王 瑜，李 基，鄒 霆

（中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司，北京 100044）

0 引言

“華龍”機(jī)組是我國(guó)自主研發(fā)的三代核電機(jī)組，其輔助給水系統(tǒng)（TFA）屬于專(zhuān)設(shè)安全系統(tǒng)，在機(jī)組主系統(tǒng)啟動(dòng)升溫階段、熱停堆工況和建立汽腔前為蒸發(fā)器提供“冷源”。國(guó)產(chǎn)研發(fā)的氣動(dòng)套筒調(diào)節(jié)閥得到了廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)提供閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。其中TFA 系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)閥（簡(jiǎn)稱(chēng)TFA 調(diào)節(jié)閥）通過(guò)蒸發(fā)器液位閉環(huán)控制其開(kāi)度，屬于“關(guān)鍵核心”控制設(shè)備，其調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性直接影響機(jī)組啟動(dòng)和安全。在調(diào)試期間，TFA調(diào)節(jié)閥均出現(xiàn)了不同程度的振蕩現(xiàn)象，引起蒸發(fā)器流量劇烈波動(dòng)、調(diào)節(jié)閥后管道振動(dòng)和吊架松動(dòng)等現(xiàn)場(chǎng)。針對(duì)閉環(huán)調(diào)節(jié)閥的振蕩現(xiàn)象，運(yùn)用系統(tǒng)分析和理論計(jì)算的方法，確定閥門(mén)振蕩的根本原因，分析其產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)下游管道、孔板影響，進(jìn)而提出優(yōu)化、改進(jìn)措施和后續(xù)選型的建議。

1 設(shè)備及故障

1.1 TFA 系統(tǒng)及設(shè)備

TFA 系統(tǒng)屬于專(zhuān)設(shè)安全系統(tǒng)，采用單一故障準(zhǔn)則和設(shè)備冗余準(zhǔn)則，布置A/B 兩列系統(tǒng)管線，每列系統(tǒng)分別包含3 臺(tái)TFA調(diào)節(jié)閥設(shè)備，向蒸發(fā)器二次側(cè)充水和實(shí)施液位控制調(diào)整。

TFA 調(diào)節(jié)閥為國(guó)產(chǎn)科研設(shè)備，屬于氣動(dòng)套筒式調(diào)節(jié)閥（預(yù)啟式調(diào)節(jié)閥），采用多彈簧氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣路控制系統(tǒng)包含空氣過(guò)濾器、定位器、行程開(kāi)關(guān)和電磁閥；該閥門(mén)為雙閥座結(jié)構(gòu)（主閥芯和平衡型閥芯），調(diào)節(jié)流量特性為等百分比，閥門(mén)前后壓差高達(dá)10 MPa，閥芯部件采用低噪聲、抗汽蝕材料，主要參數(shù)如圖1 所示，TFA 調(diào)節(jié)閥閥芯和控制氣路如圖2 所示。

圖1 TFA 調(diào)節(jié)閥參數(shù)

圖2 TFA 調(diào)節(jié)閥閥芯和控制氣路

1.2 閥門(mén)振蕩簡(jiǎn)介

TFA 調(diào)節(jié)閥在執(zhí)行向蒸發(fā)器充水試驗(yàn)時(shí)，向單臺(tái)蒸發(fā)器充水試驗(yàn)時(shí)，在開(kāi)啟過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥分別在27%～43%開(kāi)度出現(xiàn)振蕩，閥桿振蕩幅度為50%行程值，流量最大在20～79 m3/h 波動(dòng)，嚴(yán)重影響蒸發(fā)器液位調(diào)整的準(zhǔn)確性，屬于共性問(wèn)題，以1#和3#調(diào)節(jié)閥作為研究對(duì)案例，其他閥門(mén)故障情況類(lèi)似，振蕩數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1 TFA 調(diào)節(jié)閥振蕩數(shù)據(jù)

TFA 調(diào)節(jié)閥在特點(diǎn)開(kāi)度出現(xiàn)明顯振蕩現(xiàn)象，且在關(guān)閥過(guò)程的振蕩開(kāi)度值略高于開(kāi)啟過(guò)程；振蕩整體表現(xiàn)為大開(kāi)度、大幅度振蕩。

TFA 調(diào)節(jié)閥后的管道出現(xiàn)振動(dòng)量增加（最高達(dá)200 mm/s），管道晃動(dòng)，吊架因長(zhǎng)期振動(dòng)脫落；在調(diào)節(jié)閥后安裝臨時(shí)壓力表，測(cè)量發(fā)現(xiàn)壓力在0.5～10 MPa 區(qū)間反復(fù)波動(dòng)（閥門(mén)開(kāi)度43%時(shí)），導(dǎo)致多臺(tái)壓力故障；在TFA 調(diào)節(jié)閥位置及閥后孔板位置均出現(xiàn)明顯的“嘯叫”聲，TFA 調(diào)節(jié)閥房間噪聲異常。

2 原因分析及驗(yàn)證

TFA 調(diào)節(jié)閥的控制、連鎖邏輯復(fù)雜，影響因素多，必須運(yùn)用系統(tǒng)思維開(kāi)展原因分析，采用理論計(jì)算結(jié)合系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的方法排除次要因素，挖掘根本原因和振蕩現(xiàn)象的機(jī)理。從系統(tǒng)運(yùn)行、控制氣路和閥門(mén)設(shè)計(jì)角度開(kāi)展系統(tǒng)化分析優(yōu)化，主要因素分析如圖3 所示，系統(tǒng)化分析流程如下。

圖3 原因分析

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行

TFA 調(diào)節(jié)閥的振蕩現(xiàn)象屬于大幅度、大開(kāi)度的振蕩現(xiàn)象，且是系統(tǒng)設(shè)備共性問(wèn)題，因此存在調(diào)節(jié)閥的實(shí)際運(yùn)行工況（閥前、后的流量和壓力等）超出設(shè)計(jì)范圍的可能性；經(jīng)核實(shí)，TFA 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)顯示輔助給水電動(dòng)泵的運(yùn)行參數(shù)正常，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)均正常，調(diào)節(jié)閥前壓力未超過(guò)設(shè)計(jì)和運(yùn)行規(guī)范，排除系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素。

DCS 控制系統(tǒng)PID 參數(shù)設(shè)置不合理，例如比例帶小、積分時(shí)間長(zhǎng)等因素均會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)振蕩。為排查該因素，就地采用信號(hào)發(fā)生器替代DCS 系統(tǒng)向定位器輸入控制電信號(hào)，相同的振蕩現(xiàn)象仍然出現(xiàn)。

2.2 控制氣路

控制氣路的漏氣、定位器反饋桿松動(dòng)和振動(dòng)、定位器零點(diǎn)等設(shè)置參數(shù)不合理等因素均會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)度，產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。首先，定位器、膜室及控制管路存在漏點(diǎn)時(shí)，開(kāi)度無(wú)法保持，定位器動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出信號(hào)，使得開(kāi)度增加或減小，產(chǎn)生閥門(mén)振蕩；其次，信號(hào)干擾、“虛假”的開(kāi)度反饋和氣路靈敏性均會(huì)產(chǎn)生振蕩問(wèn)題；采用泡沫法進(jìn)行查漏，發(fā)現(xiàn)輕微漏點(diǎn)后，予以調(diào)整消除，氣路及膜室的密封性試驗(yàn)合格；更換定位器后，進(jìn)行空載動(dòng)作、待載荷運(yùn)行試驗(yàn)后，振蕩問(wèn)題依然存在，因此排除控制氣路因素。

2.3 閥門(mén)設(shè)計(jì)

閥門(mén)設(shè)計(jì)不合理主要包括：①閥門(mén)選型不合理，CV值與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行工況不匹配；②氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用力不滿(mǎn)足最大不平衡力。閥門(mén)流量系數(shù)CV是閥門(mén)流通能力（閥門(mén)阻力）體現(xiàn)，由閥芯固有結(jié)構(gòu)決定，不隨外界因素變化。

根據(jù)上述故障描述得出：閥門(mén)在特定開(kāi)度、流量時(shí)，出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；考慮到開(kāi)度與流量系數(shù)CV是一一對(duì)應(yīng)的指數(shù)關(guān)系，計(jì)算閥門(mén)在該流量下的壓降阻力損失，閥門(mén)振蕩時(shí)壓差計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 閥門(mén)振蕩時(shí)壓差計(jì)算

TFA 系統(tǒng)的輔助給水電動(dòng)泵在對(duì)應(yīng)的工況的出口壓力值約為13.6 MPa。蒸發(fā)器的背壓等于1 bar。根據(jù)調(diào)節(jié)閥的控制原理，在CV 值保持不變時(shí)，流量增加，壓差也隨著增加，若壓力低于汽化壓力時(shí)，則產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，形成堵塞流動(dòng)。經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后，壓降損失約14 MPa，閥芯位置的壓力將低于0.045 bar，連續(xù)不斷地產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，產(chǎn)生類(lèi)似“水錘”現(xiàn)象的壓力沖擊力。而閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用力無(wú)法克服瞬間不平衡力，進(jìn)而導(dǎo)致閥門(mén)振蕩，無(wú)法穩(wěn)定。

2.4 機(jī)理分析及優(yōu)化

經(jīng)分析，TFA 調(diào)節(jié)閥振蕩特征為大幅度、大閥位的振蕩，其根本原因?yàn)樵撻y門(mén)選型與運(yùn)行工況不匹配。在閥前、后產(chǎn)生高于14 MPa 的壓降，造成閥芯內(nèi)部流體不斷產(chǎn)生汽蝕，汽泡在潰滅時(shí)產(chǎn)生高壓射流沖擊作用，在調(diào)節(jié)閥后產(chǎn)生“水錘”現(xiàn)象壓力波，導(dǎo)致管道振動(dòng)（吊架脫落等），異常的“嘯叫”異音噪聲。

綜合分析后采取如下優(yōu)化措施：①修改電站運(yùn)行細(xì)則，同步均衡調(diào)整3 個(gè)環(huán)路SG 的流量，使每個(gè)環(huán)路達(dá)到33 m3/h 時(shí)，壓差降低至約10 MPa，避開(kāi)振蕩區(qū)間；②選用新型的∑F 側(cè)裝式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提高作用和剛性，提高抵抗振蕩的能力；③調(diào)整氣路控制系統(tǒng)，增加放大器，增大管線直徑，增大進(jìn)氣量，TFA 調(diào)節(jié)閥優(yōu)化改造如圖4 所示。改造后，調(diào)節(jié)性能可以滿(mǎn)足電站運(yùn)行要求，未出現(xiàn)振蕩情況，但是仍然無(wú)法滿(mǎn)足單獨(dú)向蒸發(fā)器充水的工況。

圖4 TFA 調(diào)節(jié)閥優(yōu)化改造

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)踐，氣路控制系統(tǒng)漏氣、靈敏性及機(jī)械摩擦的缺陷情況，往往導(dǎo)致小幅度的輕微振蕩，無(wú)異常噪聲和壓力波現(xiàn)象；閥門(mén)內(nèi)部汽蝕導(dǎo)致的振蕩現(xiàn)象，往往呈現(xiàn)大幅度、大開(kāi)度的特征，伴隨著明顯的壓力和流量波動(dòng)、異常噪聲等現(xiàn)象。針對(duì)該調(diào)節(jié)閥振蕩問(wèn)題，采用系統(tǒng)思維和理論計(jì)算交叉驗(yàn)證的方法，研究調(diào)節(jié)閥振蕩的根本原因和機(jī)理分析，建立振蕩缺陷的故障樹(shù)分析模型，為相似缺陷處理借鑒；通過(guò)對(duì)此類(lèi)型振蕩缺陷的研究，發(fā)現(xiàn)TFA 調(diào)節(jié)閥選型與系統(tǒng)匹配性問(wèn)題，提出優(yōu)化方向，警示設(shè)計(jì)者應(yīng)從系統(tǒng)的角度提出設(shè)計(jì)需求，為“華龍”機(jī)組國(guó)產(chǎn)科研閥門(mén)設(shè)備品質(zhì)提升提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和方向。