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

1 問題概況

2018年，將該核電廠1號機(jī)組REA系統(tǒng)補(bǔ)水流量設(shè)為22.0 m3/h時，REA016VD全開，系統(tǒng)流量計REA010MD最大值為20.59 m3/h，無法達(dá)到設(shè)定值。大修期間，將系統(tǒng)管道內(nèi)REA003DI孔板孔徑由19.8 mm擴(kuò)大到23.0 mm。擴(kuò)孔后，2020年，REA016VD全開條件下，設(shè)定流量為22 m3/h，實際流量只有20.9 m3/h，還是出現(xiàn)補(bǔ)水流量偏低問題。梳理該核電廠歷史運行信息，4臺機(jī)組中只有1號機(jī)組存在REA系統(tǒng)補(bǔ)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(shù)對比

該電廠1～4號機(jī)組REA001/002PO泵均為國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的EHG65-40-315離心泵，各泵具體參數(shù)見表1。

表1 REA001/002PO運行參數(shù)對比

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

2.1.2 現(xiàn)場試驗分析

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

表2 1REA001PO/002PO泵現(xiàn)場測量結(jié)果

結(jié)合泵性能設(shè)計曲線，1REA001PO/002PO現(xiàn)場測量結(jié)果均在泵性能要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。綜上分析，1REA001PO/002PO出力異常導(dǎo)致REA補(bǔ)水流量偏低的可能性低。

2.2 管道內(nèi)漏分析

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

圖1 超聲流量計現(xiàn)場布置

現(xiàn)場分別對1REA001PO/002PO單泵運行在設(shè)定流量為22.0 m3/h時，管路各位置流量測量結(jié)果如表3所示。對比泵出口至1REA010MD位置各測點測量結(jié)果，管路上各測點流量基本一致，未見1REA系統(tǒng)的補(bǔ)水回路內(nèi)漏。管道內(nèi)漏及1REA010MD儀表故障導(dǎo)致1REA系統(tǒng)補(bǔ)水流量偏低的可能性低。

表3 1REA001PO/002PO單泵運行現(xiàn)場流量測量結(jié)果

2.3 閥門解體檢查

REA系統(tǒng)注入下游系統(tǒng)的給水流量是通過REA016VD開度控制。REA016VD為氣動調(diào)節(jié)閥，其開度由FISHER 3582閥門定位器調(diào)節(jié)，大修期間對REA016VD進(jìn)行解體檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。2020年，現(xiàn)場對REA016VD進(jìn)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(shè)定要求時，運行人員現(xiàn)場確認(rèn)該閥門開度為100 %。因此，REA016VD閥門故障導(dǎo)致1REA自動補(bǔ)水流量低的可能性低。

2.4 管道流阻分析

2.4.1 補(bǔ)水管線差異分析

對比1～4號機(jī)組REA系統(tǒng)水回路補(bǔ)水管線布置及管線長度和彎頭個數(shù)，1REA001PO/002PO與相同布置的3REA001PO/002PO相比，彎頭個數(shù)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(jī)組REA系統(tǒng)補(bǔ)水回路上游水箱水位及下游管線壓力。各機(jī)組REA系統(tǒng)的補(bǔ)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(tǒng)中，補(bǔ)水和補(bǔ)硼回路分別安裝有小口徑升降式止回閥，防止介質(zhì)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(dǎo)向，沿著中心線上下滑動。當(dāng)介質(zhì)順流時，閥瓣靠介質(zhì)推力開啟；當(dāng)介質(zhì)反向流動時，由介質(zhì)壓力和閥瓣的自重使閥瓣作用于閥座上，阻止介質(zhì)出現(xiàn)逆流現(xiàn)場。

對比各電廠REA系統(tǒng)管線止回閥結(jié)構(gòu)，各電廠REA系統(tǒng)升降式止回閥存在差異。中廣核集團(tuán)各電廠中REA系統(tǒng)升降式止回閥主要分為閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的升降式止回閥和閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的升降式止回閥2類。該集團(tuán)內(nèi)某電廠因REA補(bǔ)硼流量不滿足系統(tǒng)要求，將閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)升降式止回閥改造為閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)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(bǔ)給操作時相關(guān)流量可達(dá)到設(shè)定值。

該電廠各機(jī)組現(xiàn)場補(bǔ)水回路管線REA017VD/019VB閥門為DN50-Class 1500型止回閥。查詢現(xiàn)場解體檢查工單及設(shè)備圖紙可知，2號機(jī)組REA017VD/019VB為閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。1號機(jī)組REA017VD/019VB的文檔系統(tǒng)圖紙已修改為閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場實際為閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。圖紙信息顯示，改進(jìn)后的閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)閥門有較大的中腔，通道直徑由38 mm增大為47 mm。閥蓋導(dǎo)向可使閥門內(nèi)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(chǎn)生文丘里效應(yīng)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(yīng)產(chǎn)生的流道阻力[2]。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]分析，DN50-Class 1500型閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)止回閥存在閥瓣深入閥蓋尺寸偏小，易導(dǎo)致閥瓣運動出現(xiàn)卡塞的問題。同時，閥瓣導(dǎo)向直徑D=60 mm，導(dǎo)向長度L=47 mm，當(dāng)量長度L/D=0.78，與一般經(jīng)驗值當(dāng)量長度L/D=1.2也相差較大，存在設(shè)計不合理的問題。按流量試驗標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5296—1991《通用閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗方法》的要求，對該閥門進(jìn)行流量系數(shù)Cv試驗。結(jié)果表明DN50-Class 1500型閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)止回閥的流量系數(shù)Cv不滿足REA系統(tǒng)設(shè)計要求。針對閥體導(dǎo)向止回閥存在的問題，改進(jìn)型止回閥以閥蓋作為導(dǎo)向面，使閥門當(dāng)量長度L/D在1.2～15.0之間。DN50-Class 1500型止回閥改進(jìn)前閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)閥門和改進(jìn)后閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)閥門流量系數(shù)試驗結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，改進(jìn)后的閥門流量系數(shù)滿足REA系統(tǒng)設(shè)計要求。

表4 DN50-Class 1500型閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)止回閥流量系數(shù)試驗數(shù)據(jù)

閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的止回閥流場分析分別如圖2和圖3所示。閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的止回閥內(nèi)部流場分布較為均勻穩(wěn)定；而閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的止回閥內(nèi)部有較大范圍的紊流，易導(dǎo)致較大壓力損失。

圖2 閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)逆止閥流場分析

圖3 閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)逆止閥流場分析

綜上分析，1REA系統(tǒng)現(xiàn)場使用的DN50-Class 1500閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)止回閥，因設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理，閥體中腔導(dǎo)向長度不足及閥體、閥瓣和閥蓋配合間隙不合理，導(dǎo)致閥門Cv值偏低，進(jìn)而使補(bǔ)水回路流阻過大，補(bǔ)水流量不能滿足系統(tǒng)要求。

3 仿真驗證分析

針對閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的止回閥Cv值偏低可能導(dǎo)致REA自動補(bǔ)水流量偏低的問題，根據(jù)1REA系統(tǒng)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(jìn)行分析。在1REA016VD調(diào)節(jié)閥100 %全開情況下，對REA補(bǔ)水回路擴(kuò)孔前后和1REA017VD/019VB改造前后系統(tǒng)流量進(jìn)行計算分析。

仿真計算結(jié)果如表5所示，結(jié)果表明1REA017VD/REA019VB閥門的Cv值嚴(yán)重影響REA系統(tǒng)流量，原閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)止回閥Cv值較小，導(dǎo)致流量不能滿足系統(tǒng)要求。仿真分析表明，改造升級后的閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)1REA017VD/019VB可滿足系統(tǒng)流量需求。

表5 1REA補(bǔ)水回路仿真分析結(jié)果

4 治理效果

現(xiàn)場后續(xù)根據(jù)大修窗口安排，將對該電廠1REA017VD/019VB進(jìn)行更換。根據(jù)分析結(jié)果反饋，同樣存在該問題的某電廠率先在大修中對1號機(jī)組1REA017VD/019VB更換為閥蓋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)逆止閥。為防止流量超過系統(tǒng)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(diào)節(jié)閥100 %全開的情況下，該電廠1REA系統(tǒng)補(bǔ)水流量如表6所示。由表6數(shù)據(jù)可知，閥門更換后單雙泵運行均能滿足系統(tǒng)的流量要求。

5 結(jié)論

綜合分析，由于1REA系統(tǒng)補(bǔ)水回路中1REA017/019VB閥體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的升降式止回閥結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，閥體中腔導(dǎo)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(tǒng)補(bǔ)水回路阻力大，導(dǎo)致補(bǔ)水流量不滿足設(shè)計要求。對存在該問題的同類型機(jī)組相應(yīng)閥門進(jìn)行了更換，以滿足系統(tǒng)運行要求。