□肖 驥 劉建光 詹華德

2017～2018年間為解決克萊德汽動泵二級葉輪長期運(yùn)行后葉片產(chǎn)生裂紋的問題，國內(nèi)近十家核電運(yùn)營單位對所轄的汽輔泵進(jìn)行了全面的檢查和升級改造，并進(jìn)行了一系列的性能試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，確保升級后的設(shè)備能夠繼續(xù)滿足原設(shè)計(jì)功能的要求。其中某電廠在大修期間進(jìn)行試驗(yàn)過程中，發(fā)生了轉(zhuǎn)子卡死、葉輪燒毀的故障。事后經(jīng)分析是由于超速試驗(yàn)過程中，泵內(nèi)部嚴(yán)重缺水，平衡活塞受損，引起軸向力失衡，最終導(dǎo)致了事件的發(fā)生。本文參考這個案例，對克萊德TWL-45S這型泵的超速試驗(yàn)進(jìn)行剖析，分析出風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

一、調(diào)速簡介

(一)調(diào)速原理簡介。汽輔泵蒸汽流量與給水之間的調(diào)節(jié)關(guān)系如下：泵啟動后，蒸汽驅(qū)動給水泵汽輪機(jī)形成相應(yīng)流量和壓力的輔助給水，從泵殼和泵出口文丘里管喉部兩個位置引出介質(zhì)到壓差調(diào)節(jié)器的兩端。通過二者之間的壓差及彈簧力等，驅(qū)動壓差調(diào)節(jié)器內(nèi)活塞上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)，以控制蒸汽輸入量，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)。

泵剛啟動時調(diào)節(jié)閥由于彈簧力作用，處于全開狀態(tài)，泵以最大功率加速。當(dāng)泵建立起流量后，泵殼處壓力最先上升，活塞克服彈簧力向下運(yùn)動，通過杠桿先關(guān)小調(diào)節(jié)閥，避免轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。然后是泵出口管道壓力開始建立，文丘里管處壓力上升后，形成一個向上的反推力，抵消一部分來自泵出口引入到活塞上方的推力，避免調(diào)節(jié)閥關(guān)閉過小。另外調(diào)節(jié)閥的閥芯因上下面積差，本身還有一個向下的推力，打開調(diào)節(jié)閥。四個力通過杠桿相互作用。

當(dāng)Ps*A3*L1=(Pd*A1-Pt*A2-Ft)*L2時，達(dá)到平衡關(guān)系，此時調(diào)節(jié)閥開度保持不變，蒸汽輸入的功率與泵的輸出功率維持平衡，轉(zhuǎn)速恒定，輸出的流量和壓力也恒定。

當(dāng)Ps*A3*L1>(Pd*A1-Pt*A2-Ft)*L2時，活塞向上運(yùn)動，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度增大，輸入功率增加。

當(dāng)Ps*A3*L1<(Pd*A1-Pt*A2-Ft)*L2時，活塞向下運(yùn)動，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度減小，輸入功率減少。

由于Ps、L1和L2、A1和A2都不會變化，所以當(dāng)輸入蒸汽壓力不變時，實(shí)際上是Pd、Pt、Ft的變化引起調(diào)節(jié)閥開度的變化，即壓差值△P發(fā)生變化。

因此泵側(cè)不同的出口壓力條件下，對應(yīng)了不同的閥門開度，不同的功率輸入。

注：L1、L2分別為對支點(diǎn)O的力臂；

Ft為彈簧恢復(fù)力，F(xiàn)t=k△x,其中k為彈性系數(shù)，△x為壓縮量。

Pd為來自泵殼處的壓力，A1為活塞上部面積。

在高中歷史教學(xué)中，史料教學(xué)是非常重要的，為了順利運(yùn)用史料進(jìn)行教學(xué)，就需要借助先進(jìn)的教學(xué)手段創(chuàng)設(shè)合理的學(xué)習(xí)情境。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，教學(xué)手段也越來越多，在歷史教學(xué)中經(jīng)常運(yùn)用投影儀、多媒體等設(shè)施進(jìn)行輔助教學(xué)。歷史史料能夠通過先進(jìn)的教學(xué)手段充分展現(xiàn)在學(xué)生的面前，通過生動形象的史料激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在理解史料知識時將更加容易。歷史情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)該與教學(xué)內(nèi)容相符合，引導(dǎo)學(xué)生融入歷史環(huán)境中，從而拓展學(xué)生的視野，提高學(xué)生的思維能力。

Pt為來自文丘里管喉部的壓力，A2為活塞下部面積。

Ps為蒸汽壓力，A3為調(diào)節(jié)閥閥桿截面積。

△P為Pd-Pt的壓差。

根據(jù)該泵的特性曲線，在蒸汽壓力一定的情況下，隨著泵側(cè)流量的增加，揚(yáng)程迅速下降，轉(zhuǎn)速也加速下降，功率減小。反映到汽輪機(jī)上是△P變大，彈簧被壓縮，即調(diào)節(jié)閥開度變小。

(二)超速原理和方法。通過以上的調(diào)速原理，就可以通過改變相應(yīng)的條件，破壞力系的平衡，使調(diào)節(jié)閥開度比正常情況下變大，來實(shí)現(xiàn)超速目的。由于杠桿長度和活塞面積、閥桿截面積都是恒定的，那剩下可以改變的條件有四個：一是降低活塞上部的壓力，即改變活塞上下部壓差△P；二是增加蒸汽的進(jìn)氣壓力Ps，增大輸入功率；三是增大彈簧恢復(fù)力；四是在外部施加一個額外的力，開大調(diào)節(jié)閥。另外還有一個方式是在原有力系平衡的基礎(chǔ)上，改變運(yùn)行工況，減小泵的負(fù)荷，使泵軸輸入功率遠(yuǎn)大于葉輪的輸出功率，此時轉(zhuǎn)子加速運(yùn)轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子超速。下文對五個方式的可行性和利弊進(jìn)行分析。

(1)降低活塞上部壓力，使△P變小。此時彈簧推力Ft大于活塞壓差力Pd*A1-Pt*A2，被壓縮的彈簧逐漸恢復(fù)，△x減小，F(xiàn)t相應(yīng)減小?；钊蛏线\(yùn)動，調(diào)節(jié)閥打開增加蒸汽量，轉(zhuǎn)速上升。

根據(jù)以上原理，可以在泵出口到差壓調(diào)節(jié)器活塞上部的管道中間，增加泄壓調(diào)節(jié)閥，逐步關(guān)小該閥，使活塞上方的壓力減小，實(shí)現(xiàn)超速。為了避免誤動，需在超速試驗(yàn)完成后將閥打開，行政上鎖。

存在的風(fēng)險(xiǎn)：將差壓調(diào)節(jié)器上部的管道壓力減小時，對活塞向上部運(yùn)動的影響大小還不清楚，需要進(jìn)行驗(yàn)證，避免關(guān)閉過小或過快時，活塞行程突然過量，對設(shè)備零部件造成沖擊等不利影響。需在該調(diào)節(jié)閥上游安裝一個隔離閥，防止調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)內(nèi)漏，影響正常的調(diào)節(jié)功能。由于涉及到對設(shè)備的設(shè)計(jì)變更，考慮到該設(shè)備的核安全屬性，因此不推薦采用該方式。

(2)增加蒸汽進(jìn)氣壓力。閥芯由于面積差本身向外的推力會隨著蒸汽壓力增加而增大，有利于進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度增大。同時汽動泵的特點(diǎn)是蒸汽壓力越大，輸入功率越大，泵的流量、壓力也同時增大，轉(zhuǎn)速也會更高。但由于二回路的蒸汽壓力最高也不超過7.5MPa，且調(diào)速機(jī)構(gòu)已經(jīng)設(shè)定了運(yùn)行時的最高轉(zhuǎn)速，因此無法超速。但是可以確定蒸汽壓力越高，輸入功率越大，越容易超速。因此得出一個結(jié)論：超速試驗(yàn)時，蒸汽壓力越高越好。

(3)增加彈簧力。該方案要調(diào)節(jié)差壓調(diào)節(jié)器底部的調(diào)節(jié)螺母，會改變原來的轉(zhuǎn)速設(shè)置，且操作過程時間長，不能立即恢復(fù)，出于安全和便利性考慮，實(shí)際上不可行。

(4)增加一個額外的作用力，加大蒸汽調(diào)節(jié)閥開度。在靠近差壓調(diào)節(jié)器一側(cè)，杠桿處施加一個向上的力，使汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥快速打開。該方案簡單易行，沒有對汽輪機(jī)做實(shí)質(zhì)性改變，釋放該力后，汽輪機(jī)力系可以自行立即恢復(fù)平衡。據(jù)了解英國廠家已使用過此種操作。某核電204大修也已試驗(yàn)過該方法，切實(shí)高效，一般只需1～2分鐘即可完成超速，且整個過程轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)、可控，無需外接軸承供水。

存在的問題：如泵的流量太大，可能存在當(dāng)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開到最大位置時，輸入功率不足，轉(zhuǎn)速無法上升到超速設(shè)定值。

(5)改變運(yùn)行工況，減小負(fù)荷，進(jìn)行超速(目前普遍采用的方式)。關(guān)小入口閥，使進(jìn)入泵內(nèi)水量減少，葉輪的傳遞給液體的能量減少。使用汽動泵的轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)功能保持蒸汽調(diào)節(jié)閥開啟，在輸入的軸功率幾乎不變的情況下，轉(zhuǎn)子不斷加速，最終實(shí)現(xiàn)超速。超速試驗(yàn)的蒸汽壓力大于2MPa，這是克萊德廠家供貨時提供給用戶的超速方法。

存在的風(fēng)險(xiǎn)：關(guān)閉入口閥，由于進(jìn)水量不足，葉輪出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，葉片會受損。如操作不當(dāng)，泵內(nèi)部出現(xiàn)失水，可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸向力失衡而損壞。試驗(yàn)過程時間很長，關(guān)開閥門的前后接近半個小時，試驗(yàn)人員需要承受很大的心理壓力。調(diào)節(jié)閥的閥桿有盤根密封，如果閥桿因密封過緊或潤滑不良，會存在一定的卡澀、動作不靈活情況，這樣將影響差壓調(diào)節(jié)器的自動調(diào)節(jié)性能，不能及時的跟隨泵的△P變化實(shí)時進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。因此可能造成泵入口閥過度關(guān)小，進(jìn)水量過度少而增大泵損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

存在的問題：進(jìn)行超速前和超速后，需反復(fù)隔離泵，進(jìn)行外接軸承供水水源和拆除外接水源的操作，由此產(chǎn)生了兩次“不可運(yùn)行性”事件，不利于維持高水平的安全性。

通過以上分析可以確定目前采用的最后一種超速方式是不可取的，存在設(shè)備損壞的巨大風(fēng)險(xiǎn)和人因失誤風(fēng)險(xiǎn)，有必要對現(xiàn)行的超速方案進(jìn)行優(yōu)化。

(三)各電廠超速試驗(yàn)的方法和情況。根據(jù)之前調(diào)研的結(jié)果，目前中國核電下屬電廠均采用小流量循環(huán)的工況下，關(guān)閉泵出口閥方法，進(jìn)行超速試驗(yàn)。廣核各電廠則采用的是全流量工況下，打開泵出口閥方法，進(jìn)行超速試驗(yàn)。二者都需要同時配合關(guān)小泵的入口閥，減少進(jìn)水，降低負(fù)載，實(shí)現(xiàn)超速。試驗(yàn)規(guī)程中進(jìn)行超速試驗(yàn)的蒸汽壓力條件：大于2MPa。

二、建議方案及措施

根據(jù)以上理論分析及試驗(yàn)實(shí)測得到的數(shù)據(jù)，建議各電廠進(jìn)行TWL-45S汽輔泵超速試驗(yàn)時，做如下優(yōu)化。

(一)修改試驗(yàn)規(guī)則中蒸汽進(jìn)氣壓力標(biāo)準(zhǔn)。蒸汽壓力越大，越容易實(shí)現(xiàn)超速，原來的超速試驗(yàn)的前提條件各電廠均規(guī)定為蒸發(fā)器二次側(cè)壓力大于2MPa，經(jīng)過實(shí)踐證明不能滿足超速試驗(yàn)要求，風(fēng)險(xiǎn)極大?，F(xiàn)建議統(tǒng)一將標(biāo)準(zhǔn)修改為7MPa及以上。使用7MPa.g是因?yàn)楹穗姀S蒸汽母管壓力一般最大也只在7.5MPa.g以內(nèi)，已經(jīng)接近上限，考慮到有一定偏差，選用7.0MPa.g。

(二)采用小流量工況進(jìn)行超速。泵側(cè)壓力越大，△P越小，有利于活塞向上運(yùn)動，調(diào)節(jié)閥開度增大，輸入功率增加，有利于轉(zhuǎn)速增加，更容易實(shí)現(xiàn)超速。

(三)改變超速試驗(yàn)方法。使用外力，在靠近差壓調(diào)節(jié)器一側(cè)，杠桿處緩慢施加一個向上的力，使汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度增加，增大輸入功率。

(四)在不關(guān)閉泵入口閥的情況下進(jìn)行超速試驗(yàn)。如無法達(dá)到超速轉(zhuǎn)速，再考慮逐漸關(guān)小泵入口閥，控制好保證設(shè)備安全的進(jìn)水量，減少泵損壞的風(fēng)險(xiǎn)。由于泵有足夠的揚(yáng)程和流量給軸承供水，不需要接外部水源，從根本上避免因外接軸承供水而產(chǎn)生計(jì)劃內(nèi)“不可運(yùn)行性”事件。

(五)試驗(yàn)前檢查。進(jìn)行超速試驗(yàn)前，一定要有對調(diào)節(jié)閥閥桿盤根處的檢查，防止調(diào)節(jié)系統(tǒng)卡澀、動作不靈活。年度檢查的預(yù)防性維修中必須要有脫扣螺栓回彈性動作檢查、手動打閘裝置動作檢查，只有靈活、順暢的情況下，才能開展試驗(yàn)。

三、結(jié)語

超速試驗(yàn)是轉(zhuǎn)動設(shè)備運(yùn)行時的一個特殊工況，具有較大的危害。比如TWL-45S泵原來的舊型葉輪產(chǎn)生裂紋原因很大程度是來自超速試驗(yàn)的貢獻(xiàn)。目前國內(nèi)該泵的超速試驗(yàn)，試驗(yàn)方式均采用關(guān)小入口閥、汽蝕的方法，給設(shè)備造成很大的傷害。部分電廠的超速試驗(yàn)周期較短，對設(shè)備的危害就更大，長此以往可靠性和經(jīng)濟(jì)性都會出現(xiàn)下降。對超速試驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)迫在眉睫，以上建議看似只是一個很小的優(yōu)化，卻對設(shè)備的保護(hù)非常有利，投入低，節(jié)約大量維修成本，很大程度減小了人因失誤的風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備可靠性，潛力巨大，值得應(yīng)用。