山东核电有限公司 265116
摘要：国内某核电厂在大修期间对汽水分离再热器系统的疏水阀进行解体检修时发现部分阀体内壁存在冲刷痕迹，同时伴有不同程度的减薄现象。上述腐蚀情况在历次大修中也有发现，随着运行时间的推移日趋严重。阀体材质均为WCB，类型为气动套筒调节阀。本文主要分析某核电疏水排气系统紧急疏水阀控制分析与优化
关键词：汽轮机；紧急疏水阀；控制；液位；优化
引言
某核电疏水排气系统（以下简称HDS）主要在凝结水系统、主给水系统以及汽水分离系统、再热器系统间传输疏水，与凝结水系统及主蒸汽系统配合达到防止汽轮机进水和提高汽轮机热效率的目的。HDS疏水分为汽水再热分离器疏水、高压加热器疏水和低压加热器疏水三部分，每个加热器及疏水箱的输水管道上都有一条直接与凝汽器相连的紧急疏水管道，该管道具备快速疏水能力，单台机组共有24个同类型的紧急疏水阀。汽轮机正常功率运行情况下疏水逐级流入下级加热器再利用，降低汽轮机热量的损失，异常情况下疏水可以由紧急疏水管道直接流入凝汽器，以防止加热器或者疏水箱满水流入汽轮机，对汽轮机叶片等设备造成损害。
1、技术背景
1.1控制原理
从电厂启动开始，HDS即自动控制给水加热器和疏水箱的水位。加热器液位由3个液位变送器中选实时测量液位，加热器疏水包括一条直接与凝汽器相连的紧急疏水管道和一条逐级自流到下级加热器的疏水管路，机组运行期间加热器疏水器通过正常疏水阀控制逐级自流到下级疏水器，当疏水不畅导致疏水液位高时，紧急疏水阀动作以维持液位在设定值范围。疏水器液位的控制逻辑是基于Ovation平台实现的，液位控制范围设计为-200mm～+1100mm，正常疏水阀（NWL）的控制定值为0mm，紧急疏水阀的控制定值为+100mm，高液位（HWL）的设定值为+150mm。当达到高液位定值后会联锁上游疏水阀关闭使加热器隔离，同时联锁到疏水器的抽汽逆止阀关闭停止抽汽，高高（HHWL）液位定值为+900mm；当达到高高液位定值后会进一步联锁关闭抽汽电动截止阀，防止疏水器中的水进入汽轮机，对汽轮机造成损害。
1.2原因分析
查看设计文件，里面对正常疏水和紧急疏水阀控制有很明确的定义。正常疏水和紧急疏水控制阀定值分级设置目的就是紧急疏水阀只有在正常疏水阀全开达到最大疏水能力后，紧急疏水阀才会起作用，而目前现场高加正常疏水阀在中间开度调节时，紧急疏水阀却在频繁的波动，这种情况是不符合设计文件要求的。根据逻辑配置紧急疏水阀的指令受高加液位值控制，调取7号高加疏水器液位的历史数据，发现液位长期在±16mm左右波动，液位的波动经过PID运算后会使紧急疏水阀指令在95.9%～100%（对应阀位为0%～4.1%）之间波动，因此导致阀门频繁动作的原因可能有两方面：其一，疏水器正常疏水阀PID参数配置不合适导致；其二，紧急疏水阀自身PID参数设置不合理导致。为确认其根本原因，在机组正常运行期间对高加正常疏水阀PID参数进行调整，进行小幅调整后观察发现高加疏水器液位波动与之前相比无明显变化，紧急疏水阀指令仍在96.1%～100%（对应阀位在0%～3.9%）之间频繁不动，趋势图如图5所示。另外，高加疏水器液位的波动相比其他高加疏水器液位波动稍大，但是该液位波动经过机组甩负荷、阶跃降功率等验证性试验能够满足机组设计要求，故排除正常疏水阀PID参数配置不合适的原因导致紧急疏水阀频繁动作。继续检查紧急疏水阀逻辑参数，确认PID算法中存在HardInhibitBehavior一项参数配置为Disabled，在西门子、施耐德PLC的PID算法都没有这个参数，只有Ovation的PID算法里面有这个参数配置，该参数的解释如下：配置为Enabled时，当PID输出达到输出限值时会维持在输出限值不变，只有当输入偏差反向后，阀门输出才会相应改变；配置为Disabled，当PID输出达到输出限值时，只要偏差的变化方向是使PID离开限值位置，阀门输出就会改变，也就是说液位快速从0mm涨到10mm时，即使离设定值100mm还有比较远的距离，但阀门也会小幅打开，故确认紧急疏水阀波动的原因为紧急疏水阀逻辑参数配置不合适。
2、优化与可行性分析
2.1对于疏水阀的失效分析
主要可以从阀门选型、运行工况和设计安装三个方面进行。 对防水剂阀体内部的冲蚀形态进行了宏观分析，发现根据冲蚀的严重程度和冲蚀的类型，阀门阀体内部的冲蚀情况大致可分为三类:冲蚀初期对冲蚀槽和浅坑、阀门运行的影响程度小。 阀体冲蚀后期冲蚀坑有可能导致阀体穿孔。 车身内面有FAC侵蚀，没有发现车身有明显的减薄倾向。 对车身材质的分析，检测各元素的含量后发现，所有元素基本满足ASTMA216-WCB的要求。 当饱和冷凝水通过回水弯管时，压力下降导致相对于压力的饱和温度下降，冷凝水释放热量，部分冷凝水吸收其蒸发潜热，闪蒸成该压力下的饱和蒸汽。 闪蒸与等焓过程近似，压降越大，闪蒸量越大，截留压差越大，饱和冷凝水的闪蒸效果越明显。 同样质量的饱和蒸汽体积是饱和水体积的数百倍至数千倍，由于在狭窄的阀体内介质体积急剧膨胀，介质流速将迅速增大。 气液两相流体以极高的速度撞击阀体，是阀体材料变薄穿孔的直接原因。 另外一方面，由于阀体材料成分Cr含量低、材料硬度低，在表2的机械性能分析结果部位的拉伸( MPa )、屈服( % )、收缩( % )、HB阀体( WCB ) 5453922655161这样的高流速下，该硬度材料的耐冲刷 另外，由于阀体材质为WCB铸钢，因此在表面形成氧化膜而发生闪光，介质成为高流速的气液两相流，在被该介质冲洗而在材料表面刚形成氧化物粒子之后被冲走，形成连续的保护氧化膜，阀体的薄化也被加速。
2.2疏水器的故障检查
疏水阀常见的故障检测方法有:1)用阀后窥镜观察疏水阀的工作情况，供水状态下长时间看不到排放可能会导致疏水阀堵塞，通汽状态下阀后可能会发生流动、雾等现象。 2 )根据阀后温度计表的实时数据变化判断，供水状态下阀后温度变化不大的话，回水弯管有可能发生堵塞，蒸汽流通状态下阀后温度增加的话，回水弯管有可能发生泄漏。 )用超声波检测器判断，如果探针接触阀体，在供水的状态下声音强度没有任何变化，则回水弯管有可能发生堵塞，在蒸汽流通的状态下声音强度变大，伴随“吱”声，则回水弯管有可能发生泄漏。 检查员应在充分了解不同疏水器类型和工作特性的基础上，结合三种检测方法综合研究疏水器故障。
2.3疏水器的故障预防
在设计制造方面，预防工作如下:疏水器进入口腔，网孔≤1mm，流通面积≥1.5倍，防止堵塞。 浮子式等无排气能力的回水弯管需要加装自动排气装置以防止空气堵塞。 杆浮球式、倒吊桶式疏水器内部的浮球或吊桶的连接件必须具备足够的强度，保证开闭动作的灵活性。 疏水阀内部零件采用不锈钢、钛合金等材料，必须提高内部零件的耐腐蚀性，阀门和阀座必须能够准确定位密封件，圆度和表面粗糙度等应满足设计要求。 进行适当的热处理和表面硬化处理，可以提高密封面的耐侵蚀性和耐磨损性。 在维护方面，预防工作如下:新的捕集设备运行前必须清洗，系统启动时必须预热，系统停止时必须及时排除内部工作介质，减少冷凝水的残留，减轻腐蚀。 应安排专人负责疏水器的管理和维护，发现疏水器蒸汽泄漏故障，及时更换内件，如无效果应直接更换整个疏水器，发现堵塞故障，及时查清原因，定期清理滤油器堵塞物 定期开展全厂疏水阀巡检，主要疏水点应增加巡检频率，并每年至少开展2次疏水阀检修。 建立全厂陷阱文件，及时记录陷阱故障情况和检查情况。
结束语
本文以某核电高加紧急疏水阀频繁波动问题为研究对象，提出针对此问题的解决方案，并经仿真和调试验证通过此次优化能有效解决紧急疏水阀频繁波动的问题，避免因阀门的频繁波动导致阀门损坏事件发生，进而影响汽轮机的热效率和产生汽轮机进水的风险，因此该优化方案能提高整个电厂的经济效益，保证机组的安全稳定运行；同时，该优化方案可以应用到该机组其他23个紧急疏水阀的控制逻辑上面，另外也为其他电厂解决紧急疏水阀频繁波动问题提供借鉴，具有广泛的应用价值。
参考文献
[1]张国军.电站汽水系统流动加速腐蚀机理及对策研究[D].华北电力大学.2014.
[2]张桂英,顾宇.核电站汽水管道流动加速腐蚀的影响因素分析及对策[J].动力工程学报,2012,02:46-47.
[3]李汉.怎样避免蒸汽疏水阀失效[J].化工设计,2004,14:24-25.
[4]虞戈.高温闪蒸工况角式调节阀的研究[D].兰州理工大学.2016.
[5]施红辉.物体高速出水过程中的空化气液两相流流型研究[J].中国科学院大学学报.2016,2:142-143.