胡文盛

凝結(jié)水主調(diào)閥振蕩分析及設(shè)計優(yōu)化

胡文盛

（福建福清核電有限公司設(shè)備管理處福建 福州，350318）

凝結(jié)水主調(diào)閥振蕩是核電廠凝結(jié)水抽取系統(tǒng)的常見問題，對機組安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生嚴重不良影響。以凝結(jié)水主調(diào)閥系統(tǒng)工藝參數(shù)為研究對象，計算發(fā)現(xiàn)閥門在振蕩區(qū)間的壓差偏大，存在空化現(xiàn)象；振蕩區(qū)間的噪聲較設(shè)計值也明顯偏大。建立CFD流體仿真模型分析計算，結(jié)果表明，在某一特定開度區(qū)間，凝結(jié)水主調(diào)閥的閥芯受力波動明顯，導致閥門產(chǎn)生振蕩。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計特征化打孔閥籠，改善流體和閥芯受力狀態(tài)；增大氣動執(zhí)行機構(gòu)的剛度，提高閥芯抵抗受力變化的能力。閥門改進后動作平穩(wěn)，運行一個循環(huán)后閥內(nèi)件無異常。優(yōu)化措施有效抑制了閥門振蕩問題的發(fā)生，有力保障機組安全穩(wěn)定運行。

凝結(jié)水主調(diào)閥；振蕩；原因分析；流體動力學；設(shè)計優(yōu)化

凝結(jié)水抽取系統(tǒng)（簡稱CEX系統(tǒng)）是核電廠汽輪機熱力循環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)介于汽輪機與低壓給水加熱器之間，主要用于接受汽輪機排汽、冷卻成凝結(jié)水，并將凝結(jié)水送入各級低壓加熱器和除氧器。為調(diào)節(jié)進入除氧器的凝結(jié)水流量，以維持除氧器的水位在正常范圍內(nèi)，CEX系統(tǒng)設(shè)置了一個流量控制站。國內(nèi)核電廠主流設(shè)計包括子母閥分程控制、兩臺主調(diào)閥（一用一備）聯(lián)合一臺旁路副調(diào)閥控制。為避免主調(diào)閥工作在小開度而產(chǎn)生振蕩，某核電廠1～4號機組凝結(jié)水流量控制站設(shè)計上采用子母閥分程控制，并配置了一臺旁路電動蝶閥。主調(diào)閥CEX025VL容量為100%額定流量，副調(diào)閥CEX026VL容量為30%額定流量。根據(jù)除氧器液位、給水流量和凝結(jié)水流量聯(lián)合控制凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥門的開度。機組在8%以下功率運行時，凝結(jié)水主調(diào)閥關(guān)閉，凝結(jié)水副調(diào)閥投運。在8%～100%FP之間運行時，凝結(jié)水主調(diào)閥開啟，副調(diào)閥保持20%開度運行。運行階段當凝結(jié)水主調(diào)閥需要緊急檢修時，通過啟用旁路電動蝶閥CEX011VL進行凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)。

凝結(jié)水主調(diào)閥的可靠性關(guān)系到二回路的供水，出現(xiàn)故障會引發(fā)除氧器水位大幅波動，嚴重時可能導致非計劃停機停堆。凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥振蕩現(xiàn)象在各電廠普遍存在，本文針對某核電廠1號、2號機組凝結(jié)水主調(diào)閥振蕩問題，展開原因分析和設(shè)計優(yōu)化，并通過試驗驗證了變更效果。

1 振蕩現(xiàn)象及其影響

1.1 閥門簡介

某核電廠 1 號、2 號機組凝結(jié)水主調(diào)閥CEX025VL是進口流關(guān)型氣動調(diào)節(jié)閥，配置585C-SIZE 80型雙作用活塞式氣動執(zhí)行機構(gòu)。閥門采用平衡型閥芯、閥籠導向的結(jié)構(gòu)，通過閥芯上下運動改變介質(zhì)流通面積大小來調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量（見圖1）。

圖1 凝結(jié)水主調(diào)閥結(jié)構(gòu)

1.2 振蕩現(xiàn)象

當機組電功率約為700～1 000 MW時，凝結(jié)水主閥的閥桿存在振蕩現(xiàn)象，此時閥門行程約25%～39%，此區(qū)間之外閥門振蕩逐漸減弱消失。

2016年4月，2號機組從滿降功率到845 MW運行后，凝結(jié)水主調(diào)閥開度在36%-43%之間振蕩，凝結(jié)水流量和除氧器進水流量跟隨波動。隨著時間的推移，閥門振蕩惡化，最高可達15%，管網(wǎng)也存在明顯的晃動現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)氣動執(zhí)行機構(gòu)推桿密封漏氣，解體檢修后閥門仍有4%的閥位振蕩。1號機組也存在類似異?，F(xiàn)象（見圖2）。

圖2 凝結(jié)水主調(diào)閥振蕩曲線

1.3 影響分析

由于地區(qū)電網(wǎng)的特殊性，該核電機組頻繁參與調(diào)峰運行，二回路熱工參數(shù)反復(fù)變化，凝結(jié)水主調(diào)閥頻繁在振蕩區(qū)間工作，振蕩現(xiàn)象加劇，成為機組運行的重大隱患，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）影響機組穩(wěn)定運行。故障可能導致主給水泵跳閘，引起機組瞬態(tài)，存在非停風險。

（2）縮短閥門使用壽命。閥門振蕩會造成閥門的運動件磨損、氣缸漏氣竄氣，甚至發(fā)生金屬碰磨卡澀、閥桿銷釘斷裂和閥芯脫落。

（3）引起上下游管線和設(shè)備異常振動。包括凝結(jié)水精處理系統(tǒng)和汽輪機旁排系統(tǒng)的部分閥門、管線一直處于異常振動狀態(tài)。

2 振蕩原因分析

調(diào)節(jié)閥機械振動的兩大表現(xiàn)形式之一是調(diào)節(jié)閥閥芯的振動（表現(xiàn)為閥桿上下振蕩），原因主要是流體經(jīng)過調(diào)節(jié)閥節(jié)流后，前后的壓差急劇變化，介質(zhì)流速的急劇增加，閥芯受力突變，引起閥芯產(chǎn)生振動[1]。可能原因包括氣源壓力波動、控制信號不穩(wěn)定或者填料卡澀，一般通過調(diào)整定位器或其他控制附件可以解決；其他可能原因包括潤滑不足、執(zhí)行機構(gòu)推桿密封失效等[2]。

對凝結(jié)水主調(diào)閥進行FMEA分析，判定要保證調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定在某一開度，必須滿足“閥門性能良好、管路支撐合理、無外部振動源”等三大條件（見圖3）。

圖3 凝結(jié)水主調(diào)閥振蕩故障樹

2.1 故障原因定位

如表1所示，通過逐項分析排除，確認凝結(jié)水主調(diào)閥振蕩的最大可能原因。

表1 原因分析

續(xù)表

2.2 閥門設(shè)計基準審查

通過對基準文件中的系統(tǒng)最差工況下凝結(jié)水主調(diào)閥所需推力、執(zhí)行機構(gòu)輸出能力、執(zhí)行機構(gòu)裕量的審查，確定執(zhí)行機構(gòu)能否滿足閥門需求。

2.2.1 閥門所需推力NT

凝結(jié)水主調(diào)閥的閥口直徑14.75 in，密封線周長46.315 in，根據(jù)CONTROL VALVE SEAT LEAKAGE（ANSI/FCI 70-2—2006），實現(xiàn)Ⅳ級密封必須密封力為80 lb/in，求得密封力為16 490 N。引入摩擦力和不平衡力后閥門所需推力NT為25 242 N（見圖4）。

2.2.2 執(zhí)行機構(gòu)推力T

凝結(jié)水主調(diào)閥執(zhí)行機構(gòu)氣缸效率取0.97，執(zhí)行機構(gòu)推力為

2.2.3 執(zhí)行機構(gòu)裕量

執(zhí)行機構(gòu)裕量的大小反映了執(zhí)行機構(gòu)推力滿足閥門所需推力的程度，氣動閥擁有10%以上的裕量則認為狀態(tài)良好。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，求得凝結(jié)水主調(diào)閥執(zhí)行機構(gòu)的裕量為10.8%，滿足設(shè)計要求。

2.3 流體動力學分析

2.3.1 空化分析

調(diào)節(jié)閥屬于節(jié)流件，帶有一定程度的縮徑，定量的流體經(jīng)過節(jié)流件縮徑處時速度增大、壓力降低，當壓力降至當前溫度下的飽和蒸汽壓以下時，介質(zhì)中就會有蒸汽和溶解在水中的氣體逸出，形成蒸汽與氣體混合的小氣泡，壓力越小，氣泡越多，發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。當介質(zhì)擴展進更大的區(qū)域時，其速度會下降、壓力增加，閥后壓力恢復(fù)到高于液體的飽和蒸汽壓力，氣泡在高壓作用下會迅速凝結(jié)而破裂，在汽泡破裂的瞬間，會產(chǎn)生局部空穴，而高壓水會以極高的速度流向這些氣泡占有的空間，形成沖擊力，并出現(xiàn)噪聲和振動[4]，容易導致閥芯或閥后管道結(jié)構(gòu)損壞（空化現(xiàn)象）。

根據(jù)阻塞流原理可知，達到阻塞流條件就會產(chǎn)生空化，而判斷阻塞流發(fā)生的條件是閥門實際壓差D≥阻塞臨界壓差Dc（見圖5），即

式中：

L——閥門壓力恢復(fù)系數(shù)，根據(jù)凝結(jié)水主調(diào)閥設(shè)計資料，取值0.774；

1——閥前壓力，MPa；

V——對應(yīng)溫度 40℃下凝結(jié)水飽和壓力0.007 4 MPa；

C——熱力學臨界壓力，取值22.4 MPa；

F——臨界壓力比系數(shù)，指液體在入口溫度下的V和液體的臨界壓力C之比的函數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場工藝參數(shù)，綜合考慮高差和管道、管件、低加壓損，估算得到不同電功率下凝結(jié)水主調(diào)閥壓差和阻塞臨界壓差如表2所示。

表2 計算壓差與阻塞臨界壓差

閥門壓差和阻塞臨界壓差的趨勢如圖8所示，可以看出700～845 MW區(qū)間存在空化，845～900 MW區(qū)間介于空化與非空化之間。結(jié)合現(xiàn)場運行實際情況，在閥門振蕩期間可以聽到明顯的碎石聲，與空化現(xiàn)象相符。綜上所述，判斷閥體內(nèi)部發(fā)生空化概率很大（見圖6）。

圖6 閥門壓差趨勢

2.3.2 噪聲計算

噪聲可以表征控制閥內(nèi)流體的穩(wěn)定狀態(tài)。采用德國制造商協(xié)會閥門分會（VDMA）標準，預(yù)估調(diào)節(jié)閥噪聲。對于液體介質(zhì)，在有空化或部分空化工況下（F＞），估算液體聲功率噪聲：

式中：A——噪聲的A加權(quán)聲壓級，dB（A）；

V——控制閥流量系數(shù)，USgal/min；

1——控制閥前絕壓，bar；

V——液體飽和蒸汽絕壓，bar；

——液體密度，kg/cm3；

F——壓力比；

——噪聲特征壓力比系數(shù)；

DP——管壁厚度修正系數(shù)；

DF——液體噪聲計算的閥門修正系數(shù)，標準單座閥為零。

Dm——壓力修正系數(shù)。

在無空化情況下（F≤），估算液體聲功率噪聲：

同時用軟件計算實際工況下的閥門噪聲。兩種方法求得凝結(jié)水主調(diào)閥噪聲如表3所示，可以看出，兩種方法求得凝結(jié)水主調(diào)閥噪聲相當，且凝結(jié)水主調(diào)閥在振蕩區(qū)間內(nèi)噪聲偏大，與設(shè)計要求不符；滿功率下噪音較低，符合設(shè)計要求。

表3 兩種計算方法對應(yīng)的閥門噪聲

2.3.3 流體對閥芯的作用力分析

凝結(jié)水主調(diào)閥通過閥芯的運動來改變流通面積，從而進行流量調(diào)節(jié)，凝結(jié)水作用在閥芯上的力的大小、方向以及力的波動程度與閥位振蕩密切相關(guān)。

凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥在700 MW（約25%開度）時，通過圖7的壓力分布圖、湍流狀態(tài)圖、速度矢量圖和速度分布圖可以看出凝結(jié)水的流動狀態(tài)——水流在閥門進口處的壓力和速度都比較均勻，其流動也比較均勻；當水流通過閥芯與閥籠之間的節(jié)流處時，由于流通面積突然變小，水流壓力減小、流速增大，流體湍流嚴重，并在閥芯底部產(chǎn)生了明顯的漩渦流；在閥門出口位置，由于流通截面積增大，速度又逐漸降低，流動狀態(tài)又趨向均勻[1]。

圖7 CFD流場仿真

根據(jù)上述分析，凝結(jié)水經(jīng)過閥籠節(jié)流后產(chǎn)生劇烈的湍流以及漩渦流主要分布在閥芯底部，從而對閥芯造成擾動。閥芯在流體靜壓和動壓的作用下產(chǎn)生切向力和軸向力。切向力使閥芯轉(zhuǎn)動，軸向力使閥芯上下竄動[1]。

建立模型，對比分析25%和55%開度下凝結(jié)水對閥芯三個方向上作用力。方向為沿閥門流道的水平方向，閥芯軸向定義為方向，垂直于閥門流道的水平方向定義為方向。其分析結(jié)果如圖8所示。

通過上圖可知：當閥門處于25%開度時，流體作用在閥芯上的作用力大幅波動，其中方向波動幅度為540 N，方向可達750 N，方向為630 N；當閥門處于55%開度時，流體作用在閥芯上的作用力相對穩(wěn)定，方向不超過60 N，方向不大于30 N，方向在190 N以內(nèi)。顯然，凝結(jié)水主調(diào)閥在700 MW時閥芯上的各方向的作用力的劇烈波動，而滿功率時振蕩明顯較小。這也是閥門在700 MW時劇烈振蕩、滿功率時運行較小的主要原因。

圖8 不同開度下閥芯軸向力對比

2.4 原因分析結(jié)論

綜合上述分析，凝結(jié)水主調(diào)閥振蕩的根本原因為：凝結(jié)水主調(diào)閥在某一特定開度區(qū)間，凝結(jié)水介于空化與非空化之間，紊流作用強，表現(xiàn)特征為噪聲大。凝結(jié)水流經(jīng)閥門后產(chǎn)生空化、高速流束以及漩渦流，作用在閥芯上的力波動變大，導致閥門發(fā)生振蕩。

該開度區(qū)間為核電機組頻繁參與電網(wǎng)調(diào)峰時凝結(jié)水主調(diào)閥的運行區(qū)間，開度振蕩會加劇氣動執(zhí)行機構(gòu)密封和填料的磨損，降低閥門的抗擾能力，振蕩現(xiàn)象進一步惡化。

3 閥門優(yōu)化設(shè)計

為了穩(wěn)定流體狀態(tài)，避免閥門振蕩，提出如下優(yōu)化方案。

3.1 閥籠結(jié)構(gòu)改進

改造前凝結(jié)水主調(diào)閥的閥籠流道形式為T型窗口，根據(jù)調(diào)節(jié)閥選型手冊，此類閥籠只適用于空化發(fā)生概率較低、前后壓差較低的場合。結(jié)合上述分析，應(yīng)改用具有良好穩(wěn)流作用的節(jié)流元件（閥籠），改善流體的流通狀態(tài)。Cavitrol Ⅲ單級式打孔閥籠可以對流體起到良好的穩(wěn)流作用，改善閥門節(jié)流后的流體流動狀態(tài)（見圖9）。

圖9 改造前后的閥籠

新型閥籠可以有效地消除空化破壞。通過合理地布置閥籠打孔的大小、間距以及排列形式，使得流經(jīng)閥籠的流體速率不致過大，確保壓力保持在汽化壓力之上，減小了流體空化的可能。這些均勻分布在閥籠四壁上的小孔還具有減小流體紊流的作用。以上兩點也有助于減小流體內(nèi)部壓力波動，增大流量。閥門運行過程中，閥芯邊緣和閥籠四周軸對稱分布的小孔協(xié)同將空化性流體分

圖10 單級抗氣蝕閥籠運行狀態(tài)及壓力速度分布

割成小流束，從金屬壁面引到閥體內(nèi)部的空腔中，避免閥體和閥內(nèi)件損傷，流體的空化作用得到控制，閥芯受力狀態(tài)有效改善，從而減小閥門噪聲，避免振蕩問題發(fā)生（見圖10）。

3.2 流量特性優(yōu)化

凝結(jié)水主調(diào)閥最大負荷時的壓差D為1.19 MPa；最小負荷時的2.07 MPa，D隨負荷增大而減小，最大負荷時的D大于20%～200%的最小負荷時的D，最佳固有流量特性應(yīng)選擇線性[5]。為同時滿足現(xiàn)場實際所需閥門流通能力和設(shè)計院要求的閥門理論流通能力需求，根據(jù)設(shè)計和現(xiàn)場實際情況，得出推薦的流量系數(shù)（C），修正固有流量特性曲線。

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的參數(shù)計算出的需求C值如表4所示。

表4 設(shè)計工況下的Cv值

凝結(jié)水主調(diào)閥處于凝結(jié)水泵與除氧器之間，閥前后無壓力表，只能檢測到凝結(jié)水泵出口壓力和除氧器壓力，故通過現(xiàn)場閥門的開度來估算現(xiàn)場需求的C值，如表5所示。

表5 實際工況下的Cv值

原閥門行程（4″）已無法滿足打孔閥籠的流量要求。經(jīng)驗表明，線性調(diào)節(jié)閥的最佳開度范圍為10%～90%（最大開度工廠推薦85%），可以避免開度不足和小開度調(diào)節(jié)性能差的風險。為滿足設(shè)計流量要求，提高閥門工作開度和控制精度，采用下部打孔少、上部多的方式，將閥門行程增大到8″。求得額定C值約為2 239，曲線如下圖所示。

圖11 優(yōu)化后的流量特性曲線

3.3 執(zhí)行機構(gòu)改進

執(zhí)行機構(gòu)剛度是指執(zhí)行機構(gòu)抵抗負荷變化對行程影響的能力，剛度越大，在相同的負荷變化下，氣動推桿位移變化量D越小，閥門越穩(wěn)定，反之亦然。閥門容易振蕩時，應(yīng)提高執(zhí)行機構(gòu)剛度。通過增大氣缸面積，增大執(zhí)行機構(gòu)剛度，與閥籠改進雙管齊下，確保閥門的穩(wěn)定性。

執(zhí)行機構(gòu)剛度計算公式如下：

式中：Dt——不平衡力，N；

D——推桿位移的變化量，mm；

——空氣剛度系數(shù)，通過實際測試得出的經(jīng)驗值；

S——供氣壓力；

atm——大氣壓力14.7 psi。

選用的執(zhí)行機構(gòu)585C size 100/MO是原585C size 80/MO執(zhí)行機構(gòu)的活塞面積的1.5倍，空氣剛度系數(shù)為95（size80的執(zhí)行機構(gòu)為84），剛度增大了約1.1倍，閥門整體的穩(wěn)定性提高。

3.4 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

在采用打孔閥籠的情況下，為滿足設(shè)計額定工況下最大流量的要求，將閥門額定行程提高了一倍，此時原閥體已不滿足行程需求。為避免更換閥體、降低改造成本，同時避免現(xiàn)場切割閥體，減少改造工程量，通過在閥體與閥蓋之間增加間隔環(huán)、中法蘭連接螺栓適配加長的方案提高閥門行程。

4 試驗驗證

該核電廠1號、2號機組目前已完成凝結(jié)水主調(diào)閥設(shè)計優(yōu)化及現(xiàn)場實施。變更后驗證階段，觀測機組整個升功率過程中，閥門在各個功率平臺下的動作和振動情況。結(jié)果表明，1號、2號機組凝結(jié)水主調(diào)閥在各個功率平臺動作平穩(wěn)，無異常振蕩和振動問題，運行狀態(tài)良好，有力確保了設(shè)備可靠性和機組安全（見圖12）。

圖12 2CEX025VL不同開度下的振蕩情況

2號機組凝結(jié)水主調(diào)閥已經(jīng)過18個月的連續(xù)運行考驗，204大修進行閥門解體檢查，閥桿和閥內(nèi)件無異常磨損，在線診斷未發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)存在異常，各部件狀態(tài)良好。

5 結(jié)論

（1）凝結(jié)水主調(diào)閥在某一特定開度區(qū)間，凝結(jié)水介于空化與非空化之間，紊流作用強，噪聲增大。凝結(jié)水流經(jīng)閥門后產(chǎn)生高速流束以及漩渦流，作用在閥芯上的力大幅波動，導致閥門在該開度區(qū)間振蕩。

（2）使用特征化的打孔閥籠，可以有效緩解空化現(xiàn)象發(fā)生，穩(wěn)定流體狀態(tài)，改善閥芯受力，防止閥門產(chǎn)生振蕩。

（3）閥籠采用下部打孔少、上部多的方式，將閥門行程增大一倍，優(yōu)化了流量特性，在滿足設(shè)計和實際流量要求的同時，提高閥門工作開度和控制精度。

（4）提高執(zhí)行機構(gòu)剛度，能夠增大閥門的抗擾能力，進一步避免閥位振蕩問題發(fā)生。

［1］ 王彬．基于流體動力學的控制閥振動分析方案優(yōu)化［J］．通用機械，2020，（Z1），54-57.

［2］ Camilli N., EPRI 1016682 N. Nuclear Maintenance Applications Center: Air-Operated Valve Maintenance Guide: Revision 2［R］．2008.

［3］ 毛彥君，等．調(diào)節(jié)閥異常振動原因分析及處理［J］．閥門，2016，（5）：39-41.

［4］ 鄭昀，等．凝結(jié)水再循環(huán)管道振動原因及減振措施［J］．科技與創(chuàng)新，2014，（21）：6-7.

Oscillation Analysis and Design Optimization of Condensate Main Control Valve

HU Wensheng

（Fujian Fuqing Nuclear Power Co.,Ltd, Equipment Department, Fuzhou of Fujian Prov. 350318, China）

The oscillation of condensate main control valve is a common problem in condensate extraction system of nuclear power plant, which has serious adverse effect on the safety and stability of the unit. Take the actual operating parameters of the valve as the object of study, it is found that the pressure difference of the valve in the oscillation section is too large, and the noise in the oscillation section is obviously larger than the design value. Based on the analysis and calculation of CFD fluid simulation model, the results show that the main condensate control valve fluctuates obviously under a certain opening range, which leads to the oscillation of the valve. On this basis, the characteristic perforated valve cage is designed to improve the fluid state and the force applied to the valve plug, which increase the stiffness of pneumatic actuator and improve the ability of valve plug to resist the change of force. The condensate main control valve runs smoothly after the design improvement, and no abnormal problem is found inside of the valve trims after running a cycle. The optimization measures can effectively restrain the occurrence of valve oscillation and ensure the safe and stable operation of the unit.

Condensate main control valve；Oscillation；Cause analysis；Fluid dynamics；Design optimization

TL334

A

0258-0918（2022）02-0427-09

2020-12-12

胡文盛（1987—），男，福建龍巖人，高級工程師，學士，主要從事核電設(shè)備管理技術(shù)研究。