張振超

（核電運(yùn)行研究（上海）有限公司，上海 200120）

0 引言

LZC系統(tǒng)作為CANDU6重水堆的反應(yīng)性控制機(jī)構(gòu)之一，通過改變14個液體區(qū)域控制單元內(nèi)的輕水水位來改變反應(yīng)堆的反應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)功能。液體區(qū)域控制系統(tǒng)的堆內(nèi)構(gòu)件有6個控制機(jī)構(gòu)組成，6個液體區(qū)域控制機(jī)構(gòu)分布在堆芯A側(cè)和C側(cè)，每個控制機(jī)構(gòu)包括2個或3個控制單元，共14個液體區(qū)域控制單元，對稱地分布在反應(yīng)堆內(nèi)14個區(qū)域，如圖1。通過液位控制閥改變每個控制單元的水位來調(diào)節(jié)區(qū)域功率，14個區(qū)域的液位測量分別由14個壓差變送器測量回路完成，用于監(jiān)測區(qū)域腔室的液位，并作為系統(tǒng)控制程序的輸入，用于計(jì)算液位偏差，并結(jié)合功率偏差和通量偏差來控制14個區(qū)域液位控制閥的開度，進(jìn)而通過改變區(qū)域水位的變化來改變堆芯反應(yīng)性[1]。

圖1 區(qū)域控制單元堆內(nèi)分布圖Fig.1 Distribution map of regional control units in the heap

1 液體區(qū)域控制單元液位測量回路

液位測量采用吹氣法，每個測量回路由液位變送器、流量計(jì)、流量控制閥組成，如圖2。液位變送器將測得的壓差轉(zhuǎn)換成4mA～20mA的電流信號，并對應(yīng)一定范圍的液位。液位變送器的高壓側(cè)取自氦氣氣泡集管，低壓側(cè)取自平衡集管，壓差值對應(yīng)區(qū)域單元的液位[1]。流量控制閥用于控制氦氣氣泡流量在150L/H左右，對應(yīng)流量計(jì)顯示值在60%～70%之間。

圖2 液位測量回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of liquid level measurement circuit

2 流量控制閥故障描述

由于大修期間和LZC系統(tǒng)啟動期間對流量控制閥的頻繁操作，會導(dǎo)致流量控制閥在LZC系統(tǒng)重新啟動后出現(xiàn)故障，流量控制閥故障會引起氦氣流量升高，直接導(dǎo)致液體區(qū)域液位發(fā)生劇烈波動[2]，影響堆芯功率調(diào)節(jié)功能。根據(jù)歷史缺陷統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)流量控制閥的3次故障都是在機(jī)組大修后期，LZC系統(tǒng)重新啟動后出現(xiàn)的，見表1。

表1 流量控制閥故障統(tǒng)計(jì)表Table 1 Flow control valve failure statistics table

機(jī)組在功率運(yùn)行期間，LZC系統(tǒng)中的輕水和氦氣都有較大程度的污染，水溫可達(dá)57℃，操作期間氦氣和輕水的泄漏具有較高的輻射風(fēng)險和燙傷風(fēng)險，且一旦操作失誤，可能會導(dǎo)致停機(jī)停堆。綜合考慮，不建議在正常運(yùn)行期間更換流量控制閥。

3 流量控制閥更換方案對比

3.1 系統(tǒng)停運(yùn)更換流量控制閥

LZC系統(tǒng)停運(yùn)后，系統(tǒng)內(nèi)處于常壓狀態(tài)，沒有輻射風(fēng)險和燙傷風(fēng)險，可正常更換流量控制閥。但流量控制閥故障在LZC運(yùn)行期間才能發(fā)現(xiàn)，重復(fù)啟停LZC系統(tǒng)會對系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響，而且會加重工作負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)重新啟動還需通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)備可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，整個過程完成至少需要48h[3]。

3.2 在線更換流量控制閥

在線更換流量控制閥，LZC系統(tǒng)不需要重復(fù)啟停，僅影響與故障液位測量回路相連的區(qū)域的液位測量回路，不會對系統(tǒng)其它設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，更不會對系統(tǒng)工藝回路造成影響，可避免LZC系統(tǒng)的重復(fù)停役操作，保證LZC系統(tǒng)啟動后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且可節(jié)省接近2天的大修工期，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。LZC系統(tǒng)每次啟動前都會重新向系統(tǒng)中添加新輕水，與反應(yīng)堆運(yùn)行期間相比，噴出的輕水輻射污染程度并不高，輻射風(fēng)險較低。由于反應(yīng)堆處于GSS狀態(tài)，系統(tǒng)水溫只有25℃，因而無燙傷風(fēng)險。如果在線更換流量控制閥方案可行，則應(yīng)首選該方案。因此，本文著重探討機(jī)組在GSS狀態(tài)，大修后期，LZC系統(tǒng)啟動后的情況下在線更換流量控制閥的可行性。

4 在線更換風(fēng)險分析

LZC系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，區(qū)域腔室內(nèi)壓力為470kPa，流量控制閥斷開后區(qū)域腔室內(nèi)的輕水會被擠壓入取壓管線，流量控制閥后的取壓管線沒有隔離閥，取壓管線開口后會直接導(dǎo)致區(qū)域腔室內(nèi)的輕水被擠壓入取壓管線，如果開口沒有及時封堵，會導(dǎo)致帶污染的輕水噴出。因此，在線更換流量控制閥存在以下2個風(fēng)險：①氦氣管線開口會導(dǎo)致過多氦氣流出；②操作人員回堵前腔室內(nèi)輕水噴出。

針對第一條風(fēng)險，可通過逐漸關(guān)小控制組件的供氣隔離閥，逐漸打開相連區(qū)域的流量控制閥，可同時減小對相連區(qū)域的液位測量功能的影響，氦氣管線開口后的氦氣損失和開口處的氣流，更有利于操作。

針對第二條風(fēng)險，系統(tǒng)中的輕水有一定的輻射污染，輕水噴出會增加操作人員的作業(yè)難度，因此需確保操作過程中沒有輕水噴出。為解決上述問題，需逐個分析以下3個因素對現(xiàn)場工作的影響：①工作人員的操作時間；②開口處的回堵方案；③開口后，水從區(qū)域腔室流到開口處的時間。

4.1 工作人員的操作時間

經(jīng)多次演練，預(yù)計(jì)從接頭拆卸開始至拔出接頭用時約6s～8s，而卡套接頭從管子上取下到回堵另一個卡套接頭的時間僅需3s左右。實(shí)踐表明，卡套接頭取下之前，人為用力堵住卡套接頭，管道內(nèi)氣體泄漏量很小，此時管道內(nèi)持續(xù)有820kPa的壓力，這部分壓力難以泄壓至470kPa及以下，因此擰松卡套接頭的操作時間可以忽略不計(jì)。同理，在回堵接頭和回裝流量控制閥時提供一個820kPa左右的壓力，可回壓管道內(nèi)的輕水，這段時間也可忽略不計(jì)。經(jīng)上述分析，從拆下取壓管線開始到水噴出的時間大于3s，就足夠讓操作人員完成回堵操作，證明在線更換方案可行。本文分析中為保證留出足夠的操作裕量，若水流時間超過8s，即從接頭拆卸開始至拔出接頭的最高用時，則證明在線更換方案可行。

4.2 開口處的回堵方案

在線更換流量控制閥時系統(tǒng)回路會斷開一段時間，會導(dǎo)致液體區(qū)域腔室內(nèi)的輕水進(jìn)入取壓管線且失去該區(qū)的液位監(jiān)視功能。為解決上述問題，可從現(xiàn)場的氣泡集管引壓接入回路，提供一個氦氣流量的供氣源。該氣泡集管內(nèi)的氦氣與吹氣裝置是同一供氣源[4]，可利用該供氣壓力將輕水壓回區(qū)域腔室內(nèi)，同時通過微調(diào)疏水閥調(diào)節(jié)供氣流量，使液位盡量穩(wěn)定，恢復(fù)液位變送器的監(jiān)視功能。更重要的是這樣處理可將輕水回壓至區(qū)域腔室內(nèi)，為操作人員回裝流量控制閥提供更多操作時間。

4.3 開口后水從區(qū)域腔室流到開口處的時間估算

為保守估算水流時間，選取管路最短的某一區(qū)域作為分析對象。開口后水從區(qū)域腔室開始加速，經(jīng)取壓管線至開口處。整個過程是一個非恒定流動過程，初始加速階段由于加速度很大，加速時間很短，可以忽略這部分時間，認(rèn)為其水頭全部轉(zhuǎn)化成流速水頭。水流將克服重力水頭損失，沿程水頭損失和局部水頭損失流至開口處。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)水到達(dá)出口處時，腔室內(nèi)液位下降0.093mm，相對于47.997m的壓力水頭，液位變化可以忽略不計(jì)。因此，可以認(rèn)為該非恒定流動的過程是由重力水頭損失、沿程水頭損失和局部水頭損失引起的水頭變化，重力水頭損失、沿程水頭損失是水流行程的函數(shù)，局部水頭損失整體分布在管道各處，且相對沿程水頭損失較小，可以認(rèn)為其均勻分布在整個管道中，所以局部水頭損失也可認(rèn)為是水流行程的函數(shù)。經(jīng)以上分析，可以把整個流動過程劃分為許多微小時段，在每一微小時段內(nèi)，水在管道某一位置的水頭不變，可當(dāng)作恒定流處理，即可計(jì)算出水的總流動時間。系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)見表2。

表2 工藝參數(shù)Table 2 Process parameters

首先，根據(jù)雷諾數(shù)判斷管內(nèi)流態(tài)：

其中：d=7.036mm；查表得水在25℃時的運(yùn)動黏滯系數(shù)[5]：γ=0.893×10-6m2/s。由于水流速度未知，因而需要分別分析水在層流和紊流兩種流態(tài)下的流動時間。

4.3.1 水在層流狀態(tài)下的流動時間

假設(shè)管內(nèi)流態(tài)為層流，則Re＜2300，求得v＜0.292m/s，即管道內(nèi)的最大流速v＜0.292m/s。此時水流到管口處的最短時間小于132.5s，有足夠的時間更換流量控制閥，在線更換方案可行。

4.3.2 水在紊流狀態(tài)下的流動時間

1）確定沿程阻力系數(shù)

假設(shè)管內(nèi)流態(tài)為紊流，v越大，Re越大。根據(jù)紊流三阻力區(qū)的沿程阻力系數(shù)綜合經(jīng)驗(yàn)公式[1]即：

其中，鋼管的當(dāng)量粗糙度Ks=0.046mm[6]。當(dāng)Re越大，沿程阻力系數(shù)λ越小。假設(shè)管內(nèi)水的流速V足夠大，使得流體進(jìn)入紊流粗糙區(qū)，式中的第二項(xiàng)可以忽略，此時，λ最小，計(jì)算得出的流速V最大。

簡化后的管路走勢圖如圖3。

圖3 管路簡化示意圖Fig.3 Simplified schematic diagram of pipeline

為保證計(jì)算盡量準(zhǔn)確，采用短管的水力計(jì)算模型。水力計(jì)算基于伯努利方程：

其中：z為位置水頭；p為壓強(qiáng)；ρ為水的密度；g為重力加速度；a為動能修正系數(shù)；v為斷面平均流速。為方便計(jì)算，工程上將動能修正系數(shù)設(shè)定為1。

其中，ζ為局部阻力系數(shù)。

2）確定局部阻力系數(shù)ζ

局部阻力絕大多數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)確定，而個別形狀較為簡單的情況，可以經(jīng)過理論分析推導(dǎo)其局部水頭損失的變化規(guī)律。已知現(xiàn)場管徑d為3/8in的彎曲半徑R為15/16in，查表得局部阻力系數(shù)見表3[7]，并求得局部阻力系數(shù)之和。

表3 局部阻力系數(shù)表Table 3 Local resistance coefficient table

考慮到在水流動的過程中，垂直段的10.663m主要是克服重力水頭損失，水平段的28.025m主要是克服局部阻力損失和沿程阻力損失，因此計(jì)算分兩段進(jìn)行。

3）第一部分時間計(jì)算

第一部分管段中，水從行程的0m處流至10.663m處，水頭損失主要包括重力水頭損失和沿程阻力損失。由于實(shí)際液位未知，而供氣流量過大會導(dǎo)致變送器所受壓力變大，液位測量值偏高，進(jìn)而由流量控制閥控制的實(shí)際液位應(yīng)當(dāng)處于近乎最低液位的狀態(tài)，因而該液位產(chǎn)生的水頭相對47.997m的壓力水頭可忽略不計(jì)。以0m處為基準(zhǔn)面，其參數(shù)見表4。

表4 第一部分時間計(jì)算參數(shù)表Table 4 The first part of the time calculation parameter table

假設(shè)在水從0m流至10.663m期間，水到達(dá)管道的各點(diǎn)處均為恒定流動，令初始水頭H=P1/ρg，設(shè)在t時刻水流動的距離為l，代入伯努利方程得：

再由：v=dl/dt，代入公式（7）得：

求得T1=1.762s。

4）第二部分時間計(jì)算

第二部分管段中，水從行程的10.663m處流至開口處，水頭損失主要包括沿程阻力損失、局部水頭損失和部分的重力水頭損失，由于重力做功較少，為方便計(jì)算，直接減去重力水頭，局部水頭損失均分到整個行程中[8]。以10.663m處為基準(zhǔn)面，其參數(shù)見表5。

表5 第二部分時間計(jì)算參數(shù)表Table 5 The second part of the time calculation parameter table

假設(shè)在水從10.663m流至38.688m期間，水到達(dá)管道的各點(diǎn)處均為恒定流動，令初始水頭H=P1/ρg-L1+(a1v12)/2g-z2，設(shè)在t時刻水流動的距離為l，代入伯努利方程得：

再由：v=dl/dt，代入公式（9）得：

求得T2=10.835s。

5）總估算時間

最終得出總估算時間為：T=T1+T2=12.597s，即管道內(nèi)的水在紊流狀態(tài)中最大流速下的流動時間為12.597s。

4.4 模型與實(shí)際流動過程對比

由于實(shí)際水在整個流動過程中是非恒定流動，因而恒流模型中的估算時間比實(shí)際流動時間偏小，主要有以下4點(diǎn)原因：

1）恒定流動模型中計(jì)算第一部分時間時，實(shí)際水的流速是從0m/s開始的。因此，計(jì)算得出的T1要小于實(shí)際水流時間，設(shè)時間差為t1。

2）管線拆卸前，管道內(nèi)有820kPa的壓力，這部分壓力需要時間t2泄壓至470kPa及以下時，水才開始流動。

3）恒流模型中僅考慮了重力水頭損失、沿程水頭損失和局部水頭損失，若非恒定流動中存在其他損失，則實(shí)際能量損失要大于本恒流模型中的能量損失，即實(shí)際流動時間大于恒流模型中的流動時間，設(shè)時間差為t3。

4）由于儀表脈沖管線無明確的管道布置圖，管線走向及長度只能通過相關(guān)圖紙估算獲得。估算結(jié)果基于保守考慮，均取最小估算值，如圖中與其他管線交叉部分及圖中難以體現(xiàn)的極少部分管線長度均忽略不計(jì)，因此實(shí)際管線長于模型中的管線長度，則由此產(chǎn)生的實(shí)際水流時間長于模型計(jì)算時間，設(shè)時間差為t4。

因此，實(shí)際水流總估算時間T總=T+t1+t2+t3+t4，即T總＞12.597s。該時間大于方案可執(zhí)行限制的操作時間（8s），操作人員有足夠的時間在水流到達(dá)開口處前完成回堵操作。同時，計(jì)算得出水流到達(dá)開口處時的流速V=2.032m/s，該速度下管道內(nèi)水流的沖擊力為0.008N，因此即使有水噴出，也可用有高壓氦氣的管線順利回堵。

在上述理論的指導(dǎo)下，并結(jié)合具體的操作方案，順利實(shí)施了流量控制閥的在線更換工作，液位測量回路恢復(fù)正常功能。

5 結(jié)束語

本文通過全面評估在線更換流量控制閥的風(fēng)險因素，并結(jié)合理論分析，在比現(xiàn)場工藝參數(shù)更加嚴(yán)格的條件下驗(yàn)證了在線更換流量控制閥的可行性。并依照上述理論指導(dǎo)，結(jié)合具體實(shí)踐，順利完成了對某區(qū)流量控制閥的在線更換，避免了LZC系統(tǒng)的重復(fù)停役操作，保證了LZC系統(tǒng)啟動后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且節(jié)省了接近2天的工期，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。文中理論分析與具體實(shí)踐相結(jié)合提出檢修方案的方法，對同類問題的處理和現(xiàn)場維修工作的開展有一定的指導(dǎo)意義。