蒸汽发生器二次侧水力清洗系统的流量脉动

程 檀

（核动力运行研究所，湖北武汉 430223）

0 引言

核电站蒸汽发生器（SG）在正常运行过程中，由于各种原因，会在蒸汽发生器二次侧管板上产生泥渣沉积。泥渣沉积对SG 传热管危害较大，必须采用合适手段进行清除。作为蒸汽发生器二次侧维护的周期性措施，管板泥渣侵袭（S/L）在国内外压水堆核电站中越来越普遍地得到应用。国内外运行经验表明，定期去除管板上表面的腐蚀产物沉积物，可以减缓传热管腐蚀和破裂的趋势。

SG 二次侧水力清洗系统利用三柱塞高压泵产生高压水，经过一定管路到达喷嘴，再把高压力、低流速的水转换为低压力、高流速的水射流，利用其很高的冲击动能作用于蒸汽发生器二次侧泥渣堆积区域，使得沉积物破碎、脱落，最终实现清洗目的。

三柱塞高压泵因其固有特点，工作过程会产生流量脉动，流量脉动必然引起系统压力脉动，直接影响系统的稳定性，甚至会加速高压管线的振动磨损。

1 蒸汽发生器二次侧水力清洗系统概述

SG 二次侧水力清洗系统利用高压水射流，将管束内的沉积物打碎并冲至外环廊，通过环流驱赶到抽吸系统的吸入口，将其吸出，以达到去除蒸汽发生器二次侧管板上沉积物的目的。典型的SG 二次侧管板泥渣清洗系统如图1 所示。成套的SG 二次侧水力清洗系统主要由以下基本模块组成。

（1）水箱模块。用于储存冲洗用水，使冲洗用水能循环使用；

（2）高压泵模块。通过三柱塞高压泵将水箱内的水加压后通过高压软管送往枪体模块；

（3）枪体模块。冲洗工作的具体执行机构，安装在手孔或眼孔上；

（4）抽吸模块。将蒸汽发生器二次侧管板上的泥水混合物抽出，送往过滤模块；

（5）过滤模块。将泥水混合物进行过滤，过滤后的水流回到水箱。

根据枪体模块的结构和功能不同，主要分为刚性清洗枪（管廊式清洗）和柔性清洗枪（管间式清洗）。

（1）刚性清洗枪的头部一般设有多排喷嘴，通过枪体的步进运动，使喷嘴到达需要清洗的指定传热管管间；通过枪体的旋转运动，使喷嘴喷射出的清洁水同时清洗多排管间区域。刚性清洗技术的特点是清洗效率高，对于松散沉积物清洗效果好。刚性清洗水压力一般为14～20 MPa。

（2）柔性清洗枪的喷嘴可通过柔性载体深入管束，使喷嘴更接近指定清洗区域。柔性清洗技术对硬性沉积物清洗效果明显，但清洗效率较低。柔性清洗水压力一般不低于30 MPa。

SG 二次侧水力清洗系统枪体模块需针对不同类型的SG以及不同的清洗需求进行选择，一般情况下不具备通用性。其他模块在满足相应冲洗压力、流量要求的前提下，可以适配不同的枪体模块，具备较高通用性。

SG 二次侧水力清洗系统根据高压泵模块的不同布局，目前主要分为两类，一种是采用大流量高压泵的单泵布局形式，如图1 所示；另一种是采用小流量高压泵的5 泵并联布局形式，如图2 所示。

图1 SG 二次侧水力清洗系统

图2 5 泵并联水力清洗系统

2 三柱塞高压泵的工作原理与流量脉动

2.1 三柱塞高压泵的工作原理

三柱塞高压泵通过大功率电机带动泵的动力端，也就是曲轴箱。曲轴箱内有一个等角度均布的三拐曲轴，曲轴拐部随着曲轴的转动会带动三组连杆，驱动柱塞在柱塞腔内做往复直线运动。柱塞与柱塞腔通过填料盒密封，使得泵的液力端，也就是柱塞腔内交替形成局部负压或高压。通过三组进水、出水单项阀的交替开启和关闭，完成液力端的进水和出水过程。三柱塞高压泵的结构如图3 所示。

2.2 三柱塞高压泵的流量特性

三柱塞高压泵单个柱塞进水、排水的过程如图4所示。

对三柱塞高压泵单个柱塞腔进行分析，柱塞瞬时速度u 由式（1）表示，u 为正值表示柱塞腔处于出水过程，u为负值表示柱塞腔处于进水过程。

图3 三柱塞高压泵示意图

图4 柱塞泵进水、出水示意图

式中 x——柱塞运动位移，mm

φ——曲柄转角，逆时针为正，x=0 时，φ=0

r——曲柄半径，mm

ω——曲柄角速度

λ——连杆比，曲柄半径r 与连杆长度L 的比值

由于一般情况下，连杆长度L 比曲柄半径r 大很多，λ值很小，因此可以近似认为，故式（1）可以简化为：

式中 A——柱塞腔截面积，mm2

对于三柱塞高压泵，曲柄周向均布，相互之间的相位偏角相差2π/3，且在曲柄转角处于出水相位偏角时才会排出流量。因此，3 个柱塞腔的瞬时排出流量可表示为：

第一柱塞腔瞬时排出流量q11：

第二柱塞腔瞬时排出流量q12：

三柱塞高压泵的综合瞬时排出流量通过式（4）～（6）叠加后获得，可见泵的瞬时排出流量呈正弦函数的周期性分布趋势。

三柱塞高压泵由于受曲柄连杆机构自身限制，3 个柱塞腔之间的流量无法提供互补，实现“恒流”，因此，三柱塞高压泵的排出流量存在固有脉动性。

2.3 单泵水射流系统的流量脉动

对于单台三柱塞高压泵单独使用的情况，考虑到实际情况中λ 值不大于1/4，因此，式（4）～（6）可进一步简化为：

由式（4）～（6）可以看出，曲柄转角φ 在（0～2π/3）、（2π/3～4π/3）、（4π/3～2π）的区间内，q11、q12、q13各自具有相同的波形，在这3 个区间内的波形分别对于φ=π/3、π、5π/3 是对称的。在不考虑进水、排水单向阀滞后角的情况下，可以得到叠加后的瞬时流量曲线，如图5 所示。相应的流量脉动周期为2π/3。

图5 三柱塞高压泵的瞬时流量

2.4 多泵并联水射流系统的流量脉动

对于多套三柱塞高压泵并联使用的情况，假设第一台高压泵的排出流量q11、q12、q13符合式（7）～（9），与其并联的三柱塞高压泵的曲柄转角相对于第一台泵都存在相位偏角。

设并联后的第n 台三柱塞高压泵的曲柄转角相对于第一台泵存在的逆时针方向的相位偏角φn，它的综合瞬时排出流量可表示为：

多套三柱塞高压泵并联使用时，系统的瞬时排出流量由各柱塞泵的瞬时排出流量叠加形成。

对叠加后的瞬时流量进行分析可知，单台三柱塞高压泵的瞬时排出流量存在固有的流量脉动频率。但多套三柱塞高压泵并联使用时，柱塞泵之间存在最佳的相位偏角，使得每台柱塞泵的流量峰值交错叠加，降低系统流量峰值，弥补系统流量低值，从而降低系统的流量脉动率。

由于单台三柱塞高压泵流量曲线呈周期性，0～π/3 相位角范围是流量曲线中最小的区间范围。因此，当n 台三柱塞高压泵并联使用时，泵之间的最佳相位偏角为π/3n。

3 结论和展望

在忽略三柱塞高压泵连杆比以及进水、排水单向阀滞后角的影响下，对于单泵布局形式的SG 二次侧水力清洗系统，其流量脉动往复周期为2π/3；对于5 泵布局形式的SG 二次侧水力清洗系统，当泵之间相位偏角为π/15 时，可以使泵的流量峰值交错叠加，降低水力清洗系统的流量脉动率。

使用多泵并联的布局形式，可以有效提升SG 二次侧水射流系统的稳定性，降低压力脉冲对系统管线以及前端清洗枪体模块的振动影响。其具体效果有待后续进行进一步试验等技术研究，以满足实际工作需要。