辅助给水调节阀振荡现象分析优化

王 瑜，李 基，邹 霆

（中国中原对外工程有限公司，北京 100044）

0 引言

“华龙”机组是我国自主研发的三代核电机组，其辅助给水系统（TFA）属于专设安全系统，在机组主系统启动升温阶段、热停堆工况和建立汽腔前为蒸发器提供“冷源”。国产研发的气动套筒调节阀得到了广泛应用，为系统提供闭环调节控制。其中TFA 系统闭环调节阀（简称TFA 调节阀）通过蒸发器液位闭环控制其开度，属于“关键核心”控制设备，其调节的准确性、稳定性直接影响机组启动和安全。在调试期间，TFA调节阀均出现了不同程度的振荡现象，引起蒸发器流量剧烈波动、调节阀后管道振动和吊架松动等现场。针对闭环调节阀的振荡现象，运用系统分析和理论计算的方法，确定阀门振荡的根本原因，分析其产生机理及其对下游管道、孔板影响，进而提出优化、改进措施和后续选型的建议。

1 设备及故障

1.1 TFA 系统及设备

TFA 系统属于专设安全系统，采用单一故障准则和设备冗余准则，布置A/B 两列系统管线，每列系统分别包含3 台TFA调节阀设备，向蒸发器二次侧充水和实施液位控制调整。

TFA 调节阀为国产科研设备，属于气动套筒式调节阀（预启式调节阀），采用多弹簧气动薄膜式执行机构，气路控制系统包含空气过滤器、定位器、行程开关和电磁阀；该阀门为双阀座结构（主阀芯和平衡型阀芯），调节流量特性为等百分比，阀门前后压差高达10 MPa，阀芯部件采用低噪声、抗汽蚀材料，主要参数如图1 所示，TFA 调节阀阀芯和控制气路如图2 所示。

图1 TFA 调节阀参数

图2 TFA 调节阀阀芯和控制气路

1.2 阀门振荡简介

TFA 调节阀在执行向蒸发器充水试验时，向单台蒸发器充水试验时，在开启过程中，调节阀分别在27%～43%开度出现振荡，阀杆振荡幅度为50%行程值，流量最大在20～79 m3/h 波动，严重影响蒸发器液位调整的准确性，属于共性问题，以1#和3#调节阀作为研究对案例，其他阀门故障情况类似，振荡数据详见表1。

表1 TFA 调节阀振荡数据

TFA 调节阀在特点开度出现明显振荡现象，且在关阀过程的振荡开度值略高于开启过程；振荡整体表现为大开度、大幅度振荡。

TFA 调节阀后的管道出现振动量增加（最高达200 mm/s），管道晃动，吊架因长期振动脱落；在调节阀后安装临时压力表，测量发现压力在0.5～10 MPa 区间反复波动（阀门开度43%时），导致多台压力故障；在TFA 调节阀位置及阀后孔板位置均出现明显的“啸叫”声，TFA 调节阀房间噪声异常。

2 原因分析及验证

TFA 调节阀的控制、连锁逻辑复杂，影响因素多，必须运用系统思维开展原因分析，采用理论计算结合系统试验验证的方法排除次要因素，挖掘根本原因和振荡现象的机理。从系统运行、控制气路和阀门设计角度开展系统化分析优化，主要因素分析如图3 所示，系统化分析流程如下。

图3 原因分析

2.1 系统设计及运行

TFA 调节阀的振荡现象属于大幅度、大开度的振荡现象，且是系统设备共性问题，因此存在调节阀的实际运行工况（阀前、后的流量和压力等）超出设计范围的可能性；经核实，TFA 系统实际运行参数显示辅助给水电动泵的运行参数正常，系统运行参数均正常，调节阀前压力未超过设计和运行规范，排除系统设计因素。

DCS 控制系统PID 参数设置不合理，例如比例带小、积分时间长等因素均会导致阀门振荡。为排查该因素，就地采用信号发生器替代DCS 系统向定位器输入控制电信号，相同的振荡现象仍然出现。

2.2 控制气路

控制气路的漏气、定位器反馈杆松动和振动、定位器零点等设置参数不合理等因素均会导致阀门动态调整开度，产生振荡现象。首先，定位器、膜室及控制管路存在漏点时，开度无法保持，定位器动态调整输出信号，使得开度增加或减小，产生阀门振荡；其次，信号干扰、“虚假”的开度反馈和气路灵敏性均会产生振荡问题；采用泡沫法进行查漏，发现轻微漏点后，予以调整消除，气路及膜室的密封性试验合格；更换定位器后，进行空载动作、待载荷运行试验后，振荡问题依然存在，因此排除控制气路因素。

2.3 阀门设计

阀门设计不合理主要包括：①阀门选型不合理，CV值与实际系统运行工况不匹配；②气动执行机构的作用力不满足最大不平衡力。阀门流量系数CV是阀门流通能力（阀门阻力）体现，由阀芯固有结构决定，不随外界因素变化。

根据上述故障描述得出：阀门在特定开度、流量时，出现振荡现象；考虑到开度与流量系数CV是一一对应的指数关系，计算阀门在该流量下的压降阻力损失，阀门振荡时压差计算见表2。

表2 阀门振荡时压差计算

TFA 系统的辅助给水电动泵在对应的工况的出口压力值约为13.6 MPa。蒸发器的背压等于1 bar。根据调节阀的控制原理，在CV 值保持不变时，流量增加，压差也随着增加，若压力低于汽化压力时，则产生汽蚀现象，形成堵塞流动。经调节阀节流后，压降损失约14 MPa，阀芯位置的压力将低于0.045 bar，连续不断地产生汽化现象，产生类似“水锤”现象的压力冲击力。而阀门执行机构的作用力无法克服瞬间不平衡力，进而导致阀门振荡，无法稳定。

2.4 机理分析及优化

经分析，TFA 调节阀振荡特征为大幅度、大阀位的振荡，其根本原因为该阀门选型与运行工况不匹配。在阀前、后产生高于14 MPa 的压降，造成阀芯内部流体不断产生汽蚀，汽泡在溃灭时产生高压射流冲击作用，在调节阀后产生“水锤”现象压力波，导致管道振动（吊架脱落等），异常的“啸叫”异音噪声。

综合分析后采取如下优化措施：①修改电站运行细则，同步均衡调整3 个环路SG 的流量，使每个环路达到33 m3/h 时，压差降低至约10 MPa，避开振荡区间；②选用新型的∑F 侧装式气动执行机构，提高作用和刚性，提高抵抗振荡的能力；③调整气路控制系统，增加放大器，增大管线直径，增大进气量，TFA 调节阀优化改造如图4 所示。改造后，调节性能可以满足电站运行要求，未出现振荡情况，但是仍然无法满足单独向蒸发器充水的工况。

图4 TFA 调节阀优化改造

3 结束语

经实践，气路控制系统漏气、灵敏性及机械摩擦的缺陷情况，往往导致小幅度的轻微振荡，无异常噪声和压力波现象；阀门内部汽蚀导致的振荡现象，往往呈现大幅度、大开度的特征，伴随着明显的压力和流量波动、异常噪声等现象。针对该调节阀振荡问题，采用系统思维和理论计算交叉验证的方法，研究调节阀振荡的根本原因和机理分析，建立振荡缺陷的故障树分析模型，为相似缺陷处理借鉴；通过对此类型振荡缺陷的研究，发现TFA 调节阀选型与系统匹配性问题，提出优化方向，警示设计者应从系统的角度提出设计需求，为“华龙”机组国产科研阀门设备品质提升提供试验数据和方向。