反应堆硼和水补给系统补水流量偏低问题分析与治理

王铭昌，李 楠，郭帅飞

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

反应堆硼和水补给系统(reactor make up system，REA)是为化容系统贮存并供给其容积控制、化学控制和反应性控制所需的各种流体的统。某核电厂REA系统补水回路由2台并联水泵、2个除盐除氧水贮存箱和1个化学药品混合罐组成。正常运行时，1台水泵即可满足系统要求，另1台水泵处于手动控制备用状态。REA系统补水流量通过调节阀REA016VD调节，运行操作导则要求的流量范围：单泵运行时，一回路硼质量比大于500 mg/kg时，补水流量应为(20.0±10 %) m3/h；一回路硼质量比小于500 mg/kg时，补水流量应为(25.2±10 %) m3/h。双泵运行时，补水流量应小于31.0 m3/h。

1 问题概况

2018年，将该核电厂1号机组REA系统补水流量设为22.0 m3/h时，REA016VD全开，系统流量计REA010MD最大值为20.59 m3/h，无法达到设定值。大修期间，将系统管道内REA003DI孔板孔径由19.8 mm扩大到23.0 mm。扩孔后，2020年，REA016VD全开条件下，设定流量为22 m3/h，实际流量只有20.9 m3/h，还是出现补水流量偏低问题。梳理该核电厂历史运行信息，4台机组中只有1号机组存在REA系统补水流量偏低的问题。

2 原因分析

2.1 泵性能分析

2.1.1 泵参数对比

该电厂1～4号机组REA001/002PO泵均为国内某厂家生产的EHG65-40-315离心泵，各泵具体参数见表1。

表1 REA001/002PO运行参数对比

由表1可知，1、3号机组REA001PO/002PO在额定流量31.3 m3/h时，补水泵出力(额定扬程)：1REA001PO＞3REA002PO＞1REA002PO＞3REA001PO；流量为20 m3/h时，补水泵出力(扬程)：1REA001PO＞3REA001PO＞3REA002PO＞1REA002PO。同样，对2、4号机组相同位置泵进行了比较。通过对比可知，1REA001PO/002PO与其他机组泵相比出力不是最差的，而其他机组均未出现补水流量偏低问题。

2.1.2 现场试验分析

通过超声流量计对1REA001PO/002PO出口流量进行测量，测量结果如表2所示。

表2 1REA001PO/002PO泵现场测量结果

结合泵性能设计曲线，1REA001PO/002PO现场测量结果均在泵性能要求范围内，满足设计要求。综上分析，1REA001PO/002PO出力异常导致REA补水流量偏低的可能性低。

2.2 管道内漏分析

在1REA001PO/002PO下游补水回路及支路布置超声流量计，超声流量计现场布置如图1所示。

图1 超声流量计现场布置

现场分别对1REA001PO/002PO单泵运行在设定流量为22.0 m3/h时，管路各位置流量测量结果如表3所示。对比泵出口至1REA010MD位置各测点测量结果，管路上各测点流量基本一致，未见1REA系统的补水回路内漏。管道内漏及1REA010MD仪表故障导致1REA系统补水流量偏低的可能性低。

表3 1REA001PO/002PO单泵运行现场流量测量结果

2.3 阀门解体检查

REA系统注入下游系统的给水流量是通过REA016VD开度控制。REA016VD为气动调节阀，其开度由FISHER 3582阀门定位器调节，大修期间对REA016VD进行解体检查，未发现异常。2020年，现场对REA016VD进行行程测量：阀门限位杆与阀位指示无干涉，阀门隔膜及供气管线无泄漏，阀门实际开度与仪控指示一致，阀门动作灵活无卡涩。在流量不满足设定要求时，运行人员现场确认该阀门开度为100 %。因此，REA016VD阀门故障导致1REA自动补水流量低的可能性低。

2.4 管道流阻分析

2.4.1 补水管线差异分析

对比1～4号机组REA系统水回路补水管线布置及管线长度和弯头个数，1REA001PO/002PO与相同布置的3REA001PO/002PO相比，弯头个数相同、直管段长度基本相同。

2.4.2 管线压力差异分析

对比1～4号机组REA系统补水回路上游水箱水位及下游管线压力。各机组REA系统的补水时上游水箱水位及下游管线压力未见明显差异。

2.4.3 止回阀流阻分析

REA系统中，补水和补硼回路分别安装有小口径升降式止回阀，防止介质倒流。止回阀由阀体、阀盖和阀瓣组成，阀瓣以阀体中腔孔作为导向，沿着中心线上下滑动。当介质顺流时，阀瓣靠介质推力开启；当介质反向流动时，由介质压力和阀瓣的自重使阀瓣作用于阀座上，阻止介质出现逆流现场。

对比各电厂REA系统管线止回阀结构，各电厂REA系统升降式止回阀存在差异。中广核集团各电厂中REA系统升降式止回阀主要分为阀盖导向结构的升降式止回阀和阀体导向结构的升降式止回阀2类。该集团内某电厂因REA补硼流量不满足系统要求，将阀体导向结构升降式止回阀改造为阀盖导向结构的升降式止回阀后，REA最大硼化流量从约13.0 m3/h提高到14.5 m3/h，验证自动补给操作时相关流量可达到设定值。

该电厂各机组现场补水回路管线REA017VD/019VB阀门为DN50-Class 1500型止回阀。查询现场解体检查工单及设备图纸可知，2号机组REA017VD/019VB为阀盖导向结构。1号机组REA017VD/019VB的文档系统图纸已修改为阀盖导向结构，现场实际为阀体导向结构。图纸信息显示，改进后的阀盖导向结构阀门有较大的中腔，通道直径由38 mm增大为47 mm。阀盖导向可使阀门内腔室有较大空间，阀门开启后上升水流份额增加，水平水流份额减少，水平水流会产生文丘里效应把阀瓣往下吸，上升水流则把阀瓣往上托，如此便可减小由于文丘里效应产生的流道阻力[2]。

根据文献[3]分析，DN50-Class 1500型阀体导向结构止回阀存在阀瓣深入阀盖尺寸偏小，易导致阀瓣运动出现卡塞的问题。同时，阀瓣导向直径D=60 mm，导向长度L=47 mm，当量长度L/D=0.78，与一般经验值当量长度L/D=1.2也相差较大，存在设计不合理的问题。按流量试验标准JB/T 5296—1991《通用阀门 流量系数和流阻系数的试验方法》的要求，对该阀门进行流量系数Cv试验。结果表明DN50-Class 1500型阀体导向结构止回阀的流量系数Cv不满足REA系统设计要求。针对阀体导向止回阀存在的问题，改进型止回阀以阀盖作为导向面，使阀门当量长度L/D在1.2～15.0之间。DN50-Class 1500型止回阀改进前阀体导向结构阀门和改进后阀盖导向结构阀门流量系数试验结果如表4所示。结果表明，改进后的阀门流量系数满足REA系统设计要求。

表4 DN50-Class 1500型阀体导向结构止回阀流量系数试验数据

阀体导向结构与阀盖导向结构的止回阀流场分析分别如图2和图3所示。阀盖导向结构的止回阀内部流场分布较为均匀稳定；而阀体导向结构的止回阀内部有较大范围的紊流，易导致较大压力损失。

图2 阀体导向结构逆止阀流场分析

图3 阀盖导向结构逆止阀流场分析

综上分析，1REA系统现场使用的DN50-Class 1500阀体导向结构止回阀，因设计结构不合理，阀体中腔导向长度不足及阀体、阀瓣和阀盖配合间隙不合理，导致阀门Cv值偏低，进而使补水回路流阻过大，补水流量不能满足系统要求。

3 仿真验证分析

针对阀体导向结构的止回阀Cv值偏低可能导致REA自动补水流量偏低的问题，根据1REA系统流程图、管道等轴图，使用一维流体计算软件建立仿真计算模型进行分析。在1REA016VD调节阀100 %全开情况下，对REA补水回路扩孔前后和1REA017VD/019VB改造前后系统流量进行计算分析。

仿真计算结果如表5所示，结果表明1REA017VD/REA019VB阀门的Cv值严重影响REA系统流量，原阀体导向结构止回阀Cv值较小，导致流量不能满足系统要求。仿真分析表明，改造升级后的阀盖导向结构1REA017VD/019VB可满足系统流量需求。

表5 1REA补水回路仿真分析结果

4 治理效果

现场后续根据大修窗口安排，将对该电厂1REA017VD/019VB进行更换。根据分析结果反馈，同样存在该问题的某电厂率先在大修中对1号机组1REA017VD/019VB更换为阀盖导向结构逆止阀。为防止流量超过系统要求，同时将23 mm的1REA003DI孔板孔径更换为20 mm孔板。更换后的阀门流道孔径为47 mm，Cv值为39.2。

更换前后在REA016VD调节阀100 %全开的情况下，该电厂1REA系统补水流量如表6所示。由表6数据可知，阀门更换后单双泵运行均能满足系统的流量要求。

5 结论

综合分析，由于1REA系统补水回路中1REA017/019VB阀体导向结构的升降式止回阀结构设计不合理，阀体中腔导向长度不足及阀体、阀瓣和阀盖配合间隙不合理，阀门Cv值偏低，REA系统补水回路阻力大，导致补水流量不满足设计要求。对存在该问题的同类型机组相应阀门进行了更换，以满足系统运行要求。