田灣核電站反應(yīng)堆廠房軸流風(fēng)機(jī)失速預(yù)防措施

劉春龍,裴俊敏

(江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222042)

軸流風(fēng)機(jī)因?yàn)榫哂辛髁看蟆Ⅲw積小、易于布置的特點(diǎn),在田灣核電站反應(yīng)堆廠房得到了廣泛應(yīng)用。

軸流風(fēng)機(jī)葉片通常是機(jī)翼型,按照軸流風(fēng)機(jī)理論,在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和葉片安裝角度一定時(shí),風(fēng)機(jī)的風(fēng)量隨管網(wǎng)阻力的增大而減小,氣流與葉片形成的沖角則相應(yīng)增大。當(dāng)沖角增大至某一臨界值時(shí)(臨界值隨葉型不同而異),這時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓也達(dá)到風(fēng)壓曲線的頂點(diǎn)。沖角再繼續(xù)增大,風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓將迅速下降,這是由于葉片背部氣流發(fā)生附面層分離并在葉背尾端形成渦流區(qū),即失速工況,風(fēng)壓頂點(diǎn)也稱為失速工況起始點(diǎn)。

由于制造誤差,風(fēng)機(jī)各葉片的葉型、安裝角度不可能完全一致,葉片前的氣流也有可能不均勻,所以軸流風(fēng)機(jī)葉片附面層的分離總是從某個(gè)或某幾個(gè)葉片開始形成,并使其相鄰葉片的氣流發(fā)生方向相反的偏轉(zhuǎn),使失速區(qū)不是固定于某個(gè)或某幾個(gè)葉片上,而是相對于旋轉(zhuǎn)的葉輪作反向旋轉(zhuǎn),這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)失速。失速區(qū)域的數(shù)目與其傳播速度的乘積就是流經(jīng)每個(gè)葉片的旋轉(zhuǎn)失速頻率,如果這個(gè)頻率接近于葉片的自振頻率,將會產(chǎn)生共振,造成葉片的嚴(yán)重機(jī)械損壞。

目前對軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速的研究多集中于火電站鍋爐配套大型通風(fēng)機(jī),對小型軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速的研究由于受產(chǎn)品投資規(guī)模等因素的影響而受到一定限制。但因核電站核級風(fēng)機(jī)的重要性,研究其旋轉(zhuǎn)失速預(yù)防措施越來越得到重視。

1 田灣核電站反應(yīng)堆廠房軸流風(fēng)機(jī)預(yù)防失速的必要性

根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)分類,在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下壓力小于500 Pa為低壓軸流風(fēng)機(jī),壓力大于等于500 Pa為高壓軸流風(fēng)機(jī)。

國內(nèi)其他類型核電站反應(yīng)堆廠房冷卻系統(tǒng)使用溫度為13℃的冷凍水作為冷源,而田灣核電站VVER-1000型反應(yīng)堆廠房冷卻系統(tǒng)使用的冷源是設(shè)計(jì)溫度為33℃的重要用戶設(shè)備冷卻水。為保證冷卻系統(tǒng)送風(fēng)溫度不高于40℃,回風(fēng)溫度不高于60℃,要求使用的軸流風(fēng)機(jī)必須是大流量的高壓軸流風(fēng)機(jī)。田灣核電站反應(yīng)堆廠房冷卻系統(tǒng)共使用了9臺軸流風(fēng)機(jī),其中最大的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)為流量80 000m3/h、壓力2 300 Pa,最小的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)也達(dá)到流量20 500m3/h、壓力1 400 Pa,都是高壓軸流風(fēng)機(jī)。

圖1所示為高壓軸流風(fēng)機(jī)典型壓力-流量特性曲線,由設(shè)計(jì)點(diǎn)D減小流量到失速工況起始點(diǎn)C附近,隨著局部失速渦流區(qū)的出現(xiàn)和失速區(qū)域的擴(kuò)大,壓力-流量特性曲線的曲率隨之變平緩,工況到達(dá)點(diǎn)B后突躍到點(diǎn)B′,再減小流量則逐漸到達(dá)全閉點(diǎn)A。另外,由全閉點(diǎn)增加流量到點(diǎn)B′,工況并不到達(dá)點(diǎn)B而是前行到C′再突躍到點(diǎn)C,高壓軸流風(fēng)機(jī)的這種特性稱為失速機(jī)理二重特性。如果系統(tǒng)具有足夠大的容積,與風(fēng)機(jī)組成一個(gè)彈性的空氣動力系統(tǒng),風(fēng)機(jī)在這種工況下運(yùn)行將可能出現(xiàn)喘振,流量急劇波動,其氣流產(chǎn)生的撞擊使風(fēng)機(jī)和管網(wǎng)發(fā)生強(qiáng)烈的振動、噪聲,甚至導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞,而失速正是喘振發(fā)生的根本誘因。風(fēng)機(jī)特性決定,軸流風(fēng)機(jī)比離心風(fēng)機(jī)容易發(fā)生喘振,高壓風(fēng)機(jī)比低壓風(fēng)機(jī)容易發(fā)生喘振[1]。

圖1 高壓軸流風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.1 Performance curve o f high p ressure axial fan

反應(yīng)堆廠房風(fēng)機(jī)故障將導(dǎo)致機(jī)組停堆,由于工作空間狹小、輻射風(fēng)險(xiǎn)高,導(dǎo)致維修難度大、工期長。因此,采取措施預(yù)防風(fēng)機(jī)失速,保證風(fēng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行是必要的。

2 反應(yīng)堆廠房軸流風(fēng)機(jī)防失速措施

2.1 防止管網(wǎng)阻力超過設(shè)計(jì)值

根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)失速理論,風(fēng)機(jī)不在失速區(qū)域運(yùn)行的根本措施是保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)管網(wǎng)阻力不超過設(shè)計(jì)值,防止風(fēng)機(jī)在小流量工況運(yùn)行。田灣核電站反應(yīng)堆廠房軸流風(fēng)機(jī)具體采取如下措施。

2.1.1 采用聯(lián)鎖保護(hù)防止風(fēng)機(jī)入口閥誤關(guān)閉

軸流風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)入口閥誤關(guān)閉是可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)入失速區(qū)域運(yùn)行的最惡劣的工況。為防止閥門誤關(guān)閉事件發(fā)生,反應(yīng)堆廠房軸流風(fēng)機(jī)在自動控制上采用了聯(lián)鎖保護(hù)措施：風(fēng)機(jī)入口閥反饋信號為“開啟”時(shí)風(fēng)機(jī)才允許啟動,風(fēng)機(jī)反饋信號為“停運(yùn)”時(shí)入口閥才允許關(guān)閉。

2.1.2 調(diào)試期間驗(yàn)證風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)

軸流風(fēng)機(jī)單體調(diào)試合格后,通過調(diào)節(jié)流量孔板、流量平衡閥等系統(tǒng)調(diào)試措施調(diào)節(jié)管網(wǎng)阻力,或?qū)芫W(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造,使系統(tǒng)實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量的正負(fù)偏差小于10%,風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行壓力與額定壓力正負(fù)偏差小于5%,以確定風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)在性能曲線中的位置,保證風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定區(qū)域工作。

對于并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)還要進(jìn)行并車試驗(yàn)(包括運(yùn)行中可能遇到的各種并車工況),驗(yàn)證所有并車工況都不會出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象,風(fēng)機(jī)的實(shí)際流量、壓力偏差不超過設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 防止管網(wǎng)系統(tǒng)堵塞

隨著通風(fēng)系統(tǒng)的長期運(yùn)行,管網(wǎng)進(jìn)風(fēng)口網(wǎng)篩和空氣冷卻器等部位可能發(fā)生堵塞。管網(wǎng)進(jìn)風(fēng)口網(wǎng)篩可以阻擋尺寸較大的異物進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng),同時(shí)它也很容易被異物堵塞?？諝饫鋮s器由于換熱器翅片細(xì)密,隨著長時(shí)間運(yùn)行灰塵的累積,也容易發(fā)生堵塞。按照軸流風(fēng)機(jī)維修大綱,在大修時(shí)要對管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行檢查,清除異物。對空氣冷卻器,要用壓縮空氣或水清洗換熱器翅片。

2.2 風(fēng)機(jī)機(jī)殼安裝氣流分離器

減小軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速區(qū)域,減弱流量-壓力曲線上的波谷,一直是改善軸流風(fēng)機(jī)特性,保證軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性的努力方向。改善軸流風(fēng)機(jī)特性包括關(guān)鍵部件葉柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)、葉型分離控制和以改善風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動狀態(tài)為目的的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等,而葉柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和葉型分離控制受精確的測量手段、葉片成型工藝和制造水平以及相當(dāng)長的試驗(yàn)周期的限制,限制了在通風(fēng)機(jī)制造工程中的應(yīng)用。

田灣核電站反應(yīng)堆廠房軸流風(fēng)機(jī)使用了氣流分離器來改善風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動狀態(tài),它的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行,在不大幅增加軸流風(fēng)機(jī)尺寸、不降低風(fēng)機(jī)性能的前提下,大大縮小了風(fēng)機(jī)的失速區(qū)域,拓寬了風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。

2.2.1 氣流分離器的結(jié)構(gòu)

軸流風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行時(shí),壓力和流量瞬間變化,量值驟變,軸流風(fēng)機(jī)工作噪聲異常、劇烈震動,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致葉片斷裂、風(fēng)機(jī)損壞。其主要原因是軸流風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行時(shí),氣流進(jìn)入葉片流道前發(fā)生畸變,產(chǎn)生旋渦和逆流,隨著旋渦和逆流區(qū)域的擴(kuò)大,造成軸流風(fēng)機(jī)不能正常工作。為了減小軸流風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定區(qū)域,在風(fēng)機(jī)葉片前增加一種裝置(稱氣流分離器或穩(wěn)流器),該裝置由分離器殼體、分流導(dǎo)葉、分流環(huán)組成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣流分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of flow separators

其中分流導(dǎo)葉為若干圓弧形等厚葉片,以軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)筒圓心為圓心按圓周分布排列。分流環(huán)是與風(fēng)筒同心的圓環(huán)。

2.2.2 氣流分離器的工作原理

當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)葉片表面發(fā)生附面層分離阻塞流道時(shí),葉片頂部形成的旋渦在離心力和壓力差的作用下,進(jìn)入由氣流分離器殼體、分流導(dǎo)葉和分流環(huán)組成的通道,經(jīng)過分流導(dǎo)葉的整流、消除旋轉(zhuǎn),再無干擾地返回到葉輪前的主氣流中。這一方面增加了葉片的進(jìn)風(fēng)量,另一方面隔離并抽吸畸變風(fēng)流,旋渦的能量衰減,不會使進(jìn)入葉片的畸變氣流產(chǎn)生旋渦和逆流,消除或減弱旋渦及逆流區(qū),從而使風(fēng)機(jī)特性曲線的不穩(wěn)定區(qū)得到改善,達(dá)到縮小軸流風(fēng)機(jī)失速區(qū)域的目的。

2.2.3 氣流分離器的效果評價(jià)

蒸汽發(fā)生器隔間冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)是田灣核電站最大的軸流風(fēng)機(jī),該風(fēng)機(jī)安裝氣流分離器后,風(fēng)機(jī)性能曲線得到極大改善,風(fēng)機(jī)失速區(qū)域大大減小,見圖3。

失速裕度是衡量風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)失速安全性的重要參數(shù),在葉片安裝角度、葉輪轉(zhuǎn)速固定時(shí),可用設(shè)計(jì)工作點(diǎn)到失速工況起始點(diǎn)的失速裕度K表示[2]。其計(jì)算式為：

圖3 蒸汽發(fā)生器隔間冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)安裝氣流分離器前后性能曲線Fig.3 Performance curve of steam generator chamber cooling system fans before and after installation o f flow separators

式中：Q、P分別為設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的流量和壓力;QK、PK分別為失速工況起始點(diǎn)的流量和壓力。

根據(jù)上式計(jì)算蒸汽發(fā)生器隔間冷卻系統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)安裝氣流分離器前后風(fēng)機(jī)失速裕度分別為1.36和3.59。

對于核電站通風(fēng)用軸流風(fēng)機(jī)失速裕度,國內(nèi)和國際的核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都沒有提出要求。對于電站鍋爐通風(fēng)機(jī),國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電站鍋爐風(fēng)機(jī)選型和使用導(dǎo)則》提出軸流式風(fēng)機(jī)“在選型設(shè)計(jì)時(shí),宜選取K＞1.3”[3];《電站風(fēng)機(jī)改造與可靠性分析》一書提出“建議選取K＞1.4”[4]。

通過上述對比可知,蒸汽發(fā)生器隔間冷卻系統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)安裝氣流分離器后,失速裕度得到很大提高并可以認(rèn)為足夠可靠。

3 結(jié)語

反應(yīng)堆廠房軸流風(fēng)機(jī)因其停機(jī)可能造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失、故障檢修的巨大難度,應(yīng)引起足夠重視。軸流風(fēng)機(jī)由于其失速區(qū)域大,在管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)選型,以及風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行維護(hù)時(shí),都要采取措施避免風(fēng)機(jī)在失速工況運(yùn)行。相對于1994年頒布的標(biāo)準(zhǔn),2006年升版的核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《核級通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)通則》中新提出了“高壓軸流風(fēng)機(jī)宜設(shè)計(jì)有防失速裝置或失速報(bào)警裝置”[5],可見核級高壓軸流風(fēng)機(jī)失速問題已得到了更高的重視。田灣核電站反應(yīng)堆廠房軸流風(fēng)機(jī)自商業(yè)運(yùn)行以來,從未出現(xiàn)因軸流風(fēng)機(jī)失速導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)或系統(tǒng)損壞,說明采取的失速預(yù)防措施是有效的。

[1] 魏兵海.風(fēng)機(jī)失速喘振特性及其預(yù)防措施[J].流體機(jī)械,2001,29(6)：29.

[2] 劉家鈺.電站風(fēng)機(jī)改造與可靠性分析[M].北京：中國電力出版社,2001：100.

[3] DL/T 468—2004 電站鍋爐風(fēng)機(jī)選型和使用導(dǎo)則[S].

[4] 劉家鈺.電站風(fēng)機(jī)改造與可靠性分析[M].北京：中國電力出版社,2001：100.

[5] EJ/T 886—2006 核級通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)通則[S].