反應堆硼和水補給系統補水流量偏低問題分析與治理

王銘昌，李 楠，郭帥飛

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

反應堆硼和水補給系統(reactor make up system，REA)是為化容系統貯存并供給其容積控制、化學控制和反應性控制所需的各種流體的統。某核電廠REA系統補水回路由2臺并聯水泵、2個除鹽除氧水貯存箱和1個化學藥品混合罐組成。正常運行時，1臺水泵即可滿足系統要求，另1臺水泵處于手動控制備用狀態。REA系統補水流量通過調節閥REA016VD調節，運行操作導則要求的流量范圍：單泵運行時，一回路硼質量比大于500 mg/kg時，補水流量應為(20.0±10 %) m3/h；一回路硼質量比小于500 mg/kg時，補水流量應為(25.2±10 %) m3/h。雙泵運行時，補水流量應小于31.0 m3/h。

1 問題概況

2018年，將該核電廠1號機組REA系統補水流量設為22.0 m3/h時，REA016VD全開，系統流量計REA010MD最大值為20.59 m3/h，無法達到設定值。大修期間，將系統管道內REA003DI孔板孔徑由19.8 mm擴大到23.0 mm。擴孔后，2020年，REA016VD全開條件下，設定流量為22 m3/h，實際流量只有20.9 m3/h，還是出現補水流量偏低問題。梳理該核電廠歷史運行信息，4臺機組中只有1號機組存在REA系統補水流量偏低的問題。

2 原因分析

2.1 泵性能分析

2.1.1 泵參數對比

該電廠1～4號機組REA001/002PO泵均為國內某廠家生產的EHG65-40-315離心泵，各泵具體參數見表1。

表1 REA001/002PO運行參數對比

由表1可知，1、3號機組REA001PO/002PO在額定流量31.3 m3/h時，補水泵出力(額定揚程)：1REA001PO＞3REA002PO＞1REA002PO＞3REA001PO；流量為20 m3/h時，補水泵出力(揚程)：1REA001PO＞3REA001PO＞3REA002PO＞1REA002PO。同樣，對2、4號機組相同位置泵進行了比較。通過對比可知，1REA001PO/002PO與其他機組泵相比出力不是最差的，而其他機組均未出現補水流量偏低問題。

2.1.2 現場試驗分析

通過超聲流量計對1REA001PO/002PO出口流量進行測量，測量結果如表2所示。

表2 1REA001PO/002PO泵現場測量結果

結合泵性能設計曲線，1REA001PO/002PO現場測量結果均在泵性能要求范圍內，滿足設計要求。綜上分析，1REA001PO/002PO出力異常導致REA補水流量偏低的可能性低。

2.2 管道內漏分析

在1REA001PO/002PO下游補水回路及支路布置超聲流量計，超聲流量計現場布置如圖1所示。

圖1 超聲流量計現場布置

現場分別對1REA001PO/002PO單泵運行在設定流量為22.0 m3/h時，管路各位置流量測量結果如表3所示。對比泵出口至1REA010MD位置各測點測量結果，管路上各測點流量基本一致，未見1REA系統的補水回路內漏。管道內漏及1REA010MD儀表故障導致1REA系統補水流量偏低的可能性低。

表3 1REA001PO/002PO單泵運行現場流量測量結果

2.3 閥門解體檢查

REA系統注入下游系統的給水流量是通過REA016VD開度控制。REA016VD為氣動調節閥，其開度由FISHER 3582閥門定位器調節，大修期間對REA016VD進行解體檢查，未發現異常。2020年，現場對REA016VD進行行程測量：閥門限位桿與閥位指示無干涉，閥門隔膜及供氣管線無泄漏，閥門實際開度與儀控指示一致，閥門動作靈活無卡澀。在流量不滿足設定要求時，運行人員現場確認該閥門開度為100 %。因此，REA016VD閥門故障導致1REA自動補水流量低的可能性低。

2.4 管道流阻分析

2.4.1 補水管線差異分析

對比1～4號機組REA系統水回路補水管線布置及管線長度和彎頭個數，1REA001PO/002PO與相同布置的3REA001PO/002PO相比，彎頭個數相同、直管段長度基本相同。

2.4.2 管線壓力差異分析

對比1～4號機組REA系統補水回路上游水箱水位及下游管線壓力。各機組REA系統的補水時上游水箱水位及下游管線壓力未見明顯差異。

2.4.3 止回閥流阻分析

REA系統中，補水和補硼回路分別安裝有小口徑升降式止回閥，防止介質倒流。止回閥由閥體、閥蓋和閥瓣組成，閥瓣以閥體中腔孔作為導向，沿著中心線上下滑動。當介質順流時，閥瓣靠介質推力開啟；當介質反向流動時，由介質壓力和閥瓣的自重使閥瓣作用于閥座上，阻止介質出現逆流現場。

對比各電廠REA系統管線止回閥結構，各電廠REA系統升降式止回閥存在差異。中廣核集團各電廠中REA系統升降式止回閥主要分為閥蓋導向結構的升降式止回閥和閥體導向結構的升降式止回閥2類。該集團內某電廠因REA補硼流量不滿足系統要求，將閥體導向結構升降式止回閥改造為閥蓋導向結構的升降式止回閥后，REA最大硼化流量從約13.0 m3/h提高到14.5 m3/h，驗證自動補給操作時相關流量可達到設定值。

該電廠各機組現場補水回路管線REA017VD/019VB閥門為DN50-Class 1500型止回閥。查詢現場解體檢查工單及設備圖紙可知，2號機組REA017VD/019VB為閥蓋導向結構。1號機組REA017VD/019VB的文檔系統圖紙已修改為閥蓋導向結構，現場實際為閥體導向結構。圖紙信息顯示，改進后的閥蓋導向結構閥門有較大的中腔，通道直徑由38 mm增大為47 mm。閥蓋導向可使閥門內腔室有較大空間，閥門開啟后上升水流份額增加，水平水流份額減少，水平水流會產生文丘里效應把閥瓣往下吸，上升水流則把閥瓣往上托，如此便可減小由于文丘里效應產生的流道阻力[2]。

根據文獻[3]分析，DN50-Class 1500型閥體導向結構止回閥存在閥瓣深入閥蓋尺寸偏小，易導致閥瓣運動出現卡塞的問題。同時，閥瓣導向直徑D=60 mm，導向長度L=47 mm，當量長度L/D=0.78，與一般經驗值當量長度L/D=1.2也相差較大，存在設計不合理的問題。按流量試驗標準JB/T 5296—1991《通用閥門 流量系數和流阻系數的試驗方法》的要求，對該閥門進行流量系數Cv試驗。結果表明DN50-Class 1500型閥體導向結構止回閥的流量系數Cv不滿足REA系統設計要求。針對閥體導向止回閥存在的問題，改進型止回閥以閥蓋作為導向面，使閥門當量長度L/D在1.2～15.0之間。DN50-Class 1500型止回閥改進前閥體導向結構閥門和改進后閥蓋導向結構閥門流量系數試驗結果如表4所示。結果表明，改進后的閥門流量系數滿足REA系統設計要求。

表4 DN50-Class 1500型閥體導向結構止回閥流量系數試驗數據

閥體導向結構與閥蓋導向結構的止回閥流場分析分別如圖2和圖3所示。閥蓋導向結構的止回閥內部流場分布較為均勻穩定；而閥體導向結構的止回閥內部有較大范圍的紊流，易導致較大壓力損失。

圖2 閥體導向結構逆止閥流場分析

圖3 閥蓋導向結構逆止閥流場分析

綜上分析，1REA系統現場使用的DN50-Class 1500閥體導向結構止回閥，因設計結構不合理，閥體中腔導向長度不足及閥體、閥瓣和閥蓋配合間隙不合理，導致閥門Cv值偏低，進而使補水回路流阻過大，補水流量不能滿足系統要求。

3 仿真驗證分析

針對閥體導向結構的止回閥Cv值偏低可能導致REA自動補水流量偏低的問題，根據1REA系統流程圖、管道等軸圖，使用一維流體計算軟件建立仿真計算模型進行分析。在1REA016VD調節閥100 %全開情況下，對REA補水回路擴孔前后和1REA017VD/019VB改造前后系統流量進行計算分析。

仿真計算結果如表5所示，結果表明1REA017VD/REA019VB閥門的Cv值嚴重影響REA系統流量，原閥體導向結構止回閥Cv值較小，導致流量不能滿足系統要求。仿真分析表明，改造升級后的閥蓋導向結構1REA017VD/019VB可滿足系統流量需求。

表5 1REA補水回路仿真分析結果

4 治理效果

現場后續根據大修窗口安排，將對該電廠1REA017VD/019VB進行更換。根據分析結果反饋，同樣存在該問題的某電廠率先在大修中對1號機組1REA017VD/019VB更換為閥蓋導向結構逆止閥。為防止流量超過系統要求，同時將23 mm的1REA003DI孔板孔徑更換為20 mm孔板。更換后的閥門流道孔徑為47 mm，Cv值為39.2。

更換前后在REA016VD調節閥100 %全開的情況下，該電廠1REA系統補水流量如表6所示。由表6數據可知，閥門更換后單雙泵運行均能滿足系統的流量要求。

5 結論

綜合分析，由于1REA系統補水回路中1REA017/019VB閥體導向結構的升降式止回閥結構設計不合理，閥體中腔導向長度不足及閥體、閥瓣和閥蓋配合間隙不合理，閥門Cv值偏低，REA系統補水回路阻力大，導致補水流量不滿足設計要求。對存在該問題的同類型機組相應閥門進行了更換，以滿足系統運行要求。