蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)的流量脈動

程 檀

（核動力運行研究所，湖北武漢 430223）

0 引言

核電站蒸汽發(fā)生器（SG）在正常運行過程中，由于各種原因，會在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板上產(chǎn)生泥渣沉積。泥渣沉積對SG 傳熱管危害較大，必須采用合適手段進行清除。作為蒸汽發(fā)生器二次側(cè)維護的周期性措施，管板泥渣侵襲（S/L）在國內(nèi)外壓水堆核電站中越來越普遍地得到應(yīng)用。國內(nèi)外運行經(jīng)驗表明，定期去除管板上表面的腐蝕產(chǎn)物沉積物，可以減緩傳熱管腐蝕和破裂的趨勢。

SG 二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)利用三柱塞高壓泵產(chǎn)生高壓水，經(jīng)過一定管路到達噴嘴，再把高壓力、低流速的水轉(zhuǎn)換為低壓力、高流速的水射流，利用其很高的沖擊動能作用于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)泥渣堆積區(qū)域，使得沉積物破碎、脫落，最終實現(xiàn)清洗目的。

三柱塞高壓泵因其固有特點，工作過程會產(chǎn)生流量脈動，流量脈動必然引起系統(tǒng)壓力脈動，直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至?xí)铀俑邏汗芫€的振動磨損。

1 蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)概述

SG 二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)利用高壓水射流，將管束內(nèi)的沉積物打碎并沖至外環(huán)廊，通過環(huán)流驅(qū)趕到抽吸系統(tǒng)的吸入口，將其吸出，以達到去除蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板上沉積物的目的。典型的SG 二次側(cè)管板泥渣清洗系統(tǒng)如圖1 所示。成套的SG 二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)主要由以下基本模塊組成。

（1）水箱模塊。用于儲存沖洗用水，使沖洗用水能循環(huán)使用；

（2）高壓泵模塊。通過三柱塞高壓泵將水箱內(nèi)的水加壓后通過高壓軟管送往槍體模塊；

（3）槍體模塊。沖洗工作的具體執(zhí)行機構(gòu)，安裝在手孔或眼孔上；

（4）抽吸模塊。將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板上的泥水混合物抽出，送往過濾模塊；

（5）過濾模塊。將泥水混合物進行過濾，過濾后的水流回到水箱。

根據(jù)槍體模塊的結(jié)構(gòu)和功能不同，主要分為剛性清洗槍（管廊式清洗）和柔性清洗槍（管間式清洗）。

（1）剛性清洗槍的頭部一般設(shè)有多排噴嘴，通過槍體的步進運動，使噴嘴到達需要清洗的指定傳熱管管間；通過槍體的旋轉(zhuǎn)運動，使噴嘴噴射出的清潔水同時清洗多排管間區(qū)域。剛性清洗技術(shù)的特點是清洗效率高，對于松散沉積物清洗效果好。剛性清洗水壓力一般為14～20 MPa。

（2）柔性清洗槍的噴嘴可通過柔性載體深入管束，使噴嘴更接近指定清洗區(qū)域。柔性清洗技術(shù)對硬性沉積物清洗效果明顯，但清洗效率較低。柔性清洗水壓力一般不低于30 MPa。

SG 二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)槍體模塊需針對不同類型的SG以及不同的清洗需求進行選擇，一般情況下不具備通用性。其他模塊在滿足相應(yīng)沖洗壓力、流量要求的前提下，可以適配不同的槍體模塊，具備較高通用性。

SG 二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)根據(jù)高壓泵模塊的不同布局，目前主要分為兩類，一種是采用大流量高壓泵的單泵布局形式，如圖1 所示；另一種是采用小流量高壓泵的5 泵并聯(lián)布局形式，如圖2 所示。

圖1 SG 二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)

圖2 5 泵并聯(lián)水力清洗系統(tǒng)

2 三柱塞高壓泵的工作原理與流量脈動

2.1 三柱塞高壓泵的工作原理

三柱塞高壓泵通過大功率電機帶動泵的動力端，也就是曲軸箱。曲軸箱內(nèi)有一個等角度均布的三拐曲軸，曲軸拐部隨著曲軸的轉(zhuǎn)動會帶動三組連桿，驅(qū)動柱塞在柱塞腔內(nèi)做往復(fù)直線運動。柱塞與柱塞腔通過填料盒密封，使得泵的液力端，也就是柱塞腔內(nèi)交替形成局部負(fù)壓或高壓。通過三組進水、出水單項閥的交替開啟和關(guān)閉，完成液力端的進水和出水過程。三柱塞高壓泵的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2.2 三柱塞高壓泵的流量特性

三柱塞高壓泵單個柱塞進水、排水的過程如圖4所示。

對三柱塞高壓泵單個柱塞腔進行分析，柱塞瞬時速度u 由式（1）表示，u 為正值表示柱塞腔處于出水過程，u為負(fù)值表示柱塞腔處于進水過程。

圖3 三柱塞高壓泵示意圖

圖4 柱塞泵進水、出水示意圖

式中 x——柱塞運動位移，mm

φ——曲柄轉(zhuǎn)角，逆時針為正，x=0 時，φ=0

r——曲柄半徑，mm

ω——曲柄角速度

λ——連桿比，曲柄半徑r 與連桿長度L 的比值

由于一般情況下，連桿長度L 比曲柄半徑r 大很多，λ值很小，因此可以近似認(rèn)為，故式（1）可以簡化為：

式中 A——柱塞腔截面積，mm2

對于三柱塞高壓泵，曲柄周向均布，相互之間的相位偏角相差2π/3，且在曲柄轉(zhuǎn)角處于出水相位偏角時才會排出流量。因此，3 個柱塞腔的瞬時排出流量可表示為：

第一柱塞腔瞬時排出流量q11：

第二柱塞腔瞬時排出流量q12：

三柱塞高壓泵的綜合瞬時排出流量通過式（4）～（6）疊加后獲得，可見泵的瞬時排出流量呈正弦函數(shù)的周期性分布趨勢。

三柱塞高壓泵由于受曲柄連桿機構(gòu)自身限制，3 個柱塞腔之間的流量無法提供互補，實現(xiàn)“恒流”，因此，三柱塞高壓泵的排出流量存在固有脈動性。

2.3 單泵水射流系統(tǒng)的流量脈動

對于單臺三柱塞高壓泵單獨使用的情況，考慮到實際情況中λ 值不大于1/4，因此，式（4）～（6）可進一步簡化為：

由式（4）～（6）可以看出，曲柄轉(zhuǎn)角φ 在（0～2π/3）、（2π/3～4π/3）、（4π/3～2π）的區(qū)間內(nèi)，q11、q12、q13各自具有相同的波形，在這3 個區(qū)間內(nèi)的波形分別對于φ=π/3、π、5π/3 是對稱的。在不考慮進水、排水單向閥滯后角的情況下，可以得到疊加后的瞬時流量曲線，如圖5 所示。相應(yīng)的流量脈動周期為2π/3。

圖5 三柱塞高壓泵的瞬時流量

2.4 多泵并聯(lián)水射流系統(tǒng)的流量脈動

對于多套三柱塞高壓泵并聯(lián)使用的情況，假設(shè)第一臺高壓泵的排出流量q11、q12、q13符合式（7）～（9），與其并聯(lián)的三柱塞高壓泵的曲柄轉(zhuǎn)角相對于第一臺泵都存在相位偏角。

設(shè)并聯(lián)后的第n 臺三柱塞高壓泵的曲柄轉(zhuǎn)角相對于第一臺泵存在的逆時針方向的相位偏角φn，它的綜合瞬時排出流量可表示為：

多套三柱塞高壓泵并聯(lián)使用時，系統(tǒng)的瞬時排出流量由各柱塞泵的瞬時排出流量疊加形成。

對疊加后的瞬時流量進行分析可知，單臺三柱塞高壓泵的瞬時排出流量存在固有的流量脈動頻率。但多套三柱塞高壓泵并聯(lián)使用時，柱塞泵之間存在最佳的相位偏角，使得每臺柱塞泵的流量峰值交錯疊加，降低系統(tǒng)流量峰值，彌補系統(tǒng)流量低值，從而降低系統(tǒng)的流量脈動率。

由于單臺三柱塞高壓泵流量曲線呈周期性，0～π/3 相位角范圍是流量曲線中最小的區(qū)間范圍。因此，當(dāng)n 臺三柱塞高壓泵并聯(lián)使用時，泵之間的最佳相位偏角為π/3n。

3 結(jié)論和展望

在忽略三柱塞高壓泵連桿比以及進水、排水單向閥滯后角的影響下，對于單泵布局形式的SG 二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)，其流量脈動往復(fù)周期為2π/3；對于5 泵布局形式的SG 二次側(cè)水力清洗系統(tǒng)，當(dāng)泵之間相位偏角為π/15 時，可以使泵的流量峰值交錯疊加，降低水力清洗系統(tǒng)的流量脈動率。

使用多泵并聯(lián)的布局形式，可以有效提升SG 二次側(cè)水射流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低壓力脈沖對系統(tǒng)管線以及前端清洗槍體模塊的振動影響。其具體效果有待后續(xù)進行進一步試驗等技術(shù)研究，以滿足實際工作需要。