C-2核电厂主给水调节阀改造介绍及选型分析

范晶磊

(中原运维海外工程有限公司,上海 200233)

1 C-2项目主给水调节系统介绍[1]

C-2项目主给水调节系统设计为定速给水泵给水调节系统，由于定速泵的性能特性曲线在运行中无法改变，因此需要通过调节安装在给水泵出口的高压差调节阀的开度来改变管道阻力特性曲线，从而改变泵组在性能曲线上的工作点实现调节给水流量和控制蒸汽发生器水位的目的。因此，主给水调节阀设计和选型的准确性和可靠性显得十分重要。

2 调节阀选型介绍

2.1 基本原则

市场上的调节阀由直线、等百分比和快开三种基本结构特性。对于调节系统选择调节阀结构流量特性，在设计选用中主要依据以下两个原则[2]：

1)从控制系统的品质出发，选择阀的工作流量特性；

2)从管路情况出发，根据阀的希望工作流量特性选择阀的结构特性。

阀门结构流量特性指的是在阀门前后压差不变的情况下阀门开度与阀门流量的关系，而实际过程中阀门前后的压差必然会有变化，因此实际过程中阀门开度与流量的关系会发生畸变，此为工作流量特性。工作流量特性相较于结构特性的畸变程度与阀门压降与系统总压降的比值有关(称为S值，S=1表示系统压降全部落在阀门上)，因此当我们根据已定的希望工作特性来选取调节阀的结构特性时，就必须考虑系统配管情况。S值大时，调节阀的工作特性畸变小；S值小，调节阀的工作特性畸变大。S值大对控制有利，但是S值大说明调节阀的压力损失大，不经济。因此必须综合考虑，工程建设中普遍认为压降比S为0.3～0.6是比较合适的。

2.2 调节阀口径计算的一般步骤[3]

在已知工艺生产流程和阀的控制对象、使用条件后，按照调节阀选型原则先选定阀的种类型号和结构特性，然后按照以下步骤进行调节阀口径的计算。

1)根据工艺的生产能力设备负荷，确定计算调节阀流通能力的最大流量、常用流量、最小流量、计算压差等参数;

3)根据需要验算开度或开度范围、可调比R等；

4)计算结果若满意，则调节阀口径选定工作完毕。否则重新计算、验算。

2.3 选型计算中的几个关键点[4]

阀门选型计算时对设计输入参数的准确性有很高的要求。实际上，对于Kv(Cv)值计算中最难确定的就是计算流量和计算压差。计算流量既要保证调节阀的可调节范围满足系统要求，又要保证阀门运行中的稳定性和可靠性；而对于计算差压，既要充分考虑实际受控对象的流量—压力特性，又要考虑计算差压与系统管路总压力损失的比值(2.1中的S值)对于工作特性的影响。

3 C-2项目改造原因介绍及分析

3.1 进口SPX主给水调节阀设计参数及流量特性曲线

进口SPX主给水调节阀设计参数及流量特性曲线分别如表1和图1所示。

表1 设计参数Table 1 Design parameter

图1 流量特性曲线Fig.1 Cv characteristic curve

3.2 实际运行中出现的问题

1)在同一流量工况点上，实际开度大幅度超过设计开度。实际运行中流量达到960 t/h时，阀门开度已经处于70%左右；

2)为了让电厂输出功率达到设计值，当进一步加大阀门开度时，蒸汽发生器液位易发生波动。

3.3 上述问题的原因分析

C-2项目调试期间曾对SPX阀门在运行过程中出现的实际开度远超设计开度的问题进行过讨论，当时意见主要有以下几点：

1)阀门实际的特性曲线与设计的特性曲线不一致；

2)调节阀规范书中对阀门设计参数所提不准确；

3)巴基斯坦当地电网频率常年低于50 Hz导致主给水泵组出力不足；

主给水泵组的出力不足确实会对阀门开度造成影响，但是为了找出阀门本体上的问题，需要对阀门的实际运行参数进行分析，通过从电厂计算机中读取历史数据，选择了部分运行点，如表2和表3所示。

表2 原A通道主给水调节阀2011年7月26日运行数据Table 2 Operation data of MFWCV channel A dated on 26th July, 2011

表3 原A通道主给水调节阀2012年8月24日运行数据Table 3 Operation data of MFWCV channel A dated on 24th Aug, 2011

通过运行参数和设计参数的对比，阀门在实际运行中所反映出来的流量特性与设计曲线相差很大，例如67%开度下设计Cv值是493，而实际运行反馈出来的Cv值只有340左右。同时考虑到该阀门并未在采购方见证下对流量特性曲线进行标定，因此可以肯定该主给水调节阀实际特性曲线和设计特性曲线不一致。

此外，阀门设计参数与实际运行工况也有一定偏差：

1)实际运行中，主给水调节阀入口给水温度随着给水流量有较大变化，设计参数中将介质温度统一定为额定工况下的给水温度(220 ℃)不够准确;

2)最小流量点(工况3：205 t/h)的设计参数与实际运行工况有偏差，入口压力和出口压力都不够准确。

因此可以确定引起阀门开度超设计值的最主要原因就是进口阀门的制造和试验过程未被有效控制，使得阀门性能不符合设计要求。其次，泵组的出力也会造成较大影响。此外，选用的流量特性曲线(图1)在阀门大开度时存在明显拐点，当开度继续增加时就容易导致蒸汽发生器液位波动。

4 C-2项目主给水调节阀改造过程简介及国产调节阀的运行情况分析

为了解决主给水调节阀流通能力不足和巴基斯坦当地电网频率波动对C-2电厂输出功率的影响，在C-2电厂RFO-1期间对主给水调节阀进行了更换，首次在核电厂上采用国产主给水调节阀。

4.1 设计参数修改

考虑到电网频率过低导致的主给水泵组的出力不足，需要对设计参数进行一定修改，增加阀门流通能力。修改后的参数如表4所示。

表4 修改后的设计参数Table 4 Modified design parameter

4.2 阀门选型和流量特性曲线

选用上海自动化仪表七厂引进的梅索尼兰41300系列套筒调节阀，单座阀体内插入一个圆筒形套筒，套筒上开节流窗口。执行机构选用KOSO公司的526LLARH直行程气动薄膜式执行机构,最大输出力为16 475 N。设计的流量特性曲线如图2所示。

图2 修改后的设计流量特性曲线Fig.2 The characteristic curve of modified design Cv

4.3 改造后的主给水调节阀实际运行情况分析

部分实际运行中的阀门工况数据如表5所示。

表5 A通道国产主给水调节阀运行数据Table 5 Operation data of domestic MFWCV A

表6 B通道国产主给水调节阀运行数据Table 6 Operation data of domestic MFWCV B

实际运行工况分析：

1)对比图2和表5、表6中的数据，阀门开度从20%增加到50%左右时，阀门实际运行中所反映出的开度与流通能力(Cv值)的关系与设计曲线基本一致；

2)小流量(205 t/h和220 t/h)工况下，阀前后的实际压差与设计压差存在一定偏差，设计压差偏小；

3)正常流量点(992.5 t/h)选择不够精确，汽轮机340 MW下的进汽量为960 t/h，再加上蒸汽发生器连续排污和泄漏量，977.5 t/h更合理；

4)参考C-2电厂在输出功率330 MW时的主给水流量和实际Cv值，按照调节阀选型的一般原则，最大设计Cv值(1190)过大不经济，但这主要因为考虑了巴基斯坦当地电网频率有可能会低至48.5 Hz的特殊情况。

4.4 调试中出现的问题及原因分析

1)主给水调节阀快关时间无法满足设计规范(5 s)的要求。国内实际制造完成后曾在无流量状态下进行过快关试验，快关时间满足5 s的要求。但是实际安装后由于系统管路满水存在压力，快关试验时间>5 s，经过分析后认为是阀门执行机构进气管路口径过小造成，扩大气路口径后问题解决；

2)低负荷(205 t/h和220 t/h)工况下进行旁阀/主阀自动切换时，阀门流量波动较大。经过分析，认为是阀门在小流量工况下开度不稳定造成，根本原因在于阀门气动执行机构选用膜片式，推力有限，而小开度时所需气缸推力较大易出现不稳定；

3)进行蒸汽发生器水位控制试验和负荷变动试验时，发生阀门跟踪响应不及时及超调现象引起给水流量波动。主要原因有两点，一是阀门在实际压差作用下执行机构的连接块与阀体存在摩擦，该摩擦作为一个负载扰动会引起定位器产生一个输出信号进行纠正。虽然通过对阀门定位器PI参数的整定实施了优化，但是阀门本体缺陷无法完全消除，流量波动幅度和频率减小但仍然存在；二是第一批调试人员对阀门智能定位器的PI参数调整不熟悉，导致该问题的解决周期较长；

4)调试周期超过计划时间，由于上述3项问题没有第一时间解决导致安装和调试工期超过计划值，给工程单位带来很大压力并造成了经济损失。主要原因是在工程实施前对风险估计不足，没有编制应急预案。在管理上也没有相应的工作程序和管理程序对项目改造工作加以规范和指导。

5 经验总结

5.1 技术方面

1)主给水调节阀选型中要求参数准确，因此在对主给水泵组进行性能试验应尽量模拟泵组在现场的实际运行工况，特别关注额定流量点和主阀、旁阀切换的小流量点;

2)考虑到系统管道和高压加热器中的压力损失以及蒸汽发生器背压的波动，在对主给水调节阀供应商的设计方案进行评审时应注意阀门设计中流通能力的裕量;

3)对于主给水调节阀设计方案中所提供的各项参数(介质温度、密度，阀前压力，前后压差)，应尽量契合主给水系统的实际运行参数，同时关注阀门压降与系统总压降的比值(前述S值)对于阀门工作流量特性的畸变影响;

4)设计方案应充分考虑项目当地的客观条件，例如巴基斯坦当地的电网频率不稳定会对主给水泵组的出力造成很大影响，从而影响阀门的实际运行工况点;

5)主给水调节阀制造完成后进行模拟实际运行工况的全流量试验[5]是有必要的，一方面可以验证实测流量特性曲线是否与设计曲线相符，另一方面也可以在实际运行流量下检测阀门各部件是否正常工作，暴露可能存在的问题并在出厂前及时解决。因此在进行该项试验时，采购方应尽可能组织设计单位和调试单位对现场试验进行见证，不但能提前了解该阀门在各流量工况下的特点，还能从系统运行角度对阀门使用情况进行分析;

6)主给水调节阀不仅仅是一台简单的机械设备，实际运行中需要控制系统密切配合才能有效地控制流量，因此在采购该阀时不仅要关注选型计算，还要对控制系统的匹配以及相应关键部件(定位器、放大器、气缸等)的参数和性能加以了解。此外，对于此类重要调节阀在出厂前进行空载下的阀门动态响应性能测试也是十分必要的;

7)在采购国外进口调阀时，应详细了解国外供应商的实际试验情况，在阀门采购回来后应尽可能在国内进行一次流量特性标定试验，以避免出现类似C-2项目上原先进口阀出现的实际曲线与设计参数完全不符的问题。

5.2 管理方面

1)实施重大技术问题改造前，应编制相应的管理程序和工作程序对改造项目实施过程进行指导和规范；

2)改造工作可协调设计单位、产品供应商及调试单位的有关人员成立专门工作组，由经验较丰富的专人负责、领导；

3)针对改造项目的特点应编制专项的工作计划，进行项目进度、费用、质量等方面控制；

4)对现役的运行核电厂进行改造都会存在一定的风险，因此在项目实施前应充分了解潜在的风险做出风险预估，同时做好风险防范的应急(备用)方案。

6 结论

虽然国产主给水调节阀在调试期间出现了一系列的问题，但是阀门更换后C-2项目输出电功率的提升以及将近一年的正常运行表明，国产主给水调节阀是可以应用在核电项目上的，同时也验证了在选好主给水调节阀的前提下，目前在建的恰希玛三、四期电厂的主给水系统是可以满足电厂340 MW设计出力要求的。