周林林, 盧 揚(yáng), 石 剛

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發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)流量波動(dòng)問(wèn)題的分析與處理

周林林, 盧 揚(yáng), 石 剛

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

CPR1000核電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)（GST）設(shè)計(jì)有兩臺(tái)冷卻水泵，正常情況下一臺(tái)泵運(yùn)行，另一臺(tái)備用。該系統(tǒng)冷卻水流量通過(guò)孔板流量計(jì)測(cè)量，流量低1時(shí)系統(tǒng)發(fā)出備用泵聯(lián)啟信號(hào)，流量低2會(huì)觸發(fā)跳機(jī)信號(hào)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組定子冷卻水含氣量造成的流量波動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，研究了冷卻水系統(tǒng)含氣量變化影響流量測(cè)量的機(jī)理，并提出具體的處理措施，解決了該系統(tǒng)啟動(dòng)初期由于系統(tǒng)內(nèi)部含氣量造成的流量波動(dòng)問(wèn)題。

CPR1000；定子冷卻水；孔板流量計(jì)；流量波動(dòng)；含氣量

0 前言

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中需要保證其內(nèi)部的冷卻，對(duì)于定子水冷的發(fā)電機(jī)組，必須要保證定子冷卻水的流量滿足要求，但在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于種種原因流量可能產(chǎn)生大幅波動(dòng)，影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。各行業(yè)關(guān)于流量波動(dòng)問(wèn)題目前有著很多研究，本文通過(guò)模擬分析含氣量對(duì)孔板流量計(jì)測(cè)量流量的影響，并針對(duì)定子冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)深入分析氣體來(lái)源以及制定專門(mén)的處理方案，解決了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的流量異常波動(dòng)問(wèn)題。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)（GST）是通過(guò)一個(gè)閉式的冷卻水循環(huán)回路對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組以及出線端進(jìn)行冷卻。某CPR1000核電機(jī)組采用的是ALSTOM公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)組，該發(fā)電機(jī)組為水-氫-氫冷卻方式，每一根定子線棒由實(shí)心銅線和不銹鋼空心線組成，通過(guò)低電導(dǎo)率的冷卻水流過(guò)不銹鋼空心線帶走熱量，保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行[1]。系統(tǒng)的工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)工藝流程圖

定子冷卻水系統(tǒng)有兩臺(tái)冷卻水泵GST101PO及GST201PO，均為臥式軸端進(jìn)水泵。泵設(shè)計(jì)流量為100%，正常情況下一臺(tái)泵在運(yùn)行，另一臺(tái)備用。正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的流量為180m3/h，其中流量的測(cè)量通過(guò)孔板流量計(jì)GST002MD實(shí)現(xiàn)。當(dāng)流量小于150m3/h時(shí)會(huì)自動(dòng)聯(lián)啟備用泵以保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行；當(dāng)流量小于100m3/h時(shí)延時(shí)5s后會(huì)觸發(fā)跳機(jī)信號(hào)。

發(fā)電機(jī)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一高位水箱，為系統(tǒng)提供一個(gè)壓力參考點(diǎn)。系統(tǒng)的連續(xù)排氣口分別取自兩臺(tái)板式冷卻器及系統(tǒng)主過(guò)濾器上方，三路管道均有一定流量的水持續(xù)排至高位水箱內(nèi)部，以排除系統(tǒng)內(nèi)部殘留的氣體。

2 問(wèn)題描述

國(guó)內(nèi)某核電2號(hào)機(jī)組調(diào)試啟動(dòng)期間，GST系統(tǒng)多次發(fā)生備用泵聯(lián)啟事件。如2013年11月14日08:50啟動(dòng)GST系統(tǒng)，從12:26開(kāi)始發(fā)生多次聯(lián)啟。11月28日也發(fā)生多次聯(lián)啟，由于流量低于100m3/h時(shí)間短于5s，沒(méi)有造成跳機(jī)后果。冷卻水流量波動(dòng)曲線如圖2所示。

圖2 定子冷卻水流量波動(dòng)曲線

從圖2曲線看，每次備用泵聯(lián)啟前GST002MD監(jiān)測(cè)的流量都存在一個(gè)明顯的波谷。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步檢查排除流量計(jì)本身故障以及泵本身造成的流量波動(dòng)。由于定子冷卻水流量的測(cè)量是通過(guò)流量孔板的前后壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)孔板前后壓差發(fā)生改變后，就會(huì)造成GST002MD流量波動(dòng)[2]。在問(wèn)題出現(xiàn)后，對(duì)GST002MD儀表管線進(jìn)行排氣檢查，并在泵出口多次進(jìn)行排氣，泵聯(lián)啟現(xiàn)象得到改善，但偶然還會(huì)發(fā)生流量大幅波動(dòng)現(xiàn)象。其中每次排氣時(shí)取樣發(fā)現(xiàn)，排出的水呈乳白色，水中明顯含有大量細(xì)小的氣泡。

在GST系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行水溫升高，氣體溶解度下降會(huì)使氣體析出，或如有氫氣漏入，有可能造成系統(tǒng)內(nèi)部冷卻水含氣量增大。當(dāng)流量孔板受到氣泡干擾時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量偏差[3]。因此，備用泵聯(lián)啟的原因可能是水中含氣量大造成孔板流量計(jì)測(cè)量誤差所致。

3 孔板流量計(jì)測(cè)量流量受水中含氣量影響的計(jì)算分析

3.1 孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)及原理

標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)有角接取壓、和/2取壓以及法蘭取壓等多種方式[4]。本文所研究的孔板流量計(jì)為角接取壓，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。對(duì)于不可壓縮流體的水平管流動(dòng)，在忽略沿程摩擦阻力損失的情況下，根據(jù)流體流動(dòng)的伯努利方程(能量守恒)和連續(xù)性原理，可以得出管道中流體理論體積流量Q的計(jì)算公式。

式中，b為孔板流量計(jì)的直徑比，；d、D分別為孔板孔徑和上游管道內(nèi)徑；為面s1、s2上平均流體壓力p1、p2之差；r為管道內(nèi)流體介質(zhì)的密度[5]。

3.2 數(shù)值模型的建立

由于孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱的特點(diǎn)，運(yùn)用Gambit直接建立標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)角接取壓時(shí)的二維軸對(duì)稱回旋結(jié)構(gòu)模型，縮短計(jì)算時(shí)間[6]。最終所得網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

3.3 含氣量對(duì)壓差的影響

為了研究不同含氣量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量的影響，在工況溫度為288.16K、流量為180m3/h的情況下，對(duì)水中含氣量體積百分比從0到5%的液態(tài)水，利用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和相關(guān)分析[7]。選擇Mixture混合模型，設(shè)置空氣為第二相，其中空氣的密度=1.225kg/m3，黏度=1.7894e-5kg/(m×s)。參考?jí)毫υO(shè)置在原點(diǎn)位置，大小為101325Pa。計(jì)算結(jié)果如表1和圖5所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)網(wǎng)格劃分計(jì)算模型

圖5 含氣量與孔板流量計(jì)平均壓差關(guān)系

由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的平均壓力值1隨水中含氣量的增加而減小，而平均壓力值3則相反，因此平均流體壓力差D隨水中含氣量的增加而減小，從而造成孔板測(cè)量的流量隨著含氣量的增加而變小。由圖5可知，D與含氣量基本上呈線性遞減關(guān)系。

表1 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)在不同含氣量下的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖7和圖8分別是含氣量為0、5%時(shí)計(jì)算出來(lái)的孔板附近的壓力、速度分布云圖。計(jì)算結(jié)果顯示，含氣量對(duì)孔板前后壓力和速度的變化趨勢(shì)影響很小，但隨著含氣量的增加，最大壓力和真空度減小。因此，當(dāng)所測(cè)管道水中混入空氣時(shí)，孔板流量計(jì)測(cè)量的壓差就會(huì)變小，從而造成測(cè)量流量減小。

(a)含氣量為0

(b)含氣量為5%

圖7 孔板附近壓力分布圖

(a)含氣量為0

(b)含氣量為5%

圖8 孔板附近速度分布圖

計(jì)算結(jié)果表明，冷卻水系統(tǒng)在處于含氣量變化的工況下，孔板流量計(jì)測(cè)量的壓差會(huì)隨著混入氣體量的增加而變小，從而導(dǎo)致測(cè)試流量較實(shí)際流量小。

4 解決方案研究

根據(jù)以上分析，孔板流量計(jì)測(cè)量的流量與系統(tǒng)含氣量的變化有很大的關(guān)系。在正常運(yùn)行工況下，發(fā)電機(jī)定冷水系統(tǒng)含氣量很低，且含氣量不會(huì)有大的波動(dòng)。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用上，可考慮減少含氣量的方法來(lái)減少系統(tǒng)的流量波動(dòng)，避免跳機(jī)的不良后果產(chǎn)生[8]。

4.1 對(duì)含氣體的來(lái)源分析

4.1.1 發(fā)電機(jī)氫氣漏入系統(tǒng)

該發(fā)電機(jī)組調(diào)試期間，對(duì)定子線棒進(jìn)行打壓試驗(yàn)，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行氫氣泄漏率試驗(yàn)，并檢查高位水箱排氣流量計(jì)GST002QD監(jiān)測(cè)的氣體流量，均滿足要求，可以判斷，氫氣泄漏進(jìn)入定子冷水系統(tǒng)的可能性很小[9]。

4.1.2 發(fā)電機(jī)高位水箱渦流卷入

發(fā)電機(jī)高位水箱正常液位為40%~80%，當(dāng)水箱進(jìn)水與排水造成渦流時(shí)就可能會(huì)將水箱內(nèi)部氣體卷入回水管道，從而引起流量測(cè)量的變化。使用多普勒流量計(jì)測(cè)量高位水箱入口流量為4m3/h左右，入口水管為DN50的管道，計(jì)算入口管道的流速大概為：

=/=(4/3600)/(3.14′0.025′0.025)=0.566 m/s

其雷諾數(shù)

Re=/=1000′0.566′0.05/0.001003=28215>2500，從而判斷入口管道處的水流為湍流狀態(tài)[10]，該速度的水流進(jìn)入高位水箱，可能形成漩渦造成氣體進(jìn)入系統(tǒng)中。

4.1.3 初期系統(tǒng)補(bǔ)水引入

系統(tǒng)內(nèi)部氣體的引入還有一個(gè)來(lái)源為系統(tǒng)內(nèi)部殘存氣體的析出，系統(tǒng)初期充水為常溫的核島除鹽水，隨著系統(tǒng)運(yùn)行，水溫逐漸升高,水的含氣量會(huì)隨著內(nèi)部溶解氣體的析出逐漸增大[11]。

按照系統(tǒng)含水量15 m3估算，假設(shè)除鹽水水溫10℃，GST溫控閥溫度設(shè)定值為45℃，正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)平均壓力為6bar，根據(jù)氣體溶解度估算（溶解度表見(jiàn)表2）溫度上升過(guò)程中析出的氣體量為：

=0（1-2）=0.825 m3

由此可見(jiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)初期，由于水溫上升會(huì)析出大量的氣體。

表2 壓力6bar時(shí)溶解度表

4.2 減少含氣量措施分析

方案一：補(bǔ)水管臨時(shí)除氣裝置

減少系統(tǒng)內(nèi)部的含氣量可以減少孔板流量計(jì)所測(cè)流量的波動(dòng)。以防城港核電項(xiàng)目為參考，由于其定子線棒是銅線棒，對(duì)水質(zhì)的含氧量有嚴(yán)格要求[12]，在系統(tǒng)補(bǔ)水口處安裝除氣除氧設(shè)備，可以有效減少由于補(bǔ)水引入的含氣量，減小啟動(dòng)時(shí)由于含氣量變化造成的流量波動(dòng)。對(duì)于該核電項(xiàng)目機(jī)組，由于發(fā)電機(jī)采用不銹鋼線棒，對(duì)含氧量要求不高，未執(zhí)行此改造。

方案二：系統(tǒng)啟動(dòng)初期充水排氣

前期充水的過(guò)程中，要嚴(yán)格按照在線程序，通過(guò)啟動(dòng)密封油系統(tǒng)真空泵排除系統(tǒng)內(nèi)部的殘存氣體，盡量減少系統(tǒng)的初始含氣量。在抽真空的過(guò)程中，要調(diào)節(jié)真空油泵的入口壓力調(diào)節(jié)閥，保證高位水箱的真空度[13]。

如果補(bǔ)水溫度很低，水中會(huì)溶解大量氣體，在系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中隨著水溫升高氣體會(huì)逐漸析出，系統(tǒng)正常運(yùn)行是通過(guò)熱交換器上部?jī)蓚€(gè)排氣管及主過(guò)濾器的排氣管進(jìn)行連續(xù)排氣。由于連續(xù)排氣管設(shè)計(jì)流量有限，難以短時(shí)間排出大量積存的氣體，就會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部氣體的聚集。所以系統(tǒng)啟動(dòng)初期，應(yīng)及時(shí)投運(yùn)加熱器，提高水溫至系統(tǒng)額定溫度44.5℃，然后持續(xù)通過(guò)泵出口及冷卻器的排氣閥手動(dòng)排氣來(lái)達(dá)到減少系統(tǒng)含氣量的目的。

方案三：消氣過(guò)濾器

通過(guò)在孔板流量計(jì)前加裝消氣過(guò)濾器，可以有效去除設(shè)備內(nèi)部混入的氣體[14]，由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)水是閉式循環(huán)的，期間含氣量不會(huì)大幅波動(dòng)和上漲，考慮消氣過(guò)濾器投運(yùn)與電加熱器都是在系統(tǒng)投運(yùn)初期階段使用，可以把消氣過(guò)濾器設(shè)置在電加熱器下游，如圖9所示。

圖9 消氣過(guò)濾器安裝示意圖

方案四：控制發(fā)電機(jī)高位水箱內(nèi)部漩渦

如上文分析，入口管道處的水流為湍流狀態(tài)，其水流能否造成水箱內(nèi)部形成漩渦尚無(wú)嚴(yán)格的證據(jù)，但為避免該因素造成系統(tǒng)內(nèi)部含氣量的增加，可以考慮對(duì)高位水箱內(nèi)部進(jìn)行改造，加設(shè)消渦板的方法可以避免漩渦的形成[15]。由于高位水箱液位正常范圍為40%~80%，適當(dāng)提高水位可以減少水箱內(nèi)部由于入口管道沖擊引入的含氣量，但如果液位高于80%會(huì)產(chǎn)生液位高報(bào)警，液位過(guò)高時(shí)如果產(chǎn)生液位波動(dòng)，水可能溢流至GST002QD，造成儀表失去檢測(cè)功能。

4.3 方案選擇與實(shí)施效果

針對(duì)該核電2號(hào)機(jī)流量波動(dòng)的現(xiàn)象，根據(jù)上述方案的實(shí)施難度，優(yōu)先選擇方案二與方案四，共落實(shí)如下行動(dòng)：

（1）系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)，利用發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)的真空泵對(duì)系統(tǒng)抽真空補(bǔ)水，減少初期系統(tǒng)殘留的氣體；

（2）系統(tǒng)啟動(dòng)前，適當(dāng)提高高位水箱水位至65%左右，減少可能由于漩渦引入的氣體；

（3）運(yùn)行初期，定期通過(guò)泵出口排氣閥檢查水中含氣量，并通過(guò)泵出口與冷卻器上的排氣閥手動(dòng)排氣；

（4）降低發(fā)電機(jī)頂部高位水箱內(nèi)部氣體的壓力，以利于冷卻器和主過(guò)濾器上連續(xù)排氣管道中的氣體排出。

通過(guò)執(zhí)行以上方案，2號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)定子冷卻水的流量不再大幅波動(dòng)，正常運(yùn)行期間未發(fā)生備用泵聯(lián)啟現(xiàn)象，后續(xù)在3、4號(hào)機(jī)執(zhí)行同樣的控制手段，系統(tǒng)流量也未出現(xiàn)非預(yù)期的大幅波動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)啟動(dòng)初期，由于水溫上升水中溶解的氣體析出，以及補(bǔ)水過(guò)程排氣不充分，系統(tǒng)內(nèi)部水中會(huì)混合大量氣體，氣體與水混合不均勻時(shí)，會(huì)加劇孔板流量計(jì)測(cè)量流量的波動(dòng)。本文通過(guò)系統(tǒng)啟動(dòng)初期的人為干預(yù)，在充水過(guò)程使用抽真空上水，適當(dāng)提高高位水箱液位并減小水箱壓力，定期手動(dòng)排氣的方式，減少系統(tǒng)內(nèi)部的含氣量，使系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的流量維持在一個(gè)穩(wěn)定的工況。解決了機(jī)組調(diào)試期間出現(xiàn)的問(wèn)題。

[1] 劉政修. 通過(guò)系統(tǒng)改造改善發(fā)電機(jī)定子冷卻水質(zhì)量[J]. 全面腐蝕控制, 2006, 20(3): 45-47.

[2] 閆青松. 孔板流量計(jì)計(jì)量誤差的識(shí)別與對(duì)策[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2009, 36(10): 51-54.

[3] 張一夫, 李維仲. 楔形孔板流量計(jì)內(nèi)多氣泡的運(yùn)動(dòng)行為[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2012, (5): 814-817.

[4] 郭非. 孔板流量計(jì)取壓方式的探討[J]. 石油化工自動(dòng)化, 2011(5):69-71.

[5] 趙齊，牛志娟，楊雪峰.基于CFD的非標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的數(shù)值模擬[J]. 節(jié)能技術(shù), 2015, 33(5)：453-456.

[6] 陳家慶,王波,吳波,初慶東. 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的CFD數(shù)值模擬[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2008(2): 51-55.

[7] 魏士平. 基于FLUENT的孔板流量計(jì)內(nèi)部瓦斯流場(chǎng)的模擬研究[J]. 煤, 2013, 22(6): 15-17.

[8] 韓煒. 管道氣液兩相流動(dòng)技術(shù)研究[D]. 成都:西南石油大學(xué), 2004.

[9] 蘇志東, 黃紅, 周永雄. 某1000MW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)漏氫事件風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中國(guó)電力, 2005, 38(5): 59-62.

[10] 趙朝林.如何判斷層流和湍流[J]. 醫(yī)院物理, 1992, 9(3): 41-43.

[11] 陳恕華. 氣體的溶解度與溫度的關(guān)系[J]. 大學(xué)化學(xué), 1993, 8(4): 54-56.

[12] 李俊菀, 宋敬霞, 曹杰玉, 王紅衛(wèi). 某電廠3號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)堿性富氧運(yùn)行工況評(píng)價(jià)[J]. 腐蝕與防護(hù), 2014(11): 1140-1143.

[13] 付曉泰, 王振平, 盧雙舫. 氣體在水中的溶解機(jī)理及溶解度方程[J]. 中國(guó)科學(xué), 1996(2): 124-130.

[14] 李健, 王賀, 孫金革. 液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置精密計(jì)量的消氣作用與試驗(yàn)比對(duì)[J]. 中國(guó)計(jì)量, 2013(1): 104-105.

[15] 黨媛媛, 韓昌海. 進(jìn)水口漩渦問(wèn)題研究綜述[J] . 水利水電科技進(jìn)展, 2009 (1): 90-94.

Analysis and Treatment on the Flow Fluctuation of generator Stator Cooling Water System

ZHOU Linlin, LU Yang, SHI Gang

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

The generator stator cooling water system ( GST ) of the CPR1000 nuclear power unit is designed with two cooling water pumps, GST101PO and GST 201PO. Normally there is one pump in operation, the other is standby. The flow is measured by a flow meter, low flow 1 will produce standby pump associated start signal, low flow 2 will trigger the generator trip signal, affecting the normal operation of the unit. In this paper, the influence of the air content in the system on flow measurement is simulated and analyzed, and a set of special treatment for the measures of flow fluctuation caused by the gas content is established to solve the problem. The problem of flow fluctuation during the starting of the system is solved.

CPR1000; stator cooling water; orifice flowmeter; flow fluctuation; gas content

TM311

A

1000-3983(2018)05-0070-06

2017-09-01

周林林（1989-），2012年7月畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)從事核電汽輪發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)調(diào)試工作，工程師。