嶺澳核電站二期循環水泵超功率的原因分析與處理

張希惠

（中廣核工程有限公司陽江調試分部，廣東 陽江529941）

1 問題概述

在嶺澳核電站二期循環水泵（L3CRF002PO）第1次啟動試驗中，發現在設計潮位下（－7.2m），泵的流量、軸功率均比設計值偏高。現場測試數據與合同保證值對比見表1。

表1 循環水泵性能數據表Table 1 Data sheet of CW pump performance

續表

由表1可知，電機的輸入功率為6 924kW，比電機的額定功率6 500kW超出6.5%；電機穩定電流在712A左右，比額定電流663A超出了約7%；流量132 813m3／h，比設計的額定流量115 794m3／h超出約15%。因此，該泵的工作點在較大程度上偏離了合同要求的保證值。針對此問題召集相關廠家、設計人員分析原因，最終在系統阻力、泵轉速、泵的幾何尺寸等方面進行了重點分析。

2 原因分析

2.1 系統的阻力偏低

泵的工作點為系統阻力曲線與泵的性能曲線交點，根據現場實測數據繪制出系統近似阻力曲線。經分析確認，系統實際阻力遠遠低于設計阻力，導致泵的揚程降低、流量增大，工作點發生改變。

2.2 泵的實際轉速偏高

在設計泵的模型時，泵的轉速設計為160r／min。設計時齒輪箱傳動比為整數比整數，電機異步轉速也會有所保守，導致最終在現場實測水泵的實際轉速為161.8r／min。根據比例定律公式［1］，得出：

式中，Q為流量，m3／h；H為揚程，m；P為軸功率，MW；n為泵轉速，r／min。

由于轉速的增大，致使泵軸功率增大為6 070kW。

2.3 泵葉輪的幾何尺寸偏大

泵廠設計時，對揚程進行了適當保守設計，線性比例因子取LSF＝1.236。現場測試后，證明LSF取1.212為宜。根據相似定律公式，

得出：

由于線性比例因子的增大，導致泵的軸功率增大至6 770kW。

3 可能的處理方案

針對上述分析得出的3種原因，擬采取下述幾種方法進行處理。

3.1 增加系統阻力

在循環系統管路中修改水泵蝸殼及涵道結構，或在凝汽器出水側管路中增加節流孔板。此方法雖然能改變系統管路特性，增大水泵系統阻力，使流量減小和揚程提高，但從混流泵功率－流量性能曲線可知，功率反而稍有增加。混流泵的功率特點是：功率－流量特性曲線比較平坦，流量變化幾乎不引起或只引起很小的功率變化。因此改變循環水系統管路特性曲線方法不可取。

3.2 更換齒輪箱

電機轉速不變，通過改變齒輪箱太陽輪和行星輪的齒數比來降低水泵轉速，從而使泵的流量、揚程和功率降低。由式（3）可知，轉速應為155.3r／min。

這一方案的優點是：更換齒輪箱時間窗口容易安排，工期短，現場的工作量相對車削葉輪小。缺點是：經濟成本較高，需要重新設計、制造及更換齒輪箱，制造工期長約1a；且在制造齒輪箱期間，電機在超功率的工況下長期運行，會對電機的壽命產生一定影響。

3.3 切割葉輪以減小葉輪直徑

對循環水泵葉輪進行切割，滿足切削定律，公式如下：

式中，D為葉輪直徑，mm。

可見，車削水泵的葉輪，減小葉輪的直徑，而其他幾何尺寸不變（僅是出口處葉片的寬度稍有變化），可以減小泵的流量，降低電機功率，但同時也會使泵的揚程降低。

這一方案的優點是：可以降低泵的流量和電機功率，如果進度安排合理，還具備時間窗口。缺點是：工作量大，工序復雜，工期長，實行難度也較大，4臺循環水泵全部車削葉輪至少需要3個月，再加上4臺泵拆卸、安裝、調試所需要的時間，一共需要大約5個月。

如果采用此方法，水泵性能曲線將下移，與合同要求的特性曲線重合。葉輪半徑尺寸車削掉約51.5mm，工作點預期變為：流量為126 000m3／h；揚 程 為 15m；軸 功 率 為5 800kW；效率為91.3%。

葉輪切割后在設計潮位（－0.2m）時，循環水泵流量126 000m3／h較原設計流量115 794m3／h增加約10 000m3／h，水泵效率基本無變化，功率下降滿足原設計額定功率范圍。揚程15m比原設計16.48m小，經過計算確認此揚程能滿足循環水系統管路阻力的需求，能夠將凝汽器水室內充滿水。

3.4 維持現狀使用

調試運轉中盡管電機超功率運行，但定子繞組溫度93℃遠低于報警溫度140℃和跳泵溫度160℃。電機制造商指出在電機空氣冷卻器冷卻水溫低于30℃、電機電流711A以及功率約7 000kW時，可以進行短期調試運行，但不能長期運行。顯然維持現狀的使用方案不可行。

3.5 更換大功率的電機

如果更換大功率的電機大概需要2a，工期較長，其間電機超功率運行存在一定風險。預計更換的電機功率需達到8 000kW，從長期運行的經濟性角度分析，該方案難以接受。

4 最終采取的處理方案

綜合考慮各種因素，并結合上述幾種方法的可行性，最終決定采用切割葉輪的方案。

由于式（7）會產生過切割，需做修正。本次對泵的切割修正公式為：

葉輪直徑D2目標值為2 776mm，即葉輪半徑切割掉的尺寸為51.5mm。切割的目標工 作 點 是：流 量 為 126 000m3／h；揚 程 為15m；軸功率為5 800kW。具體切割量計算見表2。

表2 葉輪切割量計算Table 2 Calculation of impeller cutting

在平均潮位－0.2m時的試驗結果：流量為12 600m3／h；揚程為15.3m，較預計值高0.3m；軸功率為6 210kW，較預計值高7%；效率為86.6%，較預計值低4.7%。

從上述結果可知：流量和揚程基本符合葉輪切割計算的修正理論；效率比切割前低4.7%，致使切割后的軸功率略高，但已小于配套電機功率。

5 結論及推廣

本次循環水泵超功率問題采用葉輪切割修正公式進行計算，基本達到預期性能，為以后類似循環水泵這樣的大型水泵的葉輪一次切割到位提供了寶貴的經驗。

［1］ 郭立君 .泵與風機［M］.北京：中國電力工業出版社，1982.