032VL開度由70%降低到65%，試驗中032VL最大開度79%。在提高汽水壓差后，ARE調節閥開度余量能夠滿足試驗要求，后續繼續保持此汽水壓差運行。

(2)制定解體并清洗閥籠的計劃

在確定了ARE調節閥閥籠小孔結垢的根本原因后，制定了檢修方案并調整了預維項目，在方家山104、204大修期間對ARE調節閥進行解體并進行閥籠的清洗工作。

3.2 閥籠清洗方案

在確定ARE調節閥開度增大的根本原因為閥籠小孔結垢后，需要對閥籠小孔上的結垢進行清理，經化學分析結垢的主要成分為四氧化三鐵，且結垢致密、堅實。因公司內現有的清洗方法無法清除舊主給水調節閥閥籠流通小孔內壁附著的沉積物或積垢，所以需采用化學清洗方式，化學部門委托進行了結垢式樣和閥籠材質式樣的檢測分析，通過挑選合適的清洗液，既能保證清洗的效率，又能不破壞設備本體。經過化學試驗后發現，化學清洗滿足技術要求，能夠保證清洗的質量和效率。

化學清洗裝置研發：根據此工藝流程，維修人員設計研發了一套清洗裝置，使用該裝置能夠提高化學清洗的效率并且減少對金屬部件的潛在傷害，如圖2所示。該裝置具有以下功能: 有機酸清洗液閉合循環回路、高壓水噴閉合循環回路、化學監控、腐蝕檢測、高壓機械清洗控制檢測、清洗液加熱、閥籠與清洗液相對運動設置、閥籠取出或放入清洗箱的設置、渾濁清洗液回收處理。

圖2 化學清洗裝置

3.3 應用效果

在大修期間，進行了ARE主給水調節閥閥籠化學清洗項目，清洗效果良好。化學清洗后ARE閥籠各表面光潔，無腐蝕殘留物，無二次腐蝕，并且形成完整致密鈍化膜，洗凈率達到100%，滿足方家山機組主給水調節閥閥籠化學清洗技術要求。

在大修期間，化學清洗裝置應用良好，清洗工藝也進一步得到優化，耗時較短，大大減輕了現場的檢修工作，為大修的順利完成保駕護航。大修結束后，方家山ARE調節閥的開度均處于合格范圍內且運行穩定。

4 結束語

調節閥在運行過程中的缺陷模式非常復雜，如何根據缺陷的表現形式，結合管閥內流體的運動原理以及系統的分析找出缺陷的根本原因是解決問題的前提和關鍵。

本文針對方家山ARE給水流量調節閥開度增大的問題，通過運用系統分析和對閥籠結垢的分析計算，查找出了閥籠小孔結垢是引起該閥開度增大的根本原因，同時并針對性地提出了后續的處理方案，解決了此項技術難題，并在行業內普遍推廣。由此可見，可靠的原因分析是解決問題的前提，有了充分可靠的原因分析，就可以有的放矢，針對性地制定出合理、高效的解決方案。

本文對ARE調節閥開度增大的原因分析和處理策略的提出，展示了此類調節閥缺陷及系統分析的全過程，以及后續化學清洗方案的確定，可以為此類問題的分析和決策提供一個典型的案例，具有很好的借鑒意義，也解決了同行業長期存在的。

目前，采用閥籠化學清洗的方案已經能夠滿足系統和設備運行的需要，但是，針對閥籠小孔結垢的原理還在進一步研究當中，后續還要深入分析和不斷試驗，從根本上解決此項技術難題。