蒸汽发生器（精选7篇）
蒸汽发生器 篇1
在压水堆核电机组中, 蒸汽发生器作为反应堆冷却剂系统 (一回路系统) 和蒸汽与动力转换系统 (二回路系统) 的枢纽, 是核电机组运行的关键设备之一。一方面, 二回路系统中的水在蒸汽发生器中通过换热、分离得到的干燥蒸汽, 是推动汽轮机组发电的直接动力, 因此蒸汽发生器产生蒸汽的品质是影响核电站功率与效率的主要因素。另一方面, 蒸汽发生器也是阻隔一回路系统中放射性换热介质的重要屏障, 对核电设施的安全运转起着决定性作用。然而蒸汽发生器体积庞大, 结构复杂, 制造要求严格, 技术密集程度高, 从设计和制造两方面都堪称当代热交换器技术的最高水平。所以, 系统地了解蒸汽发生器的类型、结构, 把握蒸汽发生器在制造过程中的重点、难点, 是全面实现蒸汽发生器设计和制造国产化的基础。
1 蒸汽发生器的设计类型
从设计的角度来看, 蒸汽发生器的结构和参数, 必须在安全的前提下, 保证提供给核电机组在任何运行工况下所需要的符合规定品质要求的蒸汽量, 并适当地改善各个环节的技术经济指标。首先, 蒸汽发生器的设计选材和结构尺寸必须以绝对安全为目标, 排除任何可能加速老化、腐蚀的因素, 保证一回路系统和二回路系统在运行过程中的完全隔离。另外, 蒸汽发生器的容量应最大限度地满足功率负荷的需要, 并确保产生蒸汽的纯度。同时, 蒸汽发生器的设计应该简单紧凑, 应以便于制造、便于安装、便于发现并排除故障、便于清洁维护为着眼点, 提高蒸汽发生器在制造和运行过程中的经济性。
目前, 蒸汽发生器在理论发展和结构设计上, 研究的主要方向包括:蒸汽发生器的热工水力分析, 腐蚀理论与传热管材料的研制, 无损探伤技术的改进, 振动、磨损和材料疲劳的剖析以及对运行过程中水质的控制等诸多方面。
基于对蒸汽发生器的各种研究和实践, 目前常见的蒸汽发生器根据侧重点的不同, 可有如下的分类方式:
●按换热介质的流动方式, 可分为自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发生器;
●按安装方式, 可分为卧式蒸汽发生器和立式蒸汽发生器;
●按传热管的形状, 可分为U形管、直管、螺旋管以及由其它形状传热管为主要换热部件的蒸汽发生器。
目前在压水堆核电设备中使用的蒸汽发生器主要有:立式U形管自然循环发生器、卧式自然循环蒸汽发生器和列管式直流蒸汽发生器。其中, 设计比较成熟的核电设备中, 俄罗斯的PGV-1000主要采用卧式自然循环蒸汽发生器, 而美国的AP1000、欧洲的EPR、国内最常见的CPR1000以及后续更大功率的CAP1400等类型的蒸汽发生器均采用立式U形管自然循环的形式。
国内运行或在建的不同设计类型百万千瓦级蒸汽发生器的设计参数对比参见表1。
随着科技水平的不断提高, 蒸汽发生器也正朝着大型化、集约化的方向发展, 而循序渐进的发展也给重型装备制造业提出了更多元、更严格的要求。因此, 明晰蒸汽发生器的制造过程, 了解制造过程中的难点, 对于推动蒸汽发生器的制造水平具有重要意义。
2 蒸汽发生器的制造流程
从锻件投料开始到最终装配发运, 蒸汽发生器制造的工序复杂, 周期较长 (30个月左右) , 技术难点众多, 质量控制严格, 对承制蒸汽发生器的重型装配制造企业来说, 都是一项艰巨的任务, 具有很大挑战, 而具备制造蒸汽发生器的能力也是对企业技术水平的认可。蒸汽发生器的基本制造流程如图1所示。
蒸汽发生器主体部分的制造, 按照各部件的相关性, 大体可以分为上部组件的制造和下部组件的制造两部分。
上部组件主要包括上封头、上部筒节、管嘴筒节、板式分离器、旋风分离器、给水环、给水接管和二次侧人孔等部件。其中上封头、给水接管和二次侧人孔均由锻件加工, 因此在保证锻件制造质量的同时, 在加工前还要对所有锻件进行严格的检查验收。上封头呈椭球型, 锻件毛坯经粗加工后, 对上封头内表面进行镍基堆焊, 然后装焊内部的支撑筒节和蒸汽出口安全端, 并机加工得到完整的上封头组件。上部筒节和管嘴筒节则是由相应材料的钢板卷制而成, 卷制后组焊成为上部筒体组件。上封头组件和上部筒体组件焊接后加工各接管口和人孔坡口, 检验合格后组焊给水接管和二次侧人孔等部件。板式分离器和旋风分离器作为蒸汽干燥的主要设备, 主结构由钢板焊接得到。组焊完成后的壳体部分在热处理后经喷砂处理, 进行分离器和给水环的组装, 从而完成上部组件的制造。
下部组件主要包括水室封头、管板、筒节、包壳和传热管等部件。水室封头锻件经粗加工后进行堆焊, 随后加工一次侧人孔并装焊一次侧接管安全端和水室分隔板。锥形筒节、中筒节和下筒节组焊成为下部筒体后与堆焊和深孔钻完成的管板进行焊接, 在安装包壳、流量分配板和管束支撑板之后进行传热管的安装。传热管束的安装需要在清洁室中进行, 并经过定位胀接、封口焊接和液压胀接等工艺流程, 同时还要进行氦气检漏和涡流检验以严格保证传热管安装的质量。安装好包壳顶盖之后, 包含管束的下部壳体与水室封头进行焊接, 下部组件制造完成。
最终上部组件和下部组件焊接, 在水压试验合格之后清理、涂漆, 然后包装、发运。
不难看出, 蒸汽发生器的制造需要投入很高的人力和物力, 并需要尖端的装配制造技术予以支持, 特别是关键部位和关键工序的制造过程, 对管理、监督、设备和制造人员技术水平的要求都是极其严格的。因此, 不断加深对相关质保体系内容和规定的理解, 加强对从业人员进行培训教育, 改造或引进领先的制造设备, 是蒸汽发生器制造厂提升制造能力和产品质量水平的必经之路。
3 蒸汽发生器的制造难点
3.1 大型锻件的制造
蒸汽发生器中的大型锻件主要包括上封头、锥形筒节、水室封头和管板等, 这些锻件是蒸汽发生器的主要组成部分, 它们的质量在很大程度上决定了蒸汽发生器产品的安全性能和实际运行效果。总体来说, 蒸汽发生器中的锻件普遍具有规格重量大、形状复杂、材料性能要求苛刻等特点, 对锻造水平具有极高的要求。很长时间以来, 我国核电设施中蒸汽发生器的关键锻件都依赖进口, 而随着技术能力的提升, 目前中国一重等国有大型制造企业, 已经具备了提供优质蒸汽发生器锻件的能力。
蒸汽发生器锻件制造的难点主要体现在冶炼过程中对有害元素的控制、浇注环节多炉合浇技术的掌握和锻造时对承受辐射区域材料机械性能的保证。以第三代核电技术的代表--AP1000蒸汽发生器锻件的制造为例, 为了满足其SA508 Gr.3 Cl.2锻件较低的无延性转变温度 (NDTT) , 需要钢材具有很高的纯净度和均匀性。在冶炼的控制方面, 应注意精选原材料, 严格控制有害元素P、S、H及其他微量元素, 同时采用碱性电炉冶炼加钢包炉外精炼的工艺, 并辅以剧烈的氩气搅拌。其中钢包炉外精炼的主要目的是最大限度地脱除O、S、H等元素及其它非金属夹杂物, 而较高的氩气搅拌强度则是为了在较高的真空度下增强钢水中的传质作用, 提高钢水的纯净度和均匀性。在浇注的工艺方面, 应采取真空浇注的方式, 以防止钢水的二次氧化。还应注意合理采用多炉合浇工艺, 按照多炉出钢顺序和钢水量, 适当控制不同炉次的碳含量和出钢温度, 以减少大型钢锭在凝固过程中的偏析, 并改善钢材中夹杂物的上浮条件。在锻造的技术方面, 应采用适当锥度和高径比的钢锭以及适宜的锻造比, 来实现通过锻造破碎钢锭的铸态组织, 焊合钢锭内部的疏松、裂纹、气孔等缺陷, 改善第二相化合物及非金属夹杂物在钢材中的分布, 提高力学性能, 保证锻造效果。
3.2 管板的堆焊和深孔钻
管板的一次侧应堆焊镍基合金, 堆焊时应严格保证每条焊缝的质量, 即焊缝应是平滑的、均匀层叠的, 无凹陷和焊瘤。焊缝的高度以及焊缝间的重叠度均不能超过规定的数值。在堆焊过程中若出现个别缺陷, 必须在堆焊下一道焊缝之前用机械方法清理掉。当在较大堆焊区域内频繁出现缺陷或发现堆焊层脱开时, 应及时停止堆焊直至查明和消除产生缺陷的原因为止。
管板一次侧堆焊量很大, 例如CPR1000蒸汽发生器, 管板直径3463mm, 其中一次侧需要堆焊面积的直径达3190mm (约8m2) , 堆焊厚度至少8mm, 而AP1000蒸汽发生器需要堆焊的面积约12.4m2, 厚度则需要10mm左右。由于管板堆焊面积大, 而且镍基合金堆焊层与管板母材的线膨胀系数相差很大, 在堆焊层容易产生较大的残余应力, 从而导致熔合线低合金钢母材容易产生裂纹缺陷。同时, 由于镍基合金熔池流动性差, 对杂质敏感程度高, 加之堆焊层搭接处存在焊缝形状突变, 使得该部位极易产生夹渣, 造成堆焊质量不合格。因此, 制定合理的管板处理工艺方案, 控制堆焊层内应力和母材、焊材的含氢量, 以及采用适当的搭接量和焊接规范参数, 以便于排渣, 是控制管板堆焊质量的关键。
管板堆焊完成之后, 要进行钻孔。由于管板的厚度较大 (CPR1000蒸汽发生器管板厚度为557mm, AP1000蒸汽发生器管板厚度为798mm) , 对深孔加工能力的要求很高。目前, 对于管板的深孔钻主要采用BTA深孔加工技术, 影响钻孔精度的影响因素主要包括以下几个方面。
在设备条件方面, 主要是对钻杆直线度的控制和钻头材质的保证, 以及在加工过程中对管板的固定。由于管板孔加工的深度很大, 因此需要严格控制钻杆在钻孔时的直线度, 否则对整体钻孔质量和后续装配传热管的影响是相当大的。同时, 钻头的材质及力学性能也需要严格把关, 以免造成因钻头破坏而造成的管孔内壁划伤。对于管板的固定则需要设计稳固可靠的工装辅具, 确保在深孔加工过程中不发生管板位置的偏移。
在工艺流程方面, 则需要在反复试验的基础上, 编制钻孔工艺规程, 确定切削用量等重要参数。在加工管板孔之前, 要进行大量的论证试验, 一方面为了使操作人员熟悉钻孔设备和流程, 另一方面也便于通过对管板试块的钻孔试验, 充分了解在钻孔过程中可能遇到的各种情况, 为合理地确定工艺流程和设备参数做好准备。同时, 还应注意钻头刀具的使用寿命, 应事先确定好使用每组钻头加工孔的数量。比如, 韩国斗山重工在进行AP1000蒸汽发生器管板的深孔加工时, 就规定每个BTA钻头最多钻20个管孔就报废, 不再继续使用。
在管孔的检查方面, 应注重对孔径、相邻孔距、孔的直线度和光洁度等方面进行细致检查。发现问题, 及时排查并纠正。
3.3 支撑板和传热管的装配
支撑板的作用是支撑、分隔数千根传热管, 同时保证二回路系统中的水和蒸汽在蒸汽发生器壳体内均匀稳定地流动。为了保证后续传热管装配的顺利进行, 支撑板在装配过程中, 首先要确保各支撑板相对应孔心的直线度。为了实现这个要求, 一般的做法是采用激光校直的方法, 同时要设计开发保障支撑板在安装过程中精确、稳定移动的工装辅具。
支撑板装配完毕后, 进行整体清洁, 清除焊渣和污物, 然后蒸汽发生器下部壳体整体吊入密封的清洁室中, 进行传热管的装配。对于立式U形管蒸汽发生器, U形管制造厂商通常在检验后, 将合格的管材按其在蒸汽发生器内的排列位置装箱发货, 因此, 在进行装配时, 就根据不同的位置逐箱进行。传热管的装配需由经验丰富的技术人员协力完成, 装配的质量将直接影响蒸汽发生器内部热量交换的效率。
3.4 传热管与管板的焊接与胀接
传热管与管板的焊接是蒸汽发生器制造过程中焊接方面的技术难点之一, 从以往国内外的制造经验反馈来看, 这个焊接过程很容易出现质量问题, 造成水压试验时出现渗漏情况。同时, 由于此处焊接不合格造成的"堵管"情况, 也影响着蒸汽发生器的工作效率和使用年限。传热管与管板的焊接技术中, 首先要确定合适的焊接接头, 然后根据技术要求采用适当的焊接方式并通过实验进行充分的工艺评定。焊接时, 要特别注意施焊部位的清洁, 对每条焊道进行充分清理后再进行焊接操作。
在蒸汽发生器传热管与管板的连接中, 除了要进行管端的焊接, 还要进行沿管板全厚度的胀接。胀接能有效地防止传热管与管板间隙的腐蚀, 也能起到防止管子拔脱的作用。传热管胀接对设备的要求较高, 目前的胀管技术中, 主要采用液压胀的方法。较之传统的机械胀, 液压胀管工艺简单, 一次成形, 同时控制的精度高, 在过渡处能圆滑过渡, 从而减少残余应力, 提高胀接的质量。
3.5 关键部位的焊接
关键部位的焊接主要包括分隔板与水室封头的组焊、水室封头和管板的焊接以及上部组件和下部组件的最终焊接等。其中分隔板与水室封头的焊接过程中, 主要难点在于工装辅具的设计和对焊接变形的控制。该焊接变形包括隔板本身的变形和水室封头的变形两部分, 所以必须充分考虑引起变形的各个因素, 制定合理的焊接顺序和方法。而对于水室封头与管板的的焊接, 首先要对水室封头和管板的装配进行检查, 使其满足公差的要求。而后应对焊接的工艺流程做全面的分析, 保证焊缝质量。上部组件和下部组件的最终焊接, 则因为该焊缝为蒸汽发生器主体结构的最后一道焊缝, 所以只能由经验丰富的焊接技术人员, 在狭小的空间内进行焊接操作, 同时还要保证在焊接过程中不产生额外的污染。
总体来说, 蒸汽发生器关键部位的焊接对于技术人员、焊接设备和管理体系的要求都是相当高的, 是对制造厂综合能力的考验。
3.6 无损检验
用于进行无损检验的时间在蒸汽发生器的制造周期中也占有很大比重, 无损检验的结果不仅是对整个制造过程的控制和产品质量的体现, 也是在制造中及时发现问题的手段。制造时, 无损检验主要是为了查明缺陷的部位和类型, 而对无损检验方式的选择主要参考材料的种类、加工工艺、待测表面的状态和几何形状、预计缺陷的大小和检验方法的灵敏度等。相比于一般的工业产品, 蒸汽发生器制造过程中的无损检验要求更为严格, 对检测人员、设备、方法的要求也更高。蒸汽发生器制造相关的无损检验包括对锻件的检验、对焊缝、机械加工表面的探伤和对传热管与管板焊接后的氦气检漏等。对不同部位的的无损检验有着不同的标准和要求, 在制造中必须严格执行。
4 结语
蒸汽发生器的制造过程中有很多重点和难点都直接影响着整体制造的进度和产品的质量, 对于正在逐步实现国产化的我国核电设备制造产业来讲, 抓住重点、克服难点是我们在制造中必须重视的关键。蒸汽发生器的制造需要优良的设备和优秀的人才, 此外先进的管理和完善的质保体系都是保证蒸汽发生器制造质量的重要因素。以蒸汽发生器为代表, 我国核电的制造业面临着许多技术水平上的难题, 但同时也看到了蓬勃发展的希望。
参考文献
[1]STEAM GENERATOR OF THE POWER GENERATING UNITS OF NUCLEAR POWER PLANTS WITH VVER-1000REACTORS, V.F.Titov, Atomic energy, Vol.77, No.2, 1994
[2]《AP1000蒸汽发生器制造难点分析》, 王培河, 《设备制造》2010
[3]《压水堆核电站蒸汽发生器的制造》, 丁训慎, 《核电站》2003年第4期
蒸汽发生器 篇2
某石化炼油厂催化装置一中蒸汽发生器在使用过程中发生泄露, 在停工检修期间对其发生泄露的原因进行调查分析, 初步找出泄露的主要原因, 并确定了修复方案, 管束返厂进行修复, 修复后使用一段时间发生二次泄露。
二、换热器管束泄露存在的主要缺陷
该换热器管束在检修期间进行返厂修复, 首先对一中蒸汽发生器管束的管板、管束进行了外部宏观检验, 发现管板外表面布满油污, 将入口、出口两侧管板外表面进行清理, 并进行PT/100%/Ⅰ检测, 发现此管束只有入口第一管程处管板与换热管角焊缝根部、管板管桥处存在大量裂纹, 有的已延伸至管板内部及换热管上, 且裂纹方向不一入口其它管程及换热器出口侧均无裂纹及其它缺陷。
三、初步分析产生泄露的原因
此换热投入使用时间较短即发生了泄露, 因此对产生泄露的原因进行了初步分析, 从换热器在厂制造及设备现场使用两方面进行了分析。初步认为是由于设备在制造过程中, 换热管与管板焊缝存在一定的焊接残余应力, 该设备在使用过程中, 换热管板入口第一管程在高温条件、硫腐蚀等环境下发生开裂, 裂纹不断扩展直至延伸至管板及换热管。
四、修复方案确定及修复过程
通过多方讨论研究最终确定此换热器管束的修复方案为将第一管程的215根换热管全部进行更换。修复的主要过程及出现的难点:
1. 首先将第一管程的215根换热管全部抽出。
换热管抽出后, 发现焊接裂纹从管板外侧往管板内部延伸, 有个别的换热管管壁也有延伸裂纹, 仔细观察发现, 入口第一管程管板上存在大量的裂纹, 而且裂纹走向不一, 且较长较深。管板上裂纹的清除为重点问题, 处理不当或清除不干净, 可能使整块管板报废。考虑到此换热器经过使用, 所以在清除管板裂纹前, 为防止裂纹的再扩大延伸, 对管板进行了6h-8h的消氢处理, 然后在进行裂纹的清除工作。图1为换热管抽出后, 管板上存在裂纹情况。
2. 采用砂轮修磨的方法, 清除管板上的所有裂纹。
管板裂纹存在较多, 清除较困难。图4为裂纹清除后的管板表面。
3. 管板上的裂纹清除后, 对管板进行PT/100%/Ⅰ检测, 确保裂纹完全清除干净后, 方可对管板进行补焊。
为减少补焊处焊接应力, 提高抗裂性, 避免裂纹的产生, 焊接前, 对第一管程管板进行150-200℃的预热, 图3。管板补焊采用钨极氩弧焊。
4.
换热管采用标准GB 9948-2006《石油裂化用无缝钢管》, 按图纸规定值进行逐根试压, 保证换热管本身无泄漏, 无裂纹, 图4。试压合格后, 进行换热管的管头处理。
5.
管板补焊完成并打磨至与原管板齐平后, 再次进行渗透检测, 确定无裂纹及其它缺陷后, 方可进行穿管作业。
6. 换热管与管板焊接。
换热管与管板焊接严格按照图纸要求进行组装, 并进行强度焊+贴胀。焊接采用管板自动焊机焊接, 严格按照焊接工艺规定的焊接参数进行施焊。因为管板已经焊接修补过, 经过很多次热冷过程, 硬度有一定的提高, 因此采取了焊接前进行150-200℃的预热, 并使换热管与管板焊接时始终保持焊接部位处于150-200℃之间, 并采取合理的焊接顺序, 减少焊接变形。换热管接头全部焊接完毕后立即进行了620±20℃的焊后消除应力热处理, 减低焊缝的残余应力。
7.
热处理后对换热管与管板焊接接头进行PT/100%/Ⅰ检测, 经检测, 第一管程管头没有裂纹的缺陷的存在, 检测合格。之后进行管头的胀接。图5, 图6为修补完成后的管板。
8.
管束回装, 现场试压, 管束回装后, 按照规定试验压力进行试压, 试验过程中, 管束管头无泄漏, 试压合格。
五、修复后的使用情况
此一中蒸汽发生器经过此次修复, 没有达到预计的使用效果, 虽然修补完成后, 经过试压没有泄漏, 但是经过4个月的使用后, 此台换热器管束再次发生了泄露, 泄漏情况与第一次相同, 都为入口第一管程出现裂纹导致泄露。经多方研究决定, 此台换热器管束报废, 不具备再次修补的条件。
此台设备管束从投入使用至失效报废还不到一年的时间, 初次泄露时相关方进行了初步的原因分析, 再次泄露发生的原因应该进深一步查找, 为重新制造管束防止类似情况泄露, 做好预防措施。
六、防护、改进措施
此台换热器管束报废, 引起多方的深思与重视, 因为此管束只在入口第一管程处产生裂纹的最终原因不明确, 制造厂重新制作一台换热器管束不能保证不再发生类似情况的泄露。经过初次泄露的原因分析及查阅了其它多台类似管束泄露的情况, 笔者初步总结了防护、改进的措施。
1.
设计方面是否应该结合现场使用及工艺操作情况, 重新考虑设备的结构缺陷及材质是否升级问题, 改变换热管与管板的连接形式或者进行必要的材质升级, 降低管板焊缝部位的残余应力集中及操作介质腐蚀元素的影响。
2.
制造厂在制造管束的过程中, 管板与换热管的焊接采用合理的焊接方法和焊接顺序, 并采取必要的消除应力热处理, 降低管板处焊缝的残余应力。
3.
蒸汽发生器 篇3
1 系统控制结构
1.1 系统硬件结构
CPMA1是日本OMROM公司的小型可编程控制器 (PLC) , PLC是采用微电脑技术来完成顺序控制的自动化器件。可以根据生产过程和工艺要求编制控制程序, 在现场输入信号 (按钮、传感器等信号) 的作用下, 按照预先的程序控制现场的执行机构 (电磁阀、接触器) 进行动作。
采用日本OMROM公司CPMA1 PLC改造LDZ-20-0.2电热自控蒸汽发生器, 控制功能齐全, 结构简单紧凑, 完全取代原控制系统的离散逻辑器件, 减少了接线, 大大的减少了故障发生点, 并根据生产的需要增加新控制功能, 不必重新接线, 只需要根据新的控制要求编制新的控制程序。
LDZ-20-0.2电热自控蒸汽发生器工作控制要求, 输入点有十七个, 即水箱起停、水箱手动/自动选择、水箱上下限检测、本体手动自动选择、本体压力上下限检测、故障复位按钮、水箱液位检测和本体液位检测。输出点有十二个, 即四个电磁阀、三组加热控制、六个液位指示和一个故障报警。系统容量不大, CPMA1完全能满足控制要求, 替代原控制系统全部的逻辑控制部件。
1.2 I/O分配表
日本OMROM公司的CPMA1可编程控制器 (PLC) , 采用固定编制, 输入、输出点的地址, 取决于PLC外部具体接线位置, 把使用相同电源的输出点划分在同一COM区。
1.3 系统逻辑
当本体水位下降到地位时, 本体进水电磁阀打开, 同时本体与水箱相连的均压管路上电磁阀打开, 完成本体顺利进水。当本体压力达到上限时, 加热断开;离开上限时只有本体Ⅰ在加热。同样当水箱水位下降到低位时, 水箱进水电磁阀工作, 水箱排汽阀打开, 实现顺利进水;当水箱水位顺利达到上限时, 加热断开;本体进水时水箱不得进水, 水箱、本体水位达到极低时, 均有报警。在手动位置时, 水箱和本体可分别实现加热起停控制。
2 控制系统软件设计
如图1所示。
在确定了控制系统构成、系统逻辑、I/O分配表后, 系统的控制功能, 就由一定的控制程序来实现, 并且根据生产的需要增加新控制功能, 不必重新接线, 只需要根据新的控制要求编制新的控制程序。
3 系统使用情况及结论
开始调试时曾出现水箱向本体进水缓慢, 经检修确定为管道阻塞, 修复管道、阀门, 并清除水垢。系统运行正常, 满足生产用汽。实践证明, 用CPMA1 PLC具有自检功能, 能判断自身的每一个硬件故障, 有利于整个电控系统的维护。只有保障系统的可靠性, 才能谈得上经济性, 才能发挥蒸汽发生器的效用, 为分厂节能降耗, 创造良好的经济效益。该电控系统可与其他PLC计算机等智能化设备联网通信, 为今后实现车间及厂级监控系统做好准备。
摘要：通过对原蒸汽发生器电控系统的分析, 用日本OMROM公司的小型可编程控制器PLC--CPMA1构建系统硬件, 实现电控系统的自动化改造。
蒸汽发生器 篇4
1 封头锻造方案的介绍
在蒸汽发生器9大筒体锻件中, 以水室封头和上封头的结构最为特殊和复杂, 他们分别作为核电厂一回路和二回路的压力边界, 安全分级分别为SC-1、SC-2, 质保分级为QA1, 抗震类别为I类, 具体设计参数见表1。
随着AP1000主设备国产化的发展, AP1000蒸汽发生器由国内设备制造厂生产, 其锻件也由国内制造厂供货, 但是由于蒸汽发生器筒体锻件锻造工艺的复杂, 加之国内锻件制造厂综合制造能力有限, 锻件锻造过程中极易出现不符合项, 产品合格率低。尤其像水室封头和上封头这样结构相对复杂的大型重型锻件, 锻造难度更大。为了降低锻件的制造难度, 在现实的制造过程中, 制造厂会提出水室下封头或上封头分体锻造的方案, 即把水室封头分为水室封头底和水室封头环两部分, 上封头分为上封头顶和上封头过渡环两部分来锻造, 分别如图2所示。
2 整分体锻造方案的比较
在蒸汽发生器封头锻件现实制造过程中制造厂可能会提出的不同锻造方案, 作为设备采购方选择哪种锻造方案, 需要从多方面进行综合考虑, 认清锻件不同锻造方案下制造工艺的特点、设备成品的安全性和制造周期, 对锻造整分体方案的选择有一定的参考意义。
2.1 炼钢工艺
AP1000蒸汽发生器锻件采用的是全新的低硅铝脱氧炼钢工艺 (LVCD+LB3) , 与传统二代半核电锻件采用的双真空冶炼工艺 (CD+LB3) 不同。目前这种冶炼工艺本身国内的制造厂掌握还不成熟, 钢水的纯净度不太理想, 会直接造成蒸汽发生器锻件机械性能合格率偏低。加之蒸汽发生器上封头和水室封头的整体锻造所需钢锭重量都超过了200多吨, 这需要采用多包合浇的炼钢工艺, 封头整体锻造对每包钢水的化学成分的均匀性也提出了高的要求。实际炼钢过程中, 多包合浇产生的钢锭的化学成分不均匀的几率比较高, 造成锻件的废品率高, 给制造厂的制造增加了不少成本压力。而分体锻造把锻件所需的钢锭质量大大减小, 可以采用单包钢水浇注, 炼钢工艺相对简化, 化学成分的均匀性也易于控制, 产品的合格率高。
2.2 锻造工艺
蒸汽发生器封头锻件整体锻造所需的钢锭的重量大, 锻造所需的工装相应的要具有更强的锻造能力。由于封头整体锻造所需的锻件重量大, 锻件在实际镦粗时的变形量也大, 内部容易出现横向内裂层状缺陷, 在超声波探伤时整体锻造的封头锻件比分体锻造的封头锻件的废品率高。如蒸汽发生器整体锻造的上封头结构呈椭球形, 这就要求在专业模具内进行墩粗。整体锻造的上封头比分体锻造的上封头顶部要深很多, 内部不易锻透。而分体锻造比整体锻造能更好地确保上封头顶部的锻造比, 分体锻造的上封头与整体锻造的上封头相比具有更好的机械性能。
2.3 热处理及机加工
蒸汽发生器整体锻造的锻件体积大、外形复杂, 在热处理时变形量大。实际生产过程中整体锻造的封头在外形复杂的局部区域和热处理变形严重的区域, 会发生机加工余量超过设计规定的值不符合项。尤其是蒸汽发生器的上封头, 它具有直径大、质量大、壁厚薄的特点, 热处理时极易发生热变超差, 从而导致锻件的报废。整体锻造的封头球冠部位比较深, 这样会使锻件某些结构复杂的区域的热处理条件变差, 从而导致热处理时达不到规定的性能要求。而分体锻造的封头锻件外形相对简化、热处理时变形量会相对减小, 锻件的机加工余量更容易控制, 外形也更接近于成品的形状。
2.4 安全性
分体锻造的封头锻件会使整个蒸汽发生器筒体焊缝的数量增加, 如果一台机组两台蒸汽发生器水室封头都采用分体锻造, 那就会是整个一回路压力边界增加两条焊缝, 由于这些焊缝的存在, 就可能会出现未熔合、未焊透及残余应力等潜在因素, 这样会使蒸汽发生器及整个一回路压力边界多了两道薄弱环节。在放射性的环境下, 60年寿期内焊缝的抗拉压、抗弯和抗剪强度是否会和母材的相同还是个未知数, 这也就蒸汽发生器安全上增加了一些不确定性, 同时焊缝的增加也会增加蒸汽发生器役前和役中检查的工作量。整体锻造的封头与分体锻造的封头相比会使蒸汽发生器的整体安全性更好。
2.5 制造周期
由于蒸汽发生器封头锻件整体锻造相对困难, 并且整体锻造过程中一些工艺技术还不成熟, 使得蒸汽发生器整体锻造的封头锻件的返工率和报废概率都要比分体锻造的高, 制造厂的成本压力大, 制造风险大。相比之下, 整体锻造方案的经济性不如分体锻造方案。一台蒸汽发生器正常制造周期为48个月, 采用整体锻造方案时, 锻件的返工率和报废率的增加会延长蒸汽发生器的制造周期, 造成设备供货进度滞后。蒸汽发生器又是AP1000核电厂建造工期中关键路径上的设备, 其制造周期的延长, 势必造成AP1000核电厂建造后续工序工期的拖延, 从而会影响AP1000核电厂的整个建造工期。分体锻造与整体锻造相比锻件制造的成功率相对较高, 使得蒸汽发生器的制造周期有保障, 结合目前制造工艺, 从保守决策的核电理念出发, 应考虑蒸汽发生器封头锻件的分体锻造方案。
3 结语
AP1000蒸汽发生水室封头锻件和上封头锻件是采用整体锻造还是采用分体锻造方案, 要和项目的实际进展情况以及制造厂的实际制造能力结合起来。若项目工期比较紧张, 应选择分体锻造方案;若项目工期较为宽松, 应选择整体锻造方案。鉴于AP1000蒸汽发生器服役周期长, 难以更换, 维修困难, 其完整性直接影响到核电厂的安全和寿命的特点。考虑到封头锻件整体锻造的蒸汽发生器整体性能会更优, 从核电厂长远运行的角度出发, 也应尽量采用封头整体锻造的方案。由于现在锻造技术的局限性和工期的要求, 我们会选择蒸汽发生器封头锻件的分体锻造方案, 但随着科学技术的进步和制造经验的积累, 相信蒸汽发生器封头锻件将会必然由整体锻造方案完全取代分体锻造方案。
摘要：AP1000蒸汽发生器作为核电厂最重要长周期设备之一, 在设计和制造上有其特殊的要求和困难, 蒸汽发生器制造过程中使用了大型的锻件, 现实制造中蒸汽发生器封头锻件既可以分体锻造又可以用整体锻造, 分析这两种锻造方案的制造工艺、安全性、制造周期以及其他方面的特点, 为采购蒸汽发生器时方案的选择提供参考。
关键词：AP1000,蒸汽发生器,锻造
参考文献
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蒸汽发生器 篇5
秦山第二核电厂的蒸汽发生器是一个立式的、自然循环式的、产生饱和蒸汽的装置。它由外壳、U形传热管、汽水分离器和套筒等部件组成。反应堆冷却剂在传热管内流动, 把热量传递给管外的二回路水, 二回路水在蒸汽发生器内自然循环, 在它流经传热管外时有一部分水变成饱和蒸汽, 供给主汽轮机和辅助设施。作为反应堆的第二道屏障的组成部分, 蒸汽发生器在有放射性的一回路系统和无放射性的二回路系统之间提供了屏障。对于一个主控操纵员来说, 蒸汽发生器水位的控制是非常重要的, 只有对蒸汽发生器水位的各个影响因素了解清楚以及掌握了各因素之间的相互关系后, 才能在蒸汽发生器水位发生异常时作出准确而有效的应急措施, 从而确保反应堆及汽轮机的安全可靠运行。
主给水流量调节系统 (ARE) 的功能是向蒸汽发生器供应给水。这水来自凝结水抽取系统 (CEX) 的凝汽器, 并通过给水除氧器系统 (ADG) 的水箱。水在低压加热器和高压加热器内加热 (ABP和AHP) , 依靠主给水泵供水。蒸汽发生器的供水量由给水流量控制系统进行调节, 它将蒸汽发生器二次侧的水位维持在一个随汽轮机负荷变化所预定的基准值上。
本文将从蒸汽发生器水位控制入手, 分析影响SG水位的相关系统, 并对机组运行以来发生的一些SG水位瞬态变化的事件加以简要分析。
1 蒸汽发生器水位控制原理
设置蒸汽发生器水位调节系统的目的, 就是为了维持蒸汽发生器二次侧的水位在需求的整定值上。
水位不能过高, 否则将造成出口蒸汽含水量超标, 加剧汽轮机的冲蚀现象, 影响机组的寿命甚至使汽轮机损环。而且, 水位过高还会使得蒸汽发生器内水的质量装量增加, 在蒸汽管道破裂的事故工况下, 对堆芯产生过大的冷却而导致反应性事故的发生。如果破裂事故发生在安全壳内, 大量的蒸汽将会导致安全壳的压力、温度快速上升, 危害安全壳的密封性。同样, 水位也不能过低, 否则, 将会导致U型管顶部裸露, 甚至可能导致给水管线出现水锤现象。这样, 堆芯余热的导出功能将恶化。
为此, 蒸汽发生器水位整定值设计成随负荷而变化的。这里所说的负荷是由两部分组成的, 即进入汽机的蒸汽流量与排向凝汽器的蒸汽流量之和。在低负荷时, 蒸汽发生器的蒸汽压力高 (出口蒸汽压力在零负荷时为7.6MPa) , 水的密度大, 确定较低的水位定值是为了保持蒸汽发生器中的水装量较少, 以防止在主蒸汽管道破裂时, 向安全壳释放更多的能量, 造成安全壳破坏。
在20%负荷以下, 水位定值随负荷增加而提高。这是因为在负荷减小时, 由于蒸汽发生器中汽泡数目减少, 使蒸汽发生器中水的密度增加 (降低比容) , 为了使水位不至于下降到低水位保护动作, 水位随负荷增加而线性增加。
在20%—100%负荷时, 水位定值维持在51.6%水位不变。因为随着负荷的增加, 蒸汽发生器中汽泡的数目和尺寸都增加, 这就降低了蒸汽发生器中水的密度, 提高了比容。这时如果不减少蒸汽发生器中的水的质量, 其水位将会升高到淹没二级汽水分离器, 达到不可接受的程度。所以为了保持蒸汽发生器出口的干度, 在20%—100%负荷时, 水位控制系统将水位维持在51.6%恒定。
同时, 蒸汽发生器水位也参与保护动作, 水位定值情况如图1所示。
1.1 主给水泵系统 (APA)
1.1.1 系统功能
1) 在各种工况下, 本系统能通过高压给水系统, 从除氧器连续地向蒸汽发生器输送除氧水。
2) 系统设有三台电动主给水泵, 正常运行期间, 两台运行, 一台备用, 三台泵可以任意切换。
3) 当两台运行的电动主给水泵组中一台脱扣时, 处于备用状态下的电动主给水泵快速启动。
4) 具有变速功能, 能在反应堆整个热功率范围内, 满足蒸汽发生器给水流量调节系统 (ARE) 控制给水的流量要求。
1.1.2 主给水泵转速调节原理
每台蒸汽发生器都有各自独立的水位调节系统, 通过改变调节阀门的开度以改变给水流量从而达到控制水位的目的。但是, 二台蒸汽发生器的给水母管是共用的, 如果只是单独采用水位调节方式, 当一台蒸汽发生器的水位偏离整定值而需要改变给水调节阀的开度以改变给水流量时, 将会引起给水母管压力的改变, 而此时另外一台蒸汽发生器的给水调节阀开度并没有改变, 因而其给水流量因给水母管压力的变化而产生变化, 这样, 在这台蒸汽发生器内将出现汽—水流量不平衡状况, 从而也会发生了水位的波动。为了避免这种相互间的不良影响, 避免给水调节阀的频繁动作, 改善水位调节系统的工作环境, 引入了给水泵转速调节系统, 通过调节给水泵的转速使得给水阀的压降在正常的负荷变化范围内 (0~100%FP) 维持近似恒定, 从而优化给水调节阀的工作条件。
主给水泵系统维持给水母管与蒸汽母管之间的压差随负荷变化, 从而保证调节阀的压降保持近似不变, 从而消除了两台蒸汽发生器之间的耦合影响。给水母管与蒸汽母管之间的压差随负荷变化而呈抛物线变化, 作为近似, 可以用一条折线来表示, 如图2所示:
图中:给水母管和蒸汽母管的总压降△P由四部分组成:
通过调节给水泵的转速, 我们能保证泵的出口压头和流量都随负荷变化而变化。这样不仅能维持给水阀的压降不变, 而且能使压头与图2所示的总压降曲线相吻合, 从而消除了两台蒸汽发生器之间单独的流量调节之间的不良耦合。
主给水泵转速调节原理如图3所示, 主给水泵转速控制原理 (见下页模拟简图) :实测的“汽水母管压差”信号与根据蒸汽总流量整定的“汽水母管压差”实测值进行比较后, 经PID输出, 与“液力耦合器控制信号的平均值”比较后, 经一积分环节送出每台主给水泵的“液力耦合器控制”信号, 经过每台主给水泵的“手自动控制站”, 转换为4~20毫安电流信号后送入液力耦合器伺服机构PLC控制器, 同时伺服机构的“液力耦合器反馈”信号也送入该PLC, 两者进行比较, 达到整定的差值后送出开关量信号, 启动伺服电机正转或反转, 以调整勺管位置, 达到调节转速的目的。
1.1.3 主给水泵连锁跳泵逻辑的修改
二期设计为两条6k V母线为三台电动主给水泵供电, A、B泵各占一条母线, C泵挂在两条母线上, 接线如图4。
1) 正常运行时A、B泵运行, LGA6和LGB4放备用
2) A泵的备用启动命令有三个:BLGA6LGB4泵跳
3) B泵的启动命令将达到三个ALGA6LGB4泵跳
4) LGA6的启动命令为A泵跳
5) LGB4的启动命令为B泵跳
1.2 蒸汽发生器水位控制原理
我们厂的蒸发器水位调节系统是一个利用水位偏差 (要求值与实测值的偏差) 、蒸汽流量和给水流量的三冲量串级调节系统, 通过调节主给水系统的主给水调节阀和旁路调节阀来改变主给水流量, 从而达到维持蒸汽发生器水位在程序整定水位。两台蒸汽发生器分别用两套控制回路来调节液位。对于每台蒸汽发生器而言, 其水位的调节是通过控制进入该蒸汽发生器的给水流量来完成的。每台蒸汽发生器的正常给水回路设置有两条并列的管线:主管线上的主给水调节阀用于高负荷运行工况下的水位调节, 旁路管线上的旁路调节阀则是应用于低负荷及启、停阶段的运行工况。其调节原理如图5所示。
给水主调节阀可保证1854t/h的受控流量 (名义流量的95%) , 旁路调节阀可保证的受控流量为293t/h (设计流量) , 实际上旁路调节阀可保证360t/h的流量 (名义流量的19%) 。流量控制由两个互补的通道来保证:
1) 两参量 (蒸发器水位-负荷) 控制通道, 它在低负荷 (小于18.5%FP) 时运行, 使旁路调节阀 (ARE242、243VL) 动作;此时主调节阀保持全关状态。
2) 三参量 (蒸发器水位-给水流量-蒸汽流量) 控制通道, 它在高负荷 (从18.5%FP到100%FP) 时运行, 使给水主调节阀 (ARE031、032VL) 动作。在这种情况下旁路调节阀保持全开状态。
1.2.1 旁路给水调节阀调节原理
1) 旁路调节阀设计是调节大约19%的额定流量, 用于启动和低负荷工况。因为在低负荷时, 测量流量的节流装置两端的压差太小, 流量测量不精确, 信噪比也变得较差。此外, 在低负荷时, 如果采用主给水调节阀, 它在较小的开度下频繁调节, 会带来阀座过度磨损, 并且在较小开度下, 其调节性能很差。因此在负荷低于18.5%时, 主给水调节阀保持关闭, 只使用旁路调节阀调节。
2) 用于旁路调节的信号有水位调节器给出的给水流量需求信号和低负荷下蒸汽总量信号。蒸汽发生器的实测水位与根据蒸汽负荷得出的程序水位定值比较后, 给出水位偏差信号, 经过给水温度补偿, 再通过水位调节器给出给水流量需求信号。
3) 温度补偿:每台蒸汽发生器装有一台给水温度传感器, 经高选后的给水温度输入变增益函数发生器 (变增益环节) , 如图6。控制系统将水位偏差信号乘以一个随温度升高而增大的系数。其作用是在低负荷时, 给水温度低, 增益系数小, 使调节过程稳定, 避免调节机构的频繁动作。在高负荷时, 给水温度高, 增益系数大, 使调节过程更为灵敏。
4) 水位滤波器:它是一种延迟滤波器, 其作用是避开在负荷变化初期水位变化的过渡过程中各有关参数瞬态变化的干扰, 消除蒸汽发生器“水位膨胀”和“水位收缩”现象对调节系统的不利影响。
5) 低负荷下蒸汽总量信号由二部分组成:汽机的冲动级压力 (窄量程) ;旁路排放的蒸汽流量。给水流量需求信号与低负荷下蒸汽总量信号相减后, 进入流量调节器将流量信号转换为旁路给水调节阀的开度信号, 调节旁路阀ARE242/243VL。在主控室也可以通过手操器直接操作旁路调节阀。低负荷下, 往往GCT-C会有开度, 因此GCT-C阀门开度的变化会引起蒸汽发生器水位的变化, 如果GCT-C阀门快关, 造成SG压力升高, 气泡压缩, 可能导致蒸汽发生器低低水位而停堆。因此, 在低负荷下, 特别是刚并上网时, 一定严密注意GCT-C的开度, 尽量不要出现大的扰动。
6) 当出现P4, 且Tavg<295.4℃信号出现时, 旁路调节阀固定在一个预定的开度上 (60%) 。这一开度一直保持到蒸汽发生器液位达到它们的整定值 (-5%) , 此时正常控制自动恢复运行。为了避免切换过快, 这个信号与一个时间延迟 (30秒) 联锁。
1.2.2 主给水调节阀调节
1) 主给水调节阀调节是一个三冲量串级调节系统 (水位误差、主蒸汽流量、主给水流量) 。这里主蒸汽流量信号在进入调节回路前有一个滤波器, 其作用是在孤岛运行或大幅度甩负荷时, 为了延迟蒸汽流量快速、剧烈地下降, 减小蒸汽发生器水位调节过渡过程中的水位振荡峰值。实测的主给水流量与经过校正后的蒸汽流量相比较, 给出汽/水失配信号, 这里采用汽/水失配信号反映水位变化的趋势比水位偏差信号灵敏, 作为一种前馈信号, 它的引入增加了给水流量的调节速度。汽/水失配信号与水位调节器的输出信号之间的偏差送到流量调节器, 流量调节器将偏差信号转换为主给水调节阀的开度信号。在主控室也可以通过手操器直接操作主给水调节阀。
2) 主给水调节阀调节回路中引入了一个 (6.5%Qn) 偏置信号, 其作用是确保在低于18.5%Pn的功率水平下主给水调节阀保持关闭状态, 避免主给水调节阀和旁路调节阀同时工作, 增加调节系统的稳定性。
总之, 蒸汽发生器水位控制系统是先靠主给水流量调节阀调节。水位降低引起调节阀开大时, 水流侧压差 (△P) 将下降, 同时由于蒸汽流量的增加而引起压差整定值增加, 这将造成主给水泵转速增加, 使压头增加, 流量增加。再通过水位控制系统重新校正给水流量 (即调节阀开度) , 以保持蒸汽发生器水位。
2 蒸汽发生器水位影响因素简要分析
首先, 如果两台蒸汽发生器水位同时产生变化, 出现异常。我们就要考虑主给水泵调节系统是不是出现故障了。每台APA泵转速是不是出现异常, APA调节系统的四个RC是不是出现故障, 这是我们要检查的重点。如果发现异常, 就立即把手操器放到手动, 并调整到正常范围以内, 调整SG水位到正常水位。当然, 产生给水母管与蒸汽母管压差的两块仪表:ARE002MP与VVP004MP也是我们怀疑的对象。同样道理, 在低负荷及冲转并网前时, 由于GCT-C往往会有一定的开度, 这个时候, 排往凝汽器的蒸汽流量的变化以及GCT-C阀门开度的剧烈变化也会对两台蒸汽发生器水位产生不小影响。此时, VVP024/025MP发生变化则会对GCT-C阀门开度产生很大影响。特别是在冲转并网前, 当参与控制的压力表发生高漂时, 会导致GCT-C的阀门关闭, 从而导致蒸汽压力上升, SG内气泡迅速减少, 而由于虚假水位导致停堆。因此, 在冲转并网前, 一定要确保VVP024/025MP的正常性。GRE023/024MP会对蒸汽发生器水位定值产生影响, 也是同时导致两台SG水位产生波动的因素。
其次, 如果只是一台蒸汽发生器水位产生瞬态变化, 则要考虑单台SG水位调节系统中的影响因素了。第一, 水位计的变化产生的影响。如果参与控制的水位计发生变化 (高漂或低漂) , 将直接影响到SG水位的变化, 水位计的变化将导致产生水位偏差, 从而导致给水流量的变化, 进而使SG水位产生进一步的变化。如果发生故障的水位计不参与控制, 那么只会产生报警, 并和其他信号符合产生保护动作, 而对于SG水位控制并不会产生很大影响。第二, 给水流量或蒸汽流量的故障变化, 二者之一的变化会迅速作用在汽水失配环节, 由于微分作用的结果, 会迅速改变给水调节阀门的开度, 进而影响SG水位。第三, VVP压力表的变化 (仅对于VVP010/013MP及VVP011/014MP而言) 也会对SG水位产生影响。由于主蒸汽管道蒸汽流量需要压力的校正, 因此压力变化也会导致蒸汽流量发生变化, 进而影响到SG水位产生变化。在这里, 特别提到的是, VVP010MP及VVP011MP, 这两块压力表不仅对蒸汽流量进行校正, 而且还参与GCT-A的阀门开度控制, 因此, 如果这两块压力表产生故障, 不仅给SG水位带来瞬态变化, 而且有可能使GCT-A的阀门开启, 使一回路发生过冷。
3 结束语
经过几年的运行, 随着运行经验的不断增加, 我们对蒸汽发生器水位控制相关系统和因素的认识越来越深入, 对蒸汽发生器水位控制也积累了不少经验, 对其中一些不尽合理的相关因素作了改造。现在蒸汽发生器水位控制各系统能够相互协调工作, 同时运行经验的不断增加也保证了机组安全稳定运行。
摘要：本文主要介绍蒸汽发生器水位的控制原理, 并结合机组2006年以来的若干事件对蒸汽发生器水位影响因素作简要分析。
关键词：蒸汽发生器水位,主给水泵,给水流量调节系统
参考文献
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蒸汽发生器 篇6
1 DZFQ-84电热蒸汽发生器工作原理
1.1 电路组成
DZFQ-84电热蒸汽发生器的接线原理图,见图1,主要由加水控制电路和加热控制电路组成。
1.2 自动、手动加水控制原理
DZFQ-84电热蒸汽发生器采用高水位、中水位探针控制加水。打开面板上的电源开关K1,电源指示灯L1亮,当水位低于中水位探针时,继电器J1通过高水位开关S1常闭触点得电工作,同时加水指示灯L2亮,J1触点闭合使加水泵M1得电启动给蒸汽发生器内加水,当水位达到高水位探针时,S1常闭触点断开,加水停止,水位自动控制在中水位和高水位探针之间。也可以按面板上的手动加水开关KL实现手动加水功能。
1.3 自动加热控制原理[2,3,4]
DZFQ-84电热蒸汽发生器是采用低水位、极低水位探针控制加热,同时加热也受蒸汽压力控制开关、温度开关控制。当水位高于低水位探针时,交流接触器CJ1、CJ2、CJ3通过低水位开关S2、极低水位开关S3常开触点闭合得电工作,CJ1、CJ2、CJ3触点闭合,3组加热管RL加热,同时面板上加热指示灯L3亮,只有当面板上功率转换开关K2由63 kW转换84 kW时,CJ4交流接触器动作,四组加热管同时工作。当蒸汽压力升到压力控制开关P设置上限时,P断开,停止加热,降到设置下限时,P接通,再重新加热,使产生的蒸汽控制在预先设定的范围内。为了防止干烧,保护加热管,该蒸汽发生器还设有保护电路。当水位低于低水位探针时,S2常开触点是断开的,加热管不加热,同时缺水报警器DL工作,面板上缺水指示灯L4亮;当水位低于极低水位探针时,S3常开触点也是断开的,加热管不加热;当温度达到温度开关TL预先设定温度时,TL断开,停止加热。
2 故障检修实例
2.1 故障一
2.1.1 故障现象
蒸汽发生器内水位低于中水位探针,加水指示灯L2亮,但不加水。
2.1.2 分析与检修
常见的原因为:①继电器J1线圈烧断或触点接触不良;②加水泵M1电机烧了或泵头卡死。首先检查继电器J1,如果线圈烧断或触点接触不良,更换同型号的继电器;若继电器J1工作正常,然后检查加水泵M1,电机烧了更换电机,泵头卡死先检查两个单向阀,用手摸连接单向阀和泵头之间的铜管就可以判断单向阀的好坏,如果很烫,说明单向阀坏掉应更换,然后维修泵头或更换加水泵。
2.2 故障二
2.2.1 故障现象
蒸汽发生器内水位低于中水位探针,电源指示灯亮,但加水指示灯不亮,也不加水。
2.2.2 分析与检修
常见的原因为:①高水位开关S1坏;②中水位、高水位探针坏。首先按下面板上手动加水开关KL,若加水正常,然后检查高水位开关S1和中水位、高水位探针,坏了或接触不良应维修或更换。
2.3 故障三
2.3.1 故障现象
加热指示灯L3亮,但加热慢。
2.3.2 分析与检修
常见的原因为:①交流接触器CJ1-CJ4中有线圈烧断或触点接触不良;②4组加热管RL中有烧断;③加热管上附着很厚的水垢,由于水垢的导热性差[5],所以加热慢。首先检查交流接触器CJ1-CJ4,如果线圈烧断或触点接触不良,更换该交流接触器;4个交流接触器工作都正常,然后就检查4组加热管RL,如果哪组烧断,应予以更换;以上都正常但仍不行,这时应考虑加热管上附着的水垢,常采用机械工具,也可以采用酸洗或碱煮等[6]。为减少水垢的形成,建议给蒸汽发生器供应软化水,最好是反渗水。
2.4 故障四
2.4.1 故障现象
电源指示灯亮,加热指示灯不亮,也不加热。
2.4.2 分析与检修
常见的原因为:①低水位开关S2、极低水位开关S3、压力控制开关P、温度控制开关TL坏;②低水位、极低水位探针坏。首先检查4个开关是否完好,然后检查低水位、极低水位探针是否坏,若接触不良或坏了应对其进行更换。
参考文献
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蒸汽发生器 篇7
电热蒸汽发生器俗成电锅炉,是利用电力加热电阻丝产生的热能把水加热成蒸汽的机械设备,广泛应用在医疗、食品、服装众多行业。水位控制器是蒸汽发生器的中枢神经系统,电子式水位控制器通过三根高低不一的水位电极探针来检测水位,从而控制注水泵的供水和电加热管系统的加热。常规的电子式水位控制器的大致原理如图1所示,采用市电AC220V通过一个工频变压器变压产生AC18V左右、50Hz的交流电源,串接整流桥后加载到水位探针EC和EH的二端,当水位到达高水位探针时,由于水具有导电性,相当于在EC和EH探针间串接一个大约4k～40kΩ的电阻,这样整流桥电路构成回路,使得电压V1大于参考电压Vref,从而比较器U1输出高电平,打开三极管Q1,使继电器K1得电闭合。继电器K1的一组常开触点闭合驱动电加热管,常闭触点断开注水泵停止注水;继电器K1的另一组触点只用了常开触点,当K1打开后,这组常开触点闭合,使得低水位探针电极EL也接入到工频变压器变换出来的交流电源电路中。随着蒸汽的消耗,水位慢慢降低,当水位降到EL探针以下时,EC和EL、EH之间交流回路断开,从而使得V1远远小于Vref,比较器U1输出低电平,Q1关闭,继电器K1断开,使得注水泵开始注水,电加热管停止加热。随着水位慢慢上升到达EH高水位探针后,继电器K1又闭合。如此往复循环,实现对电加热蒸汽发生器的全自动控制。
由于这种常用的电子式水位控制器加在水位电极探针上面是AC8～24V、50Hz的正弦波,电极切换时间慢,形成电解水效应,长时间使用后,不仅腐蚀水位探针,而且探针上容易结垢,这样使用一段时间后就必须更换探针。另一方面,由于电热蒸发器是采用AC220V/380V交流电直接加热放到水里的电加热管,从图1所示可以看出,探针上面的电信号直接连接到内部的比较器U1,所以一旦加热管漏电,那么高电压就直接进入到内部的IC芯片——U1,造成水位控制器不可逆损坏,使得整个蒸发器无法工作。本文提出了一种可以解决以上二个常规水位控制器缺陷的新型水位控制器设计方案。
1 新型水位控制器的原理和特点
针对常规的电子式水位继电器探针容易腐蚀结垢而损坏、加热管漏电造成水位控制器永久损坏这些缺陷,笔者利用二通道运算放大器和小型高频变压器电磁感应原理设计了一种新型的水位控制器,其原理如图2所示。双通道运算放大器U1的A通道运用运算大器的基本原理产生AC 9V1kHz的正弦波,通过电容C2耦合加载到高频变压器T1的原边上。高频变压器的副边直接接到水位探针上,这样就使得水位探针和水位控制器内部电路完全隔离。运算放大器的B通道用于电压比较器,用于比较电压V1和参考电压Vref,当V1大于Vref时,输出低电平,打开Q1,使继电器K1得电闭合;当V1小于Vref时,输出高电平,Q1关闭,使继电器K1断开。
当水位慢慢上升到水位探针EH时,相当于在变压器T1副边绕组二端由原来的开路状态变成了接入一个4k～40kΩ左右的电阻,由于变压器T1的电磁效应,使得副边的电路阻抗变化传导到原边,从而使得V1的电压大幅度升高大于Vref,输出低电平,打开Q1,使得继电器K1闭合,继电器K1的常闭触点断开停止注水,常开触点闭合开始加热;随着水位的慢慢下降,当水位到达低水位探针EL以下时,相当于变压器T1副边二端开路,从而使得V1的电压大幅度下降小于Vref,输出高电平,关闭Q1,继电器K1断开。这样连续循环,实现对电加热蒸汽发生器的全自动控制。
从图2可以看出,该水位控制器内部的电路通过高频变压器和电热蒸汽发生器里面的水位电极探针完全隔离,这样即使蒸汽发生器的电加热漏电,也不会传导到水位控制器内部的电路中烧坏集成电路芯片,水位继电器仍然能正常工作。利用运算放大器产生的高频信号源,通过高频变压器T1加载到水位探针两端,由于频率高——1kHz,而且二个水位探针上面的电极性快速切换,所以常时间使用不会发生电解水现象,水位探针不会结垢和电化学腐蚀。该水位继电器主要IC仅使用一个双通道的运算放大器U1,而且使用的高频变压器功率很小,线圈线径0.05mm,所以整个水位控制器体积小巧,成本非常低廉。
2 该设计方案的元器件选型
该水位控制器设计方案的首要条件是产生一个AC9V左右1kHz左右的正弦波,从图2可以看出,利用运算放大器U1的A通道设计成微分电路,输出1kHz左右的方波通过R5、C5耦合到高频变压器T1的原边上,这样就在变压器T1的副边产生1kHz左右的正弦波。根据理论计算和笔者实际使用经验,图2中的元器件选择如下:
(注:欧姆龙,2常开/2常闭继电器)
T1:线径0.05mm,W1:W2=1:1,Q=40,L=10H定制变压器
上面的元件中,电阻选择普通的0805封装的片阻即可;电容选择普通的J档的磁片电容;U1选择市场上最常用的运算放大器:LM358,价格低,购买方便;Q1选择普通的PNP型三极管:MMBT2907,也可以选择其他型号的通用PNP三极管;K1可根据实际需要的触点容量选择2常开2常闭功率型继电器即可。高频变压器T1没有固定的型号,笔者根据实际应用经验,联系变压器厂家定做的微型变压器,定制变压器只要参数满足,W1:W2=1:1,Q=40,L=10H左右即可。
3 小结
本方案设计的新型电子式水位控制器,与传统常规的水位控制器相比,设计方案独特、巧妙。不但避免水位探针易腐蚀、结垢,电热管漏电容易损坏内部IC的缺陷,而且成本低廉,体积小巧安装方便。该设计方案的新型水位控制器大量应用在高温蒸汽灭菌器设备的电热蒸汽发生器上面,运行稳定可靠,长期工作后没有发现探针腐蚀、结垢的现象,也没有发生水位控制器本身烧毁的故障,实际使用情况证明这种新型的水位控制器能适用于各种电热蒸汽发生器。
摘要：本文设计了一种基于运算放大器的新型的水位控制器,该水位控制器利用变压器的电磁变化和传导原理,实现了对电热蒸汽发生器水位的完全隔离的自动检测、报警、控制。实际使用证明:该控制器性能稳定,性价比高,使用方便,可以应用到各种电热蒸汽发生器上面,具有广泛的应用前景。
关键词：蒸汽发生器,运算放大器,水位控制器,变压器
参考文献
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