劉春龍,裴俊敏

(江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222042)

軸流風機因為具有流量大、體積小、易于布置的特點,在田灣核電站反應堆廠房得到了廣泛應用。

軸流風機葉片通常是機翼型,按照軸流風機理論,在風機轉速和葉片安裝角度一定時,風機的風量隨管網阻力的增大而減小,氣流與葉片形成的沖角則相應增大。當沖角增大至某一臨界值時(臨界值隨葉型不同而異),這時風機風壓也達到風壓曲線的頂點。沖角再繼續(xù)增大,風機的風壓將迅速下降,這是由于葉片背部氣流發(fā)生附面層分離并在葉背尾端形成渦流區(qū),即失速工況,風壓頂點也稱為失速工況起始點。

由于制造誤差,風機各葉片的葉型、安裝角度不可能完全一致,葉片前的氣流也有可能不均勻,所以軸流風機葉片附面層的分離總是從某個或某幾個葉片開始形成,并使其相鄰葉片的氣流發(fā)生方向相反的偏轉,使失速區(qū)不是固定于某個或某幾個葉片上,而是相對于旋轉的葉輪作反向旋轉,這種現(xiàn)象稱為旋轉失速。失速區(qū)域的數(shù)目與其傳播速度的乘積就是流經每個葉片的旋轉失速頻率,如果這個頻率接近于葉片的自振頻率,將會產生共振,造成葉片的嚴重機械損壞。

目前對軸流風機旋轉失速的研究多集中于火電站鍋爐配套大型通風機,對小型軸流風機旋轉失速的研究由于受產品投資規(guī)模等因素的影響而受到一定限制。但因核電站核級風機的重要性,研究其旋轉失速預防措施越來越得到重視。

1 田灣核電站反應堆廠房軸流風機預防失速的必要性

根據(jù)軸流風機分類,在標準大氣條件下壓力小于500 Pa為低壓軸流風機,壓力大于等于500 Pa為高壓軸流風機。

國內其他類型核電站反應堆廠房冷卻系統(tǒng)使用溫度為13℃的冷凍水作為冷源,而田灣核電站VVER-1000型反應堆廠房冷卻系統(tǒng)使用的冷源是設計溫度為33℃的重要用戶設備冷卻水。為保證冷卻系統(tǒng)送風溫度不高于40℃,回風溫度不高于60℃,要求使用的軸流風機必須是大流量的高壓軸流風機。田灣核電站反應堆廠房冷卻系統(tǒng)共使用了9臺軸流風機,其中最大的設計工作點為流量80 000m3/h、壓力2 300 Pa,最小的設計工作點也達到流量20 500m3/h、壓力1 400 Pa,都是高壓軸流風機。

圖1所示為高壓軸流風機典型壓力-流量特性曲線,由設計點D減小流量到失速工況起始點C附近,隨著局部失速渦流區(qū)的出現(xiàn)和失速區(qū)域的擴大,壓力-流量特性曲線的曲率隨之變平緩,工況到達點B后突躍到點B′,再減小流量則逐漸到達全閉點A。另外,由全閉點增加流量到點B′,工況并不到達點B而是前行到C′再突躍到點C,高壓軸流風機的這種特性稱為失速機理二重特性。如果系統(tǒng)具有足夠大的容積,與風機組成一個彈性的空氣動力系統(tǒng),風機在這種工況下運行將可能出現(xiàn)喘振,流量急劇波動,其氣流產生的撞擊使風機和管網發(fā)生強烈的振動、噪聲,甚至導致設備和系統(tǒng)的嚴重破壞,而失速正是喘振發(fā)生的根本誘因。風機特性決定,軸流風機比離心風機容易發(fā)生喘振,高壓風機比低壓風機容易發(fā)生喘振[1]。

圖1 高壓軸流風機性能曲線Fig.1 Performance curve o f high p ressure axial fan

反應堆廠房風機故障將導致機組停堆,由于工作空間狹小、輻射風險高,導致維修難度大、工期長。因此,采取措施預防風機失速,保證風機的安全可靠運行是必要的。

2 反應堆廠房軸流風機防失速措施

2.1 防止管網阻力超過設計值

根據(jù)軸流風機失速理論,風機不在失速區(qū)域運行的根本措施是保證風機運行時管網阻力不超過設計值,防止風機在小流量工況運行。田灣核電站反應堆廠房軸流風機具體采取如下措施。

2.1.1 采用聯(lián)鎖保護防止風機入口閥誤關閉

軸流風機在運行時入口閥誤關閉是可能導致風機進入失速區(qū)域運行的最惡劣的工況。為防止閥門誤關閉事件發(fā)生,反應堆廠房軸流風機在自動控制上采用了聯(lián)鎖保護措施：風機入口閥反饋信號為“開啟”時風機才允許啟動,風機反饋信號為“停運”時入口閥才允許關閉。

2.1.2 調試期間驗證風機實際運行工況點

軸流風機單體調試合格后,通過調節(jié)流量孔板、流量平衡閥等系統(tǒng)調試措施調節(jié)管網阻力,或對管網系統(tǒng)進行必要的改造,使系統(tǒng)實際流量與設計流量的正負偏差小于10%,風機實際運行壓力與額定壓力正負偏差小于5%,以確定風機實際運行工況點在性能曲線中的位置,保證風機在穩(wěn)定區(qū)域工作。

對于并聯(lián)運行的風機還要進行并車試驗(包括運行中可能遇到的各種并車工況),驗證所有并車工況都不會出現(xiàn)“搶風”現(xiàn)象,風機的實際流量、壓力偏差不超過設計要求。

2.1.3 防止管網系統(tǒng)堵塞

隨著通風系統(tǒng)的長期運行,管網進風口網篩和空氣冷卻器等部位可能發(fā)生堵塞。管網進風口網篩可以阻擋尺寸較大的異物進入管網系統(tǒng),同時它也很容易被異物堵塞?？諝饫鋮s器由于換熱器翅片細密,隨著長時間運行灰塵的累積,也容易發(fā)生堵塞。按照軸流風機維修大綱,在大修時要對管網系統(tǒng)進行檢查,清除異物。對空氣冷卻器,要用壓縮空氣或水清洗換熱器翅片。

2.2 風機機殼安裝氣流分離器

減小軸流風機旋轉失速區(qū)域,減弱流量-壓力曲線上的波谷,一直是改善軸流風機特性,保證軸流風機運行安全性的努力方向。改善軸流風機特性包括關鍵部件葉柵的優(yōu)化設計、葉型分離控制和以改善風機內部流動狀態(tài)為目的的整體結構優(yōu)化等,而葉柵的優(yōu)化設計和葉型分離控制受精確的測量手段、葉片成型工藝和制造水平以及相當長的試驗周期的限制,限制了在通風機制造工程中的應用。

田灣核電站反應堆廠房軸流風機使用了氣流分離器來改善風機內部流動狀態(tài),它的優(yōu)點是簡單易行,在不大幅增加軸流風機尺寸、不降低風機性能的前提下,大大縮小了風機的失速區(qū)域,拓寬了風機穩(wěn)定運行區(qū)域。

2.2.1 氣流分離器的結構

軸流風機在不穩(wěn)定區(qū)域運行時,壓力和流量瞬間變化,量值驟變,軸流風機工作噪聲異常、劇烈震動,嚴重時導致葉片斷裂、風機損壞。其主要原因是軸流風機在不穩(wěn)定區(qū)域運行時,氣流進入葉片流道前發(fā)生畸變,產生旋渦和逆流,隨著旋渦和逆流區(qū)域的擴大,造成軸流風機不能正常工作。為了減小軸流風機不穩(wěn)定區(qū)域,在風機葉片前增加一種裝置(稱氣流分離器或穩(wěn)流器),該裝置由分離器殼體、分流導葉、分流環(huán)組成,其結構如圖2所示。

圖2 氣流分離器結構示意圖Fig.2 Structure of flow separators

其中分流導葉為若干圓弧形等厚葉片,以軸流風機風筒圓心為圓心按圓周分布排列。分流環(huán)是與風筒同心的圓環(huán)。

2.2.2 氣流分離器的工作原理

當軸流風機葉片表面發(fā)生附面層分離阻塞流道時,葉片頂部形成的旋渦在離心力和壓力差的作用下,進入由氣流分離器殼體、分流導葉和分流環(huán)組成的通道,經過分流導葉的整流、消除旋轉,再無干擾地返回到葉輪前的主氣流中。這一方面增加了葉片的進風量,另一方面隔離并抽吸畸變風流,旋渦的能量衰減,不會使進入葉片的畸變氣流產生旋渦和逆流,消除或減弱旋渦及逆流區(qū),從而使風機特性曲線的不穩(wěn)定區(qū)得到改善,達到縮小軸流風機失速區(qū)域的目的。

2.2.3 氣流分離器的效果評價

蒸汽發(fā)生器隔間冷卻系統(tǒng)風機是田灣核電站最大的軸流風機,該風機安裝氣流分離器后,風機性能曲線得到極大改善,風機失速區(qū)域大大減小,見圖3。

失速裕度是衡量風機設計點失速安全性的重要參數(shù),在葉片安裝角度、葉輪轉速固定時,可用設計工作點到失速工況起始點的失速裕度K表示[2]。其計算式為：

圖3 蒸汽發(fā)生器隔間冷卻系統(tǒng)風機安裝氣流分離器前后性能曲線Fig.3 Performance curve of steam generator chamber cooling system fans before and after installation o f flow separators

式中：Q、P分別為設計工作點的流量和壓力;QK、PK分別為失速工況起始點的流量和壓力。

根據(jù)上式計算蒸汽發(fā)生器隔間冷卻系統(tǒng)軸流風機安裝氣流分離器前后風機失速裕度分別為1.36和3.59。

對于核電站通風用軸流風機失速裕度,國內和國際的核行業(yè)標準都沒有提出要求。對于電站鍋爐通風機,國家電力行業(yè)標準《電站鍋爐風機選型和使用導則》提出軸流式風機“在選型設計時,宜選取K＞1.3”[3];《電站風機改造與可靠性分析》一書提出“建議選取K＞1.4”[4]。

通過上述對比可知,蒸汽發(fā)生器隔間冷卻系統(tǒng)軸流風機安裝氣流分離器后,失速裕度得到很大提高并可以認為足夠可靠。

3 結語

反應堆廠房軸流風機因其停機可能造成的巨大經濟損失、故障檢修的巨大難度,應引起足夠重視。軸流風機由于其失速區(qū)域大,在管網系統(tǒng)設計、風機選型,以及風機設計、制造、運行維護時,都要采取措施避免風機在失速工況運行。相對于1994年頒布的標準,2006年升版的核行業(yè)標準《核級通風機設計通則》中新提出了“高壓軸流風機宜設計有防失速裝置或失速報警裝置”[5],可見核級高壓軸流風機失速問題已得到了更高的重視。田灣核電站反應堆廠房軸流風機自商業(yè)運行以來,從未出現(xiàn)因軸流風機失速導致的風機或系統(tǒng)損壞,說明采取的失速預防措施是有效的。

[1] 魏兵海.風機失速喘振特性及其預防措施[J].流體機械,2001,29(6)：29.

[2] 劉家鈺.電站風機改造與可靠性分析[M].北京：中國電力出版社,2001：100.

[3] DL/T 468—2004 電站鍋爐風機選型和使用導則[S].

[4] 劉家鈺.電站風機改造與可靠性分析[M].北京：中國電力出版社,2001：100.

[5] EJ/T 886—2006 核級通風機設計通則[S].