ASG汽動泵調節(jié)與超速試驗

華 雪

（中核核電運行管理有限公司 運行三處，浙江 海鹽 314300）

0 汽動泵概述

ASG汽動泵為臥式兩級離心式結構，由汽輪機來驅動，汽輪機包含在一與泵殼成整體的汽缸中。汽輪機葉輪具有單排葉片，泵葉輪、汽輪機葉輪和導葉都裝在公共軸上，該軸由兩只水潤滑的徑向軸承來支承。軸承裝在汽缸和泵殼之間的中央水室中，并由取自第一級葉輪出口供應的水來潤滑，該水通過自動清理的過濾器引入軸承。泵由泵殼和中央水室上形成的腳支承在鋼制成的底板的支座上，而泵的整體結構消除了需要在泵和汽輪機之間的找準中心。泵的運行轉速由汽輪機控制裝置來控制，它調節(jié)到汽輪機的蒸汽量。控制裝置的主要元件為蒸汽主汽門，調節(jié)閥和壓力調節(jié)器。泵也裝有電氣和機械超速脫扣機構，當轉速達到預定的水平時，它能關閉蒸汽主汽門。

1 ASG汽動泵的功能

ASG系統(tǒng)能在任一正常給水系統(tǒng)（CVI、CEX、ABP、ARE、APA）發(fā)生事故時，ASG系統(tǒng)立即投入運行，通過由輔助給水系統(tǒng)供水的蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，導出堆芯余熱，直到反應堆冷卻劑系統(tǒng)達到余熱排出系統(tǒng)（RRA）可投入的狀態(tài)。每臺蒸汽發(fā)生器配置一臺電動泵和一臺汽動泵，每臺泵都能以100%的能力向蒸汽發(fā)生器供水。相對于電動泵而言ASG汽動泵能在核電廠全廠失電的情況下仍能向ARE蒸汽發(fā)生器正常供水，用于一回路降溫冷卻，而且汽動泵設計成能在與ASG系統(tǒng)正常使用相對應的蒸汽壓力范圍內運行，即8.6MPa～0.70MPa的蒸汽壓力。在最壞情況下泵仍能以1.47MPa的吐出壓力供應流量35m3/h，直到RRA系統(tǒng)投入運行。

圖1 ASG汽動泵機構原路圖Fig.1 Original road diagram of ASG steam pump mechanism

圖2 機械超速原理圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical overspeed

2 汽動泵超速機構原理

2.1 ASG汽動泵主汽門

ASG主汽門也稱手動截止閥，它也裝有調節(jié)閥組件，它焊接在焊嘴室上形成汽輪機蓋的一部分，閥門的伸出部分帶有一活塞。在正常運行中，活塞的閥側受到引入汽輪機噴嘴室的蒸汽全壓力，而活塞的下側接受相同的蒸汽壓力，這是通過主汽門內的一個鉆孔以及旋入閥延伸桿端部并由活塞防松螺母固定的一塊孔板控制泄漏的。但因主汽門的出口側處于排汽壓力，有一個凈力作用在閥門上使閥門開啟，于是蒸汽將進入汽輪機使其開始轉動。當超速脫扣動作時，錐形閥開啟活塞下側的蒸汽壓力得到突然釋放，由于活塞面積大于閥座面積，其面積差使主汽門活塞上側的壓力使活塞朝該方向移動，于是將主汽門關閉。脫扣后錐形閥將一直保持開啟，當脫扣裝置復位后，錐形閥關閉蒸汽壓力將再次在活塞下積聚，汽輪機將重新啟動。

主汽門有個手輪，現(xiàn)場保持鎖開，當手輪關閉時可將截止閥強制關閉；當手輪在開啟時，手動截止閥活塞的上側受引入汽輪機噴汽室的蒸汽全壓力，而活塞下部接受來自閥門內的一個鉆孔的蒸汽，正常時上下壓力一樣，保持壓力平衡。

2.2 汽動泵的電氣超速原理

電子脫扣的動作通常用來自電子測速器的信號自動進行，它開啟一電磁閥，該閥連接在來自主汽門到錐形閥的蒸汽管以及錐形閥出口到蒸汽排汽之間。當電子脫扣觸發(fā)時，電磁閥打開，從而讓主汽門下部活塞的蒸汽壓力釋放關閉主汽門，使汽動泵安全停運。在就地控制盤上和主控室內都提供操作員控制下的手動按鈕，也提供復位按鈕。

在試驗機械脫扣時，在就地控制盤上提供一按鈕，當按下時，它超越電子脫扣使泵達到機械脫扣轉速；當釋放按鈕時，電子脫扣重新得到觸發(fā)。萬一機械脫扣未能動作，松開超越按鈕自動將泵脫扣，因為轉速是在電子脫扣的預設定水平之上。

2.3 汽動泵的機械超速原理

如圖2所示機械超速是獨立電氣超速來動作，機械超速是偏心的飛錘裝在汽動泵的軸上，當汽動泵轉速到達機械超速定值時，飛錘受到離心力的作用甩出撞擊觸發(fā)器，觸發(fā)器的運動松開向上擺動的脫扣操縱桿。這會導致手動復位操縱桿向下移動，從而減低彈簧的壓力，使錐形閥打開。通過連到氣缸壁出口的一個管道通向截止閥活塞的下側管道中的蒸汽壓力降到汽機排出的通道的壓力，在截止閥活塞上側的壓力作用下導致主汽門關閉，切斷汽機蒸汽，完成機械超速保護。

超速脫扣通過提升復位桿來復位，它關閉錐形閥并放下脫扣桿，直到它與觸發(fā)器嚙合并將它與軸脫開。復位桿能用手提升，或由裝在底板的泵支座段上的一只電動螺線管來提升。螺線管心桿上的滾柱通常與復位桿保持脫離，但當從主控制室執(zhí)行時，心桿一直提升著，直到滾柱與桿接觸，并將它向上推入復位位置。一旦脫扣裝置被復位，心桿被抽回與桿脫離。

3 汽動泵調節(jié)原理

在手動截止閥后有一個蒸汽流量調節(jié)閥，調節(jié)閥的動作由壓力調節(jié)驅動來調節(jié)到汽輪機的蒸汽流量，從而調節(jié)泵的輸出，以滿足運行的要求。壓力調節(jié)器平衡受3個變量的影響：泵出口壓力、彈簧的壓縮量、截止閥和調節(jié)閥之間的蒸汽壓力。

如圖3可知，小汽輪機控制裝置由主汽門、調節(jié)閥及差壓調節(jié)器3部分組成。差壓調節(jié)器上端的壓力引自泵出口管線的壓力，其下端的壓力來自泵出口管線上的文丘里管喉部的壓力。在連桿裝置平衡的情況下，作用在調節(jié)閥上的壓力與彈簧力之和應與作用在活塞上的壓力差相等。

圖3 ASG汽動泵調節(jié)機構Fig.3 ASG Auto Pump adjusting mechanism

泵的流量控制可以通過兩種方法：第一，改變泵的特性曲線。當汽動泵進汽壓力增加泵的轉速提高，流量增大，導致文丘里管喉部的壓力降低，擴壓段的壓力上升，從而使調節(jié)器壓縮彈簧，關小進汽調節(jié)閥，減小泵轉速，從而降低流量，回到穩(wěn)定之前狀態(tài)，反之亦然；第二，調節(jié)泵出口調節(jié)閥。當泵出口調節(jié)閥關小時，泵出口流量下降，文丘里管喉部和擴壓部分壓差也變小，導致蒸汽調節(jié)閥會輕微打開，轉速稍微上升，流量上升趨于穩(wěn)定值，反之亦然。

4 汽動泵超速試驗

4.1 汽動泵超速試驗原理

汽動輔助給水泵超速試驗主要是通過使輔助給水泵發(fā)生汽蝕，出口揚程低，導致汽動泵突然甩負荷，從而達到超速的目的。試驗時通過關閉汽動泵的入口閥，使汽動泵的入口壓力降低，當汽動泵吸入壓力低于汽動泵的必須汽蝕余量時，泵將產(chǎn)生汽蝕，泵揚程急劇下降，汽輪機轉速快速上升，達到超速保護定值時，保護打閘裝置動作，汽動泵跳閘。從汽動泵調速機構也可以分析即當泵發(fā)生汽蝕時，泵出口處文丘里管喉部和擴壓部分壓差突然減小，蒸汽調節(jié)閥將開大，汽動泵轉速迅速上升直到超速機構動作。

4.2 超速試驗的前提條件及風險

某廠一號機組ASG汽動泵超速試驗每3個燃料循環(huán)執(zhí)行一次，二號機組改成長燃料循環(huán)后每兩個燃料循環(huán)執(zhí)行一次，電站處于熱停堆或雙相中間停堆狀態(tài)（RRA系統(tǒng)退出運行，蒸發(fā)器二次側壓力高于2MPa），汽動泵在線完成。VVP系統(tǒng)可以向汽動泵正常供蒸汽。本試驗存在對設備和人員造成嚴重傷害的重大風險，試驗期間維修機械和儀控工作負責人必須在現(xiàn)場與運行人員一同配合，首次啟動汽動泵后現(xiàn)場必須與主控核對轉速指示的一致性，當轉速偏差大于500RPM時，應停止試驗，并要求儀控人員檢查轉速傳感器的正確性。否則可能導致電氣超速不能正常動作，為了不影響APG系統(tǒng)，進行試驗之前應把帶鑰匙開關APG001 CV置于“閉鎖”位置，在試驗之后，根據(jù)需要把它恢復至“非閉鎖”位置，如果試驗期間發(fā)現(xiàn)泵的振動、噪音和溫升異常，立即停止試驗。

4.3 ASG超速試驗主要步驟

運行汽動泵超速試驗可以歸納以下4步：第1步檢查電站內部及外部條件滿足超速試驗的要求，例如電站處于熱停堆或雙相中間停堆狀態(tài)（RRA系統(tǒng)退出運行，蒸發(fā)器二次側壓力高于2MPa），汽動泵在線完成，VVP可以向汽動泵供蒸汽；第2步將電氣超速保護定值整定到5000rpm，并驗證電氣超速保護動作正常，后將電氣超速定值調整到正常9226rpm，驗證主控跳閘和復位功能，驗證就地控制柜跳閘和復位功能；第3步保證汽動泵在小流量狀況下運行30min各種參數(shù)正常，驗證主控和就地跳閘、復位功能；第4步進行電氣超速試驗，合格后將電氣超速整定10000rpm（作為機械超速的后備保護）后，進行機械超速試驗，合格后恢復電氣超速正常值。

4.4 歷年超速試驗中遇到問題

回顧核電廠歷年來汽動泵超速試驗出現(xiàn)多次不如人意的地方。例如2011年在汽動泵超速試驗過程中，現(xiàn)場人員手動進行脫扣試驗時，本應轉速降至0rpm，但是轉速卻降到1100rpm；復位后主控再次進行主控脫扣，轉速也無法降至0rpm，同樣最終轉速在1100rpm。后分析原因是在調試期間ASG管道沖洗不是很干凈，殘留的雜物混雜在蒸汽中，在停機時蒸汽中的夾雜異物散落在關斷閥的閥面上，導致閥門關閉不嚴，致使泵的轉速無法降為零后多次重新啟機用蒸汽沖洗閥面，將散落在閥面上的異物沖走試驗才滿足要求；2006年在執(zhí)行汽動泵的超速試驗時，當轉速達到10000rpm，機械脫扣裝置仍未脫扣，后電氣超速動作汽動泵安全跳閘；2014年在執(zhí)行汽動泵超速試驗時，由于機械超速定值調整不理想共執(zhí)行9次試驗才滿足要求；2011年12月，在執(zhí)行PT1ASG016超速試驗，當ASG003PO啟動后，轉速為8290rpm，主控出現(xiàn)ASG031AA報警（1ASG003PO跳閘），主控人員立即查看相關參數(shù)，發(fā)現(xiàn)ASG003PO實際并未跳閘，即ASG235VV未關閉，同時KIT中ASG242EC翻轉（機械超速），后儀控確認為機械超速開關觸點因振動誤動，重新調整觸點后報警消失。

回顧往年試驗汽動泵超速試驗主要問題在于機械超速定值不好整定，所以運行人員在執(zhí)行試驗一定要有機械超速不一定能正常動作的心理準備。

4.5 ASG汽動泵超速試驗注意事項

1）在執(zhí)行試驗時主控操縱員可以將一回路溫度適當?shù)靥岣撸梢詼p小蒸汽發(fā)生器的排污流量，從而防止當汽動泵啟動時造成一回路溫度過度冷卻，并在試驗期間密切關注一回路溫度。

圖4 汽動泵軸封水示意Fig.4 Axial sealing water signal of steam pump

2）就地關汽動泵入口閥時一定要緩慢，主控和就地要一直關注汽動泵的轉速，一旦轉速到達9800rpm時要果斷打閘。

3）在關閉入口閥時可以通過泵運行的聲音、泵入口壓力、泵的轉速及小流量的變化來判斷汽動泵將要超速。

4）在汽動泵超速的瞬間，汽動泵的轉速迅速上漲，在以往執(zhí)行試驗時當機械超速沒有動作時，由于轉速迅速上漲到9800rpm時，操作人員來不及反應，導致后備電超速保護動作，而由于電氣超速整定值為10000rpm，當保護動作時由于電氣保護和執(zhí)行機構的動作需要一定的延時，實際上當電氣超速保護動作時，汽動泵的轉速很接近限制了，建議將電氣超速定值適當?shù)恼{小。

5）如圖4所示由于整個泵體的轉動部件由兩個水潤滑的徑向軸承支撐，泵沒有潤滑油系統(tǒng)，軸承由水來潤滑，而潤滑水取自泵的入口，當關閉泵的入口閥進行超速試驗時有可能導致軸承失去潤滑水而此時泵的轉速很高，有導致軸承損壞的風險，建議在執(zhí)行試驗時臨時接入外接管線供軸承潤滑水。

6）汽動泵只有一個轉速探頭，也就是說主控轉速表、就地轉速表、電氣超速轉速都是通過同一個轉速探頭測的，這就給汽動泵做機械超速試驗帶來很大的風險，一旦機械超速不能可靠動作，如果此時轉速表指示偏低，那么很有可能出現(xiàn)實際汽動泵轉速超過10000rpm時，汽動泵仍未跳閘的風險。因此，建議在執(zhí)行試驗時新增加一個轉速表和原轉速表進行校核，減小超速風險。

5 小結

ASG輔助給水系統(tǒng)作為核電廠重要專設系統(tǒng)之一，而ASG汽動泵又是ASG系統(tǒng)的重要組成部分，該設備運行是否可靠直接影響核電廠的安全。ASG汽動泵的超速試驗是ASG的重要試驗之一，中核運行二廠ASG汽動泵超速試驗一般在機組大修后熱停堆后執(zhí)行，該試驗是大修的關鍵路徑，此試驗執(zhí)行的順利與否不僅關乎大修的進度，影響機組經(jīng)濟效益而且試驗執(zhí)行不當可能會導致設備損壞、危機人身安全。本文通過對汽動泵調節(jié)原理、超速機構及試驗原理進行分析和總結并對目前ASG汽動泵超速試驗潛在的風險進行分析并提出合理化的建議，對今后的ASG汽動泵超速試驗有很好的指導意義。