基于TWL-45S型汽动泵超速试验方法优化的探讨

□肖 骥 刘建光 詹华德

2017～2018年间为解决克莱德汽动泵二级叶轮长期运行后叶片产生裂纹的问题，国内近十家核电运营单位对所辖的汽辅泵进行了全面的检查和升级改造，并进行了一系列的性能试验进行验证，确保升级后的设备能够继续满足原设计功能的要求。其中某电厂在大修期间进行试验过程中，发生了转子卡死、叶轮烧毁的故障。事后经分析是由于超速试验过程中，泵内部严重缺水，平衡活塞受损，引起轴向力失衡，最终导致了事件的发生。本文参考这个案例，对克莱德TWL-45S这型泵的超速试验进行剖析，分析出风险点，并提出相应的改进建议。

一、调速简介

(一)调速原理简介。汽辅泵蒸汽流量与给水之间的调节关系如下：泵启动后，蒸汽驱动给水泵汽轮机形成相应流量和压力的辅助给水，从泵壳和泵出口文丘里管喉部两个位置引出介质到压差调节器的两端。通过二者之间的压差及弹簧力等，驱动压差调节器内活塞上下运动，实现对汽轮机调节阀开度的调节，以控制蒸汽输入量，最终实现转速自动调节。

泵刚启动时调节阀由于弹簧力作用，处于全开状态，泵以最大功率加速。当泵建立起流量后，泵壳处压力最先上升，活塞克服弹簧力向下运动，通过杠杆先关小调节阀，避免转速继续上升。然后是泵出口管道压力开始建立，文丘里管处压力上升后，形成一个向上的反推力，抵消一部分来自泵出口引入到活塞上方的推力，避免调节阀关闭过小。另外调节阀的阀芯因上下面积差，本身还有一个向下的推力，打开调节阀。四个力通过杠杆相互作用。

当Ps*A3*L1=(Pd*A1-Pt*A2-Ft)*L2时，达到平衡关系，此时调节阀开度保持不变，蒸汽输入的功率与泵的输出功率维持平衡，转速恒定，输出的流量和压力也恒定。

当Ps*A3*L1>(Pd*A1-Pt*A2-Ft)*L2时，活塞向上运动，进汽调节阀开度增大，输入功率增加。

当Ps*A3*L1<(Pd*A1-Pt*A2-Ft)*L2时，活塞向下运动，进汽调节阀开度减小，输入功率减少。

由于Ps、L1和L2、A1和A2都不会变化，所以当输入蒸汽压力不变时，实际上是Pd、Pt、Ft的变化引起调节阀开度的变化，即压差值△P发生变化。

因此泵侧不同的出口压力条件下，对应了不同的阀门开度，不同的功率输入。

注：L1、L2分别为对支点O的力臂；

Ft为弹簧恢复力，Ft=k△x,其中k为弹性系数，△x为压缩量。

Pd为来自泵壳处的压力，A1为活塞上部面积。

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Pt为来自文丘里管喉部的压力，A2为活塞下部面积。

Ps为蒸汽压力，A3为调节阀阀杆截面积。

△P为Pd-Pt的压差。

根据该泵的特性曲线，在蒸汽压力一定的情况下，随着泵侧流量的增加，扬程迅速下降，转速也加速下降，功率减小。反映到汽轮机上是△P变大，弹簧被压缩，即调节阀开度变小。

(二)超速原理和方法。通过以上的调速原理，就可以通过改变相应的条件，破坏力系的平衡，使调节阀开度比正常情况下变大，来实现超速目的。由于杠杆长度和活塞面积、阀杆截面积都是恒定的，那剩下可以改变的条件有四个：一是降低活塞上部的压力，即改变活塞上下部压差△P；二是增加蒸汽的进气压力Ps，增大输入功率；三是增大弹簧恢复力；四是在外部施加一个额外的力，开大调节阀。另外还有一个方式是在原有力系平衡的基础上，改变运行工况，减小泵的负荷，使泵轴输入功率远大于叶轮的输出功率，此时转子加速运转，可实现转子超速。下文对五个方式的可行性和利弊进行分析。

(1)降低活塞上部压力，使△P变小。此时弹簧推力Ft大于活塞压差力Pd*A1-Pt*A2，被压缩的弹簧逐渐恢复，△x减小，Ft相应减小。活塞向上运动，调节阀打开增加蒸汽量，转速上升。

根据以上原理，可以在泵出口到差压调节器活塞上部的管道中间，增加泄压调节阀，逐步关小该阀，使活塞上方的压力减小，实现超速。为了避免误动，需在超速试验完成后将阀打开，行政上锁。

存在的风险：将差压调节器上部的管道压力减小时，对活塞向上部运动的影响大小还不清楚，需要进行验证，避免关闭过小或过快时，活塞行程突然过量，对设备零部件造成冲击等不利影响。需在该调节阀上游安装一个隔离阀，防止调节阀出现内漏，影响正常的调节功能。由于涉及到对设备的设计变更，考虑到该设备的核安全属性，因此不推荐采用该方式。

(2)增加蒸汽进气压力。阀芯由于面积差本身向外的推力会随着蒸汽压力增加而增大，有利于进汽调节阀开度增大。同时汽动泵的特点是蒸汽压力越大，输入功率越大，泵的流量、压力也同时增大，转速也会更高。但由于二回路的蒸汽压力最高也不超过7.5MPa，且调速机构已经设定了运行时的最高转速，因此无法超速。但是可以确定蒸汽压力越高，输入功率越大，越容易超速。因此得出一个结论：超速试验时，蒸汽压力越高越好。

(3)增加弹簧力。该方案要调节差压调节器底部的调节螺母，会改变原来的转速设置，且操作过程时间长，不能立即恢复，出于安全和便利性考虑，实际上不可行。

(4)增加一个额外的作用力，加大蒸汽调节阀开度。在靠近差压调节器一侧，杠杆处施加一个向上的力，使汽轮机进汽调节阀快速打开。该方案简单易行，没有对汽轮机做实质性改变，释放该力后，汽轮机力系可以自行立即恢复平衡。据了解英国厂家已使用过此种操作。某核电204大修也已试验过该方法，切实高效，一般只需1～2分钟即可完成超速，且整个过程转速上升平稳、可控，无需外接轴承供水。

存在的问题：如泵的流量太大，可能存在当进汽调节阀开到最大位置时，输入功率不足，转速无法上升到超速设定值。

(5)改变运行工况，减小负荷，进行超速(目前普遍采用的方式)。关小入口阀，使进入泵内水量减少，叶轮的传递给液体的能量减少。使用汽动泵的转速自动调节功能保持蒸汽调节阀开启，在输入的轴功率几乎不变的情况下，转子不断加速，最终实现超速。超速试验的蒸汽压力大于2MPa，这是克莱德厂家供货时提供给用户的超速方法。

存在的风险：关闭入口阀，由于进水量不足，叶轮出现汽蚀现象，叶片会受损。如操作不当，泵内部出现失水，可导致转子轴向力失衡而损坏。试验过程时间很长，关开阀门的前后接近半个小时，试验人员需要承受很大的心理压力。调节阀的阀杆有盘根密封，如果阀杆因密封过紧或润滑不良，会存在一定的卡涩、动作不灵活情况，这样将影响差压调节器的自动调节性能，不能及时的跟随泵的△P变化实时进行自动调节。因此可能造成泵入口阀过度关小，进水量过度少而增大泵损坏的风险。

存在的问题：进行超速前和超速后，需反复隔离泵，进行外接轴承供水水源和拆除外接水源的操作，由此产生了两次“不可运行性”事件，不利于维持高水平的安全性。

通过以上分析可以确定目前采用的最后一种超速方式是不可取的，存在设备损坏的巨大风险和人因失误风险，有必要对现行的超速方案进行优化。

(三)各电厂超速试验的方法和情况。根据之前调研的结果，目前中国核电下属电厂均采用小流量循环的工况下，关闭泵出口阀方法，进行超速试验。广核各电厂则采用的是全流量工况下，打开泵出口阀方法，进行超速试验。二者都需要同时配合关小泵的入口阀，减少进水，降低负载，实现超速。试验规程中进行超速试验的蒸汽压力条件：大于2MPa。

二、建议方案及措施

根据以上理论分析及试验实测得到的数据，建议各电厂进行TWL-45S汽辅泵超速试验时，做如下优化。

(一)修改试验规则中蒸汽进气压力标准。蒸汽压力越大，越容易实现超速，原来的超速试验的前提条件各电厂均规定为蒸发器二次侧压力大于2MPa，经过实践证明不能满足超速试验要求，风险极大。现建议统一将标准修改为7MPa及以上。使用7MPa.g是因为核电厂蒸汽母管压力一般最大也只在7.5MPa.g以内，已经接近上限，考虑到有一定偏差，选用7.0MPa.g。

(二)采用小流量工况进行超速。泵侧压力越大，△P越小，有利于活塞向上运动，调节阀开度增大，输入功率增加，有利于转速增加，更容易实现超速。

(三)改变超速试验方法。使用外力，在靠近差压调节器一侧，杠杆处缓慢施加一个向上的力，使汽轮机进汽调节阀开度增加，增大输入功率。

(四)在不关闭泵入口阀的情况下进行超速试验。如无法达到超速转速，再考虑逐渐关小泵入口阀，控制好保证设备安全的进水量，减少泵损坏的风险。由于泵有足够的扬程和流量给轴承供水，不需要接外部水源，从根本上避免因外接轴承供水而产生计划内“不可运行性”事件。

(五)试验前检查。进行超速试验前，一定要有对调节阀阀杆盘根处的检查，防止调节系统卡涩、动作不灵活。年度检查的预防性维修中必须要有脱扣螺栓回弹性动作检查、手动打闸装置动作检查，只有灵活、顺畅的情况下，才能开展试验。

三、结语

超速试验是转动设备运行时的一个特殊工况，具有较大的危害。比如TWL-45S泵原来的旧型叶轮产生裂纹原因很大程度是来自超速试验的贡献。目前国内该泵的超速试验，试验方式均采用关小入口阀、汽蚀的方法，给设备造成很大的伤害。部分电厂的超速试验周期较短，对设备的危害就更大，长此以往可靠性和经济性都会出现下降。对超速试验方法进行改进迫在眉睫，以上建议看似只是一个很小的优化，却对设备的保护非常有利，投入低，节约大量维修成本，很大程度减小了人因失误的风险，提高了设备可靠性，潜力巨大，值得应用。