輔助給水調(diào)節(jié)閥振蕩現(xiàn)象分析優(yōu)化

王 瑜，李 基，鄒 霆

（中國中原對外工程有限公司，北京 100044）

0 引言

“華龍”機組是我國自主研發(fā)的三代核電機組，其輔助給水系統(tǒng)（TFA）屬于專設(shè)安全系統(tǒng)，在機組主系統(tǒng)啟動升溫階段、熱停堆工況和建立汽腔前為蒸發(fā)器提供“冷源”。國產(chǎn)研發(fā)的氣動套筒調(diào)節(jié)閥得到了廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)提供閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。其中TFA 系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)閥（簡稱TFA 調(diào)節(jié)閥）通過蒸發(fā)器液位閉環(huán)控制其開度，屬于“關(guān)鍵核心”控制設(shè)備，其調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性直接影響機組啟動和安全。在調(diào)試期間，TFA調(diào)節(jié)閥均出現(xiàn)了不同程度的振蕩現(xiàn)象，引起蒸發(fā)器流量劇烈波動、調(diào)節(jié)閥后管道振動和吊架松動等現(xiàn)場。針對閉環(huán)調(diào)節(jié)閥的振蕩現(xiàn)象，運用系統(tǒng)分析和理論計算的方法，確定閥門振蕩的根本原因，分析其產(chǎn)生機理及其對下游管道、孔板影響，進而提出優(yōu)化、改進措施和后續(xù)選型的建議。

1 設(shè)備及故障

1.1 TFA 系統(tǒng)及設(shè)備

TFA 系統(tǒng)屬于專設(shè)安全系統(tǒng)，采用單一故障準(zhǔn)則和設(shè)備冗余準(zhǔn)則，布置A/B 兩列系統(tǒng)管線，每列系統(tǒng)分別包含3 臺TFA調(diào)節(jié)閥設(shè)備，向蒸發(fā)器二次側(cè)充水和實施液位控制調(diào)整。

TFA 調(diào)節(jié)閥為國產(chǎn)科研設(shè)備，屬于氣動套筒式調(diào)節(jié)閥（預(yù)啟式調(diào)節(jié)閥），采用多彈簧氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)，氣路控制系統(tǒng)包含空氣過濾器、定位器、行程開關(guān)和電磁閥；該閥門為雙閥座結(jié)構(gòu)（主閥芯和平衡型閥芯），調(diào)節(jié)流量特性為等百分比，閥門前后壓差高達10 MPa，閥芯部件采用低噪聲、抗汽蝕材料，主要參數(shù)如圖1 所示，TFA 調(diào)節(jié)閥閥芯和控制氣路如圖2 所示。

圖1 TFA 調(diào)節(jié)閥參數(shù)

圖2 TFA 調(diào)節(jié)閥閥芯和控制氣路

1.2 閥門振蕩簡介

TFA 調(diào)節(jié)閥在執(zhí)行向蒸發(fā)器充水試驗時，向單臺蒸發(fā)器充水試驗時，在開啟過程中，調(diào)節(jié)閥分別在27%～43%開度出現(xiàn)振蕩，閥桿振蕩幅度為50%行程值，流量最大在20～79 m3/h 波動，嚴(yán)重影響蒸發(fā)器液位調(diào)整的準(zhǔn)確性，屬于共性問題，以1#和3#調(diào)節(jié)閥作為研究對案例，其他閥門故障情況類似，振蕩數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 TFA 調(diào)節(jié)閥振蕩數(shù)據(jù)

TFA 調(diào)節(jié)閥在特點開度出現(xiàn)明顯振蕩現(xiàn)象，且在關(guān)閥過程的振蕩開度值略高于開啟過程；振蕩整體表現(xiàn)為大開度、大幅度振蕩。

TFA 調(diào)節(jié)閥后的管道出現(xiàn)振動量增加（最高達200 mm/s），管道晃動，吊架因長期振動脫落；在調(diào)節(jié)閥后安裝臨時壓力表，測量發(fā)現(xiàn)壓力在0.5～10 MPa 區(qū)間反復(fù)波動（閥門開度43%時），導(dǎo)致多臺壓力故障；在TFA 調(diào)節(jié)閥位置及閥后孔板位置均出現(xiàn)明顯的“嘯叫”聲，TFA 調(diào)節(jié)閥房間噪聲異常。

2 原因分析及驗證

TFA 調(diào)節(jié)閥的控制、連鎖邏輯復(fù)雜，影響因素多，必須運用系統(tǒng)思維開展原因分析，采用理論計算結(jié)合系統(tǒng)試驗驗證的方法排除次要因素，挖掘根本原因和振蕩現(xiàn)象的機理。從系統(tǒng)運行、控制氣路和閥門設(shè)計角度開展系統(tǒng)化分析優(yōu)化，主要因素分析如圖3 所示，系統(tǒng)化分析流程如下。

圖3 原因分析

2.1 系統(tǒng)設(shè)計及運行

TFA 調(diào)節(jié)閥的振蕩現(xiàn)象屬于大幅度、大開度的振蕩現(xiàn)象，且是系統(tǒng)設(shè)備共性問題，因此存在調(diào)節(jié)閥的實際運行工況（閥前、后的流量和壓力等）超出設(shè)計范圍的可能性；經(jīng)核實，TFA 系統(tǒng)實際運行參數(shù)顯示輔助給水電動泵的運行參數(shù)正常，系統(tǒng)運行參數(shù)均正常，調(diào)節(jié)閥前壓力未超過設(shè)計和運行規(guī)范，排除系統(tǒng)設(shè)計因素。

DCS 控制系統(tǒng)PID 參數(shù)設(shè)置不合理，例如比例帶小、積分時間長等因素均會導(dǎo)致閥門振蕩。為排查該因素，就地采用信號發(fā)生器替代DCS 系統(tǒng)向定位器輸入控制電信號，相同的振蕩現(xiàn)象仍然出現(xiàn)。

2.2 控制氣路

控制氣路的漏氣、定位器反饋桿松動和振動、定位器零點等設(shè)置參數(shù)不合理等因素均會導(dǎo)致閥門動態(tài)調(diào)整開度，產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。首先，定位器、膜室及控制管路存在漏點時，開度無法保持，定位器動態(tài)調(diào)整輸出信號，使得開度增加或減小，產(chǎn)生閥門振蕩；其次，信號干擾、“虛假”的開度反饋和氣路靈敏性均會產(chǎn)生振蕩問題；采用泡沫法進行查漏，發(fā)現(xiàn)輕微漏點后，予以調(diào)整消除，氣路及膜室的密封性試驗合格；更換定位器后，進行空載動作、待載荷運行試驗后，振蕩問題依然存在，因此排除控制氣路因素。

2.3 閥門設(shè)計

閥門設(shè)計不合理主要包括：①閥門選型不合理，CV值與實際系統(tǒng)運行工況不匹配；②氣動執(zhí)行機構(gòu)的作用力不滿足最大不平衡力。閥門流量系數(shù)CV是閥門流通能力（閥門阻力）體現(xiàn)，由閥芯固有結(jié)構(gòu)決定，不隨外界因素變化。

根據(jù)上述故障描述得出：閥門在特定開度、流量時，出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；考慮到開度與流量系數(shù)CV是一一對應(yīng)的指數(shù)關(guān)系，計算閥門在該流量下的壓降阻力損失，閥門振蕩時壓差計算見表2。

表2 閥門振蕩時壓差計算

TFA 系統(tǒng)的輔助給水電動泵在對應(yīng)的工況的出口壓力值約為13.6 MPa。蒸發(fā)器的背壓等于1 bar。根據(jù)調(diào)節(jié)閥的控制原理，在CV 值保持不變時，流量增加，壓差也隨著增加，若壓力低于汽化壓力時，則產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，形成堵塞流動。經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后，壓降損失約14 MPa，閥芯位置的壓力將低于0.045 bar，連續(xù)不斷地產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，產(chǎn)生類似“水錘”現(xiàn)象的壓力沖擊力。而閥門執(zhí)行機構(gòu)的作用力無法克服瞬間不平衡力，進而導(dǎo)致閥門振蕩，無法穩(wěn)定。

2.4 機理分析及優(yōu)化

經(jīng)分析，TFA 調(diào)節(jié)閥振蕩特征為大幅度、大閥位的振蕩，其根本原因為該閥門選型與運行工況不匹配。在閥前、后產(chǎn)生高于14 MPa 的壓降，造成閥芯內(nèi)部流體不斷產(chǎn)生汽蝕，汽泡在潰滅時產(chǎn)生高壓射流沖擊作用，在調(diào)節(jié)閥后產(chǎn)生“水錘”現(xiàn)象壓力波，導(dǎo)致管道振動（吊架脫落等），異常的“嘯叫”異音噪聲。

綜合分析后采取如下優(yōu)化措施：①修改電站運行細(xì)則，同步均衡調(diào)整3 個環(huán)路SG 的流量，使每個環(huán)路達到33 m3/h 時，壓差降低至約10 MPa，避開振蕩區(qū)間；②選用新型的∑F 側(cè)裝式氣動執(zhí)行機構(gòu)，提高作用和剛性，提高抵抗振蕩的能力；③調(diào)整氣路控制系統(tǒng)，增加放大器，增大管線直徑，增大進氣量，TFA 調(diào)節(jié)閥優(yōu)化改造如圖4 所示。改造后，調(diào)節(jié)性能可以滿足電站運行要求，未出現(xiàn)振蕩情況，但是仍然無法滿足單獨向蒸發(fā)器充水的工況。

圖4 TFA 調(diào)節(jié)閥優(yōu)化改造

3 結(jié)束語

經(jīng)實踐，氣路控制系統(tǒng)漏氣、靈敏性及機械摩擦的缺陷情況，往往導(dǎo)致小幅度的輕微振蕩，無異常噪聲和壓力波現(xiàn)象；閥門內(nèi)部汽蝕導(dǎo)致的振蕩現(xiàn)象，往往呈現(xiàn)大幅度、大開度的特征，伴隨著明顯的壓力和流量波動、異常噪聲等現(xiàn)象。針對該調(diào)節(jié)閥振蕩問題，采用系統(tǒng)思維和理論計算交叉驗證的方法，研究調(diào)節(jié)閥振蕩的根本原因和機理分析，建立振蕩缺陷的故障樹分析模型，為相似缺陷處理借鑒；通過對此類型振蕩缺陷的研究，發(fā)現(xiàn)TFA 調(diào)節(jié)閥選型與系統(tǒng)匹配性問題，提出優(yōu)化方向，警示設(shè)計者應(yīng)從系統(tǒng)的角度提出設(shè)計需求，為“華龍”機組國產(chǎn)科研閥門設(shè)備品質(zhì)提升提供試驗數(shù)據(jù)和方向。