自动再循环阀在核电的应用及低流量故障分析

阮杭浙

【摘 要】通过对离心泵低流量保护系统的对比，简析自循环控制阀保护系统的优势。针对三门核电启动给水泵再循环回路中使用的自动再循环阀运行原理、结构及设计特点，着重分析自动再循环阀在最小流量试验期间出现的低流量故障现象。

【关键词】自动再循环；最小流量保护系统；气蚀；低流量

中图分类号： TQ051.21 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）05-0055-003

【Abstract】Compared with the low-flow protection system of centrifugal pump， the advantages of the self-circulation control valve protection system are briefly analyzed. For the operation principle， structure and design features of the automatic recirculation valve used in the three-door nuclear start feedwater pump recirculation loop， the low flow failure phenomenon of the automatic recirculation valve during the minimum flow test is emphatically analyzed.

【Key words】Automatic recirculation； Minimum flow protection system； Cavitation； Low flow

0 概述

三门核电启动给水泵属于多级离心泵，泵在启动、停运、泵切换和主管路被突然关闭时，为了使出口压力达到一定值，减少电机启动电流，要求主出口阀关闭。一方面，如果出口完全关死，转子受的剪应力会急剧增大，甚至导致泵轴断裂；另一方面，由于泵内叶轮与泵体间隙很小，流体易于气化，如果在没有液体流出的情况下运转，泵内液体将产生涡流，使其发热汽化而发生气蚀，从而导致部件细小损伤，失去动平衡。同时，过热也可能引发泵的转动部件和其他部件卡涩，因此，泵有最小连续稳定流量和最小连续热控流量，前者主要考虑流量过小时噪声和振动导致对泵的损坏，后者主要考虑泵送介质在温度升高后引起蒸汽压上升而使NPSHa注1减小，而不足以防止气蚀的发生。

1 离心泵低流量保护方案对比

根据API610第八版中规定，最小流量有下面两种流量来限定：

（1）最小连续稳定流量：在不超过API610第八版所规定的噪音和振动限度下泵能够正常工作的最小流量

（2）最小连续热限制流量：能够维持泵的正常工作，且在运行过程中不至于由于泵送液体的升温而引起汽蚀，损坏泵的最小流量。

最小流量装置：如果泵在未达到最小流量的工况下运转，则泵必须配置最小流量装置，如：自动泄漏止回阀，旁路管等，以避免电机振动，减少噪音和防止由于介质会发而导致零件的损坏。

常见的泵的最小流量保护系统有如下三种方式：

i.设计连续循环系统

常开再循环模式是最简单常见的形式。在再循环回路中设置手动节流阀，将手动节流阀设置一固定的开度，离心泵工作中让最小流量通过手动节流阀返回到水箱中。

优点：投资较小；当工艺上出现小流量工况时，限流孔板旁路先自动将其消除。

缺点：不论工艺上需要多少流量，旁路线始终都有流量通过。选泵时应把旁路流量附加到操作流量上，否则易造成泵出力不够的情况；操作费用较高；当泵的扬程很高，液体又处于饱和温度下时，限流板孔后可能出现超临界现象，发生气化；节流阀长期处于冲刷状态，阀门损坏很快，后期维修及运行成本高。

ii.设计控制循环系统

优点：选泵可不考虑旁路流量附加值；旁路只有在小流量工况时才自动打开，平时关闭以节省能量。缺点：增加一套自控回路造价太高，維修及运行成本同样很高；旁路存在持续性流量，浪费能量；调节阀需要外力（电动、气动），且设备多，增大故障几率。

iii.设计自循环控制阀保护系统

优点：

（1）自循环控制阀自动识别流量变化，自动开启主路和旁路回路，完全自动控制；

（2）无需其他外接设备或元件控制，直接与泵主出口相连，无复杂的系统连接，减少泄漏点；

（3）集成主路止回阀、旁路节流减压阀、旁路止回阀、节流孔板、旁路最小流量等功能，节省成本。

三门核电启动给水泵的最小流量保护系统采用自循环控制阀保护系统。

2 三门核电自动循环阀运行原理

自动再循环阀的设置点可以依照不同泵的最小流量通过调节阀门不同的行程来调节流量，其设计原理与转子流量计工作原理相同，如下图4所示。

下图4为自动再循环阀的主阀和旁通阀切换的示意图。在给水泵初始启动阶段，三门核电自动再循环阀的主阀尚未开启。经给水泵加压之后的介质从泵的出口流出后，全部经旁通阀的多级降压装置的降压之后通过旁通管线回流到给水箱中，此时构成小流量再循环，如图4中的阶段A所示；紧接着，流量随着运行时间的增长而继续增加，当流量增加至旁通阀上移流量时，主阀逐渐开启，旁通阀流量逐渐减小，此时泵的总流量分散到主阀和旁通阀两处，如图1中的阶段B所示；随着流量的进一步增加，主阀开度逐渐增大，旁通阀流量进一步减小。最终，旁通阀关闭，主阀处于全开位置。此时没有流量再循环，如图4中的阶段C所示。

3 三门核电自动再循环阀结构及设计特点

如下图5所示，三门核电自动再循环调节阀结构主要由主阀、旁通阀及先导阀三大部分构成。阀盖的下部装配有弹簧，主阀的阀芯被弹簧紧密压紧在主阀的阀座上。旁通阀位于循环阀的下部，且与循环阀的进出口形成一定的角度，旁通阀内装配有多级降压套管。旁通阀与循环阀阀体间装配有可更换的衬套。先导阀先导管位于旁通活塞之中但位于旁通阀瓣下面，处于承压状态，在高压介质的作用下对旁通阀阀芯的运动起到调节作用，同时也对循环阀的流量特性进行调节。当当主流量增加到大于切换点时，先导管关闭旁通阀。

三门核电自动再循环阀的设计特点如下：（1）纯机械，自驱动，无需外部能源及配套的控制装置，集成止回阀、流量测量元件、旁通流量控制于一体；（2）简单可靠的泵保护系统，低安装、维修和运行成本；（3）如需改变运行参数，可以通过调节旁通阀的切换点及旁路流通能力来实现。

自动再循环阀进口压力为给水泵出口压力，设计可达125公斤，出口为除盐水箱，压力仅为几公斤，高达120公斤的压力差下，多级减压的设计可以有效的控制介质流速；而抛物线流道设计，使末级流体沿切线方向离开阀芯，不会直接冲刷阀体。结合下进上出的流开型设计，避免因为实际工况和理论工况的偏差导致汽蚀和末级闪蒸的发生。

4 自动再循环阀低流量故障分析

三门核电在调试期间执行启动给水泵旁通流量试验期间（主出口阀关闭，流量仅从再循环管线回到水箱），多台机组接连发生旁通流量异常降低现象。结合自动再循环结构及设计特点，参考图6再循环阀详细结构图分析如下：

（1）主阀瓣卡涩：主阀瓣卡涩会导致主阀瓣无法关闭到位，从而导致先导管位置偏差上移，先导管的运动控制旁通阀的开度，进而使得旁通流量变小。同时也会使得旁通流量调节螺钉53失去调节作用。主阀瓣卡涩的原因多种多样，最主要的一种是系统清洁度不够，异物导致主阀瓣在启泵初期打开后，无法在出口压力下回到全关位。其他如除盐水除氧不足引发锈蚀，主阀瓣导向卡涩、自密封阀盖装配不当等也是导致主阀瓣卡澀的原因。可以通过在线拆除堵塞3，测量主阀瓣位置来判定。

（2）旁通活塞下腔压力高：旁通活塞下腔压力高，旁通活塞位置上移，旁通流量相应变小。一方面是由于再循环管线上其他原因导致出口背压大，通过旁通活塞内腔与先导管间的流道传递至活塞下腔；另一方面密封组件41泄露，旁通活塞下腔压力过高，导致旁通活塞上移，旁通流量偏小。当然如果密封组件41完全失效，可能导致旁通阀彻底关闭，在小流量试验期间导致憋泵。另外密封件59的失效，也同样可能导致相似情况的发生。在排除主阀瓣卡涩的情况后，可以通过拆除堵塞51，安装压力表，观测压力趋势变化来判定。

5 结束语

三门核电自动再循环阀在启动给水泵初始启动阶段介入，维持泵的正常运行，防止流量低于泵最小流量运行而导致给水泵的过热汽蚀。本文从阀门的结构设计特点出发，介绍了该阀门的设计特点、运行原理、阀门结构及针对该阀门最小流量试验期间发生的低流量故障展开分析。通过分析，可以为相似设备的检修、故障诊断提供帮助，并对该设备的设计消化吸收、开发及设备国产化提供依据。

注1：NPSHa：有效汽蚀余量，只取决于装置的倒灌高度和吸水管的阻力，而与水泵本身无关。

【参考文献】

[1]叶文华，黄碧亮.珠海发电厂汽动给水泵再循环阀故障分析，热力发电（1），2005.

[2]顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.