田湾核电站反应堆厂房轴流风机失速预防措施

刘春龙,裴俊敏

(江苏核电有限公司,江苏 连云港 222042)

轴流风机因为具有流量大、体积小、易于布置的特点,在田湾核电站反应堆厂房得到了广泛应用。

轴流风机叶片通常是机翼型,按照轴流风机理论,在风机转速和叶片安装角度一定时,风机的风量随管网阻力的增大而减小,气流与叶片形成的冲角则相应增大。当冲角增大至某一临界值时(临界值随叶型不同而异),这时风机风压也达到风压曲线的顶点。冲角再继续增大,风机的风压将迅速下降,这是由于叶片背部气流发生附面层分离并在叶背尾端形成涡流区,即失速工况,风压顶点也称为失速工况起始点。

由于制造误差,风机各叶片的叶型、安装角度不可能完全一致,叶片前的气流也有可能不均匀,所以轴流风机叶片附面层的分离总是从某个或某几个叶片开始形成,并使其相邻叶片的气流发生方向相反的偏转,使失速区不是固定于某个或某几个叶片上,而是相对于旋转的叶轮作反向旋转,这种现象称为旋转失速。失速区域的数目与其传播速度的乘积就是流经每个叶片的旋转失速频率,如果这个频率接近于叶片的自振频率,将会产生共振,造成叶片的严重机械损坏。

目前对轴流风机旋转失速的研究多集中于火电站锅炉配套大型通风机,对小型轴流风机旋转失速的研究由于受产品投资规模等因素的影响而受到一定限制。但因核电站核级风机的重要性,研究其旋转失速预防措施越来越得到重视。

1 田湾核电站反应堆厂房轴流风机预防失速的必要性

根据轴流风机分类,在标准大气条件下压力小于500 Pa为低压轴流风机,压力大于等于500 Pa为高压轴流风机。

国内其他类型核电站反应堆厂房冷却系统使用温度为13℃的冷冻水作为冷源,而田湾核电站VVER-1000型反应堆厂房冷却系统使用的冷源是设计温度为33℃的重要用户设备冷却水。为保证冷却系统送风温度不高于40℃,回风温度不高于60℃,要求使用的轴流风机必须是大流量的高压轴流风机。田湾核电站反应堆厂房冷却系统共使用了9台轴流风机,其中最大的设计工作点为流量80 000m3/h、压力2 300 Pa,最小的设计工作点也达到流量20 500m3/h、压力1 400 Pa,都是高压轴流风机。

图1所示为高压轴流风机典型压力-流量特性曲线,由设计点D减小流量到失速工况起始点C附近,随着局部失速涡流区的出现和失速区域的扩大,压力-流量特性曲线的曲率随之变平缓,工况到达点B后突跃到点B′,再减小流量则逐渐到达全闭点A。另外,由全闭点增加流量到点B′,工况并不到达点B而是前行到C′再突跃到点C,高压轴流风机的这种特性称为失速机理二重特性。如果系统具有足够大的容积,与风机组成一个弹性的空气动力系统,风机在这种工况下运行将可能出现喘振,流量急剧波动,其气流产生的撞击使风机和管网发生强烈的振动、噪声,甚至导致设备和系统的严重破坏,而失速正是喘振发生的根本诱因。风机特性决定,轴流风机比离心风机容易发生喘振,高压风机比低压风机容易发生喘振[1]。

图1 高压轴流风机性能曲线Fig.1 Performance curve o f high p ressure axial fan

反应堆厂房风机故障将导致机组停堆,由于工作空间狭小、辐射风险高,导致维修难度大、工期长。因此,采取措施预防风机失速,保证风机的安全可靠运行是必要的。

2 反应堆厂房轴流风机防失速措施

2.1 防止管网阻力超过设计值

根据轴流风机失速理论,风机不在失速区域运行的根本措施是保证风机运行时管网阻力不超过设计值,防止风机在小流量工况运行。田湾核电站反应堆厂房轴流风机具体采取如下措施。

2.1.1 采用联锁保护防止风机入口阀误关闭

轴流风机在运行时入口阀误关闭是可能导致风机进入失速区域运行的最恶劣的工况。为防止阀门误关闭事件发生,反应堆厂房轴流风机在自动控制上采用了联锁保护措施：风机入口阀反馈信号为“开启”时风机才允许启动,风机反馈信号为“停运”时入口阀才允许关闭。

2.1.2 调试期间验证风机实际运行工况点

轴流风机单体调试合格后,通过调节流量孔板、流量平衡阀等系统调试措施调节管网阻力,或对管网系统进行必要的改造,使系统实际流量与设计流量的正负偏差小于10%,风机实际运行压力与额定压力正负偏差小于5%,以确定风机实际运行工况点在性能曲线中的位置,保证风机在稳定区域工作。

对于并联运行的风机还要进行并车试验(包括运行中可能遇到的各种并车工况),验证所有并车工况都不会出现“抢风”现象,风机的实际流量、压力偏差不超过设计要求。

2.1.3 防止管网系统堵塞

随着通风系统的长期运行,管网进风口网筛和空气冷却器等部位可能发生堵塞。管网进风口网筛可以阻挡尺寸较大的异物进入管网系统,同时它也很容易被异物堵塞。空气冷却器由于换热器翅片细密,随着长时间运行灰尘的累积,也容易发生堵塞。按照轴流风机维修大纲,在大修时要对管网系统进行检查,清除异物。对空气冷却器,要用压缩空气或水清洗换热器翅片。

2.2 风机机壳安装气流分离器

减小轴流风机旋转失速区域,减弱流量-压力曲线上的波谷,一直是改善轴流风机特性,保证轴流风机运行安全性的努力方向。改善轴流风机特性包括关键部件叶栅的优化设计、叶型分离控制和以改善风机内部流动状态为目的的整体结构优化等,而叶栅的优化设计和叶型分离控制受精确的测量手段、叶片成型工艺和制造水平以及相当长的试验周期的限制,限制了在通风机制造工程中的应用。

田湾核电站反应堆厂房轴流风机使用了气流分离器来改善风机内部流动状态,它的优点是简单易行,在不大幅增加轴流风机尺寸、不降低风机性能的前提下,大大缩小了风机的失速区域,拓宽了风机稳定运行区域。

2.2.1 气流分离器的结构

轴流风机在不稳定区域运行时,压力和流量瞬间变化,量值骤变,轴流风机工作噪声异常、剧烈震动,严重时导致叶片断裂、风机损坏。其主要原因是轴流风机在不稳定区域运行时,气流进入叶片流道前发生畸变,产生旋涡和逆流,随着旋涡和逆流区域的扩大,造成轴流风机不能正常工作。为了减小轴流风机不稳定区域,在风机叶片前增加一种装置(称气流分离器或稳流器),该装置由分离器壳体、分流导叶、分流环组成,其结构如图2所示。

图2 气流分离器结构示意图Fig.2 Structure of flow separators

其中分流导叶为若干圆弧形等厚叶片,以轴流风机风筒圆心为圆心按圆周分布排列。分流环是与风筒同心的圆环。

2.2.2 气流分离器的工作原理

当轴流风机叶片表面发生附面层分离阻塞流道时,叶片顶部形成的旋涡在离心力和压力差的作用下,进入由气流分离器壳体、分流导叶和分流环组成的通道,经过分流导叶的整流、消除旋转,再无干扰地返回到叶轮前的主气流中。这一方面增加了叶片的进风量,另一方面隔离并抽吸畸变风流,旋涡的能量衰减,不会使进入叶片的畸变气流产生旋涡和逆流,消除或减弱旋涡及逆流区,从而使风机特性曲线的不稳定区得到改善,达到缩小轴流风机失速区域的目的。

2.2.3 气流分离器的效果评价

蒸汽发生器隔间冷却系统风机是田湾核电站最大的轴流风机,该风机安装气流分离器后,风机性能曲线得到极大改善,风机失速区域大大减小,见图3。

失速裕度是衡量风机设计点失速安全性的重要参数,在叶片安装角度、叶轮转速固定时,可用设计工作点到失速工况起始点的失速裕度K表示[2]。其计算式为：

图3 蒸汽发生器隔间冷却系统风机安装气流分离器前后性能曲线Fig.3 Performance curve of steam generator chamber cooling system fans before and after installation o f flow separators

式中：Q、P分别为设计工作点的流量和压力;QK、PK分别为失速工况起始点的流量和压力。

根据上式计算蒸汽发生器隔间冷却系统轴流风机安装气流分离器前后风机失速裕度分别为1.36和3.59。

对于核电站通风用轴流风机失速裕度,国内和国际的核行业标准都没有提出要求。对于电站锅炉通风机,国家电力行业标准《电站锅炉风机选型和使用导则》提出轴流式风机“在选型设计时,宜选取K＞1.3”[3];《电站风机改造与可靠性分析》一书提出“建议选取K＞1.4”[4]。

通过上述对比可知,蒸汽发生器隔间冷却系统轴流风机安装气流分离器后,失速裕度得到很大提高并可以认为足够可靠。

3 结语

反应堆厂房轴流风机因其停机可能造成的巨大经济损失、故障检修的巨大难度,应引起足够重视。轴流风机由于其失速区域大,在管网系统设计、风机选型,以及风机设计、制造、运行维护时,都要采取措施避免风机在失速工况运行。相对于1994年颁布的标准,2006年升版的核行业标准《核级通风机设计通则》中新提出了“高压轴流风机宜设计有防失速装置或失速报警装置”[5],可见核级高压轴流风机失速问题已得到了更高的重视。田湾核电站反应堆厂房轴流风机自商业运行以来,从未出现因轴流风机失速导致的风机或系统损坏,说明采取的失速预防措施是有效的。

[1] 魏兵海.风机失速喘振特性及其预防措施[J].流体机械,2001,29(6)：29.

[2] 刘家钰.电站风机改造与可靠性分析[M].北京：中国电力出版社,2001：100.

[3] DL/T 468—2004 电站锅炉风机选型和使用导则[S].

[4] 刘家钰.电站风机改造与可靠性分析[M].北京：中国电力出版社,2001：100.

[5] EJ/T 886—2006 核级通风机设计通则[S].