第三代核電站控制棒驅動機構冷卻系統風機設計

翁娜，沈秋平，郝國鋒

(上海核工程研究設計院，上海市 200233)

第三代核電站控制棒驅動機構冷卻系統風機設計

翁娜，沈秋平，郝國鋒

(上海核工程研究設計院，上海市 200233)

為了滿足堆頂組件整體吊裝和冷卻介質流道的要求，第三代核電站控制棒驅動機構(control rod drive mechanism，CRDM)冷卻系統風機采用了有別于在傳統壓水堆核電站中此類風機的結構和布置形式，研究其性能和鑒定方案是設計該類設備的關鍵點。通過分析CRDM冷卻系統和風機的設計要求，采用傳統方法計算主要性能參數，確定了風機的類型和主要結構形式，計算結果表明，第三代核電站CRDM冷卻系統風機為非標設計，國內暫無同類成熟產品，其設計需經試驗和工程實踐檢驗。針對風機設計中的關鍵考核點，結合工程經驗和標準規范要求，擬定了用于質量鑒定的試驗要求和型式試驗方案，可為研制此類風機產品提供技術指導。

第三代核電站；風機；控制棒驅動機構(CRDM)；性能參數；型式試驗

0 引 言

控制棒驅動機構(control rod drive mechanism，CRDM)冷卻系統風機是第三代核電站一體化堆頂組件(integrated head package，IHP)的重要組成部分，是第三代核電技術引進設備之一[1]。CRDM冷卻系統風機與風閥、圍筒、通風圍板、風管、風管配件、風機支承、監測儀表及電氣部件等組成CRDM冷卻系統，為控制棒驅動機構提供強迫冷卻空氣[2]，使控制棒驅動機構磁軛線圈組件運行在允許溫度范圍內，確保控制棒驅動機構的正常運行[3]。

目前，我國在役壓水堆核電站CRDM冷卻系統風機設置在遠離反應堆區域，停堆換料期間，需花費人工進行風管拆裝和單獨存、放操作，屬于壓力容器頂蓋開、合蓋操作中的一部分，是核電廠換料大修活動工時中需評估項[4]。第三代核電站CRDM冷卻系統風機安裝在安全殼內反應堆上方，換料操作時無須拆除，可與IHP、反應堆壓力容器頂蓋等堆頂其他設備一同吊裝和存放[5]。由于第三代核電站的換料周期為18個月，考慮經濟性和安全性，該風機的維護間隔時間為24個月[6]。這些結構設計要求和布置特點給該風機的設計和制造帶來新的難點和挑戰，CRDM冷卻系統風機的設計壽命為60年[7]，為抗震II類設備，由于安裝在堆頂，該風機需長期連續運行在高溫和高輻射劑量環境條件下，并且在反應堆運行期間不能進行維護。此外，該風機的結構外形尺寸也受到堆頂布置和堆頂設備一體化操作的嚴格限制，與外部及內部設備的接口設計應盡可能簡單并易于拆裝維護。因此，第三代核電站設計過程中應研究該風機的結構特點和性能參數，以掌握該設備設計和制造中的關鍵技術，為該設備的研制提供理論基礎。

CRDM冷卻系統風機由風機本體結構(整流罩，葉輪，導葉，機殼等)、電機、風閥和隔振裝置等組成。該風機的性能直接影響控制棒驅動機構的核安全有關功能的執行[8]，同時其可靠性也是電廠運行經濟性考慮的重要設備之一。本文通過剖析CRDM冷卻系統風機的設計要求，根據反應堆本體工藝布置的需求，結合工程經驗，確定風機的類型和主要性能參數。針對該風機的設計特點，本文初步確定關鍵組成部分——風機本體和電機的設計和制造的解決方案和試驗要求。

1 設計要求

1.1 冷卻系統設計要求

CRDM冷卻系統風機安裝在IHP的頂部，通過風管和支承結構與圍筒連接。控制棒驅動機構冷卻系統的氣流路徑和風機的布置見圖1[9]。冷卻空氣通過圍筒上的風門進入圍筒內部，流經控制棒驅動機構磁軛線圈后自下而上經過風管到達風機，并最終排放到安全殼大廳中。

1.2 風機設計要求

CRDM冷卻系統風機的設計壽命為60年，應能無故障連續運行24個月并無須維護，其主要設計輸入數據和設計要求見表1。CRDM冷卻系統風機為非核安全相關設備，抗震Ⅱ類物項，設計應評估地震載荷不會引起不可接受的風機結構失效，但不要求保持其功能。根據核電廠重要系統設計的多重性原則，選用4臺相同性能的風機并聯安裝在控制棒驅動機構冷卻系統熱源下游，在正常工作時任意2臺風機運行，其他2臺備用。風機由雙電源回路冗余供電，運行過程中其監測信號通過分散控制系統傳輸至主控制室[10]。由于性能相同的通風機并聯運行時，系統流量等于通風機的流量之和，管網阻力由通風機的壓力共同克服，即為單臺通風機的全壓。

圖1 控制棒驅動機構冷卻系統的氣流路徑圖

表1 CRDM冷卻系統風機設計輸入數據匯總

2 風機類型及其性能參數

2.1 風機選型

風機的性能參數直接與進氣狀態相關，描述風機性能時通常采用標準進氣狀態。我國規定的通風機標準進氣狀態為：工質為空氣，壓強為101 325 Pa，溫度為293 K，密度為1.2 kg/m3。當通風機在額定轉速下運行時，標準進氣狀態條件下的風機全壓與規定溫度下的全壓存在以下關系式：

(1)

式中：pF0為標準進氣狀態下的風機全壓，Pa；pF為系統運行條件下的風機全壓，Pa；ρ0為標準狀態下的空氣密度，kg/m3；ρ為系統運行條件下的空氣密度，kg/m3[11]。由式(1)可得，CRDM冷卻系統風機的全壓為927.8 Pa(標準進氣狀態)，屬于通風機[12]。

比轉速用于表達通風機流量、升壓、轉速之間的關系，常用于劃分通風機的類型。當風機進口狀態為非標準或氣體種類不同時，比轉速的計算應考慮氣體密度的變化，即：

(2)

式中：ns為標準狀態下的比轉速；n為通風機的額定轉速，r/min；Q為通風機的額定流量，m3/s；Δp為通風機的額定全壓，Pa[11]。

由于CRDM冷卻系統風機安裝在安全殼內堆頂上方，考慮輻照對傳動材料的影響以及維護方便，葉輪與電機之間采用直聯型的剛性傳動結構，使風機的結構更加緊湊，并能提高傳動效率。因此，CRDM冷卻系統風機的額定轉速與電動機的轉子轉速相同。CRDM冷卻系統風機的電動機采用三相異步電機，同步轉速為1 500 r/min，轉子轉速滿足以下關系式：

nm=(1-s)nsync

(3)

式中：nm為轉子轉速，r/min；s為轉差率；nsync為同步轉速，r/min[13]。其中電動機在額定負載下的轉差率為0.013。

根據式(2)、(3)，得到CRDM冷卻系統風機的比轉速為31。由于軸流式通風機的比轉速為18～36，并且高壓軸流式通風機的升壓一般大于490 Pa、小于4 900 Pa[11]，可知CRDM冷卻系統風機為高壓式軸流式通風機。

2.2 性能參數計算

2.2.1 軸功率

圖2為各種通風機的效率曲線[11]，可利用該圖選擇最合適的通風機模擬出風機的最高效率。圖中：δ為直徑系數；η為全壓效率；σ為轉速系數，且滿足以下關系式：

(4)

由式(4)可得轉速系數為1.25，查圖2可知全壓效率為0.865。

圖2 通風機最高效率曲線

風機的軸功率可表示為

(5)

式中：ps為軸功率，kW；ηm為傳動效率[11]。取傳動效率為0.98，由式(4)、(5)可得風機的軸功率為17.5 kW。與風機選配的電動機功率滿足：

(6)

式中：pM為電機的額定功率，kW；k為電動機功率儲備系數[11]。考慮電機選用1.1功率儲備系數，由式(6)得到電機計算功率為18.88 kW。參考GB/T 4772.1—1999《旋轉電機尺寸和輸出功率等級》[14]，與本風機配合的電動機可采用額定功率為22 kW的三相異步電機。

2.2.2 葉輪外徑/圓周速率/壓力系數

軸流通風機輪轂比和軸流通風機葉輪外徑系數隨比轉速的變化曲線分別如圖3、4[11]所示。由圖3、4可得，CRDM冷卻系統風機的輪轂比為0.45～0.63，葉輪外徑系數為2.02。

圖3 軸流通風機輪轂比隨比轉速的變化曲線

圖4 軸流通風機葉輪外徑系數隨比轉速的變化曲線

葉輪的外徑需滿足以下關系式：

(7)

式中：Dt為葉輪外徑，m；Ku為葉輪外徑系數[11]。由式(7)得到葉輪外徑為1.11 m。由于控制棒驅動機構冷卻系統要求風機的外殼內徑小于0.915 m，取葉輪外徑0.9 m，根據GB/T 3235—2008《通風機基本型式、尺寸參數及性能曲線》[15]的標準尺寸系列選取輪轂比為0.556，輪轂直徑為0.5 m。

葉輪外徑處的圓周速度滿足以下關系式：

(8)

式中：ut為葉輪外徑處的圓周速度，m/s[11]。根據式(8)得到葉輪外徑處的圓周速度為69.8 m/s，滿足要求。

風機的壓力系數滿足以下關系式：

(9)

式中：ψ為壓力系數[11]。根據式(9)得到風機的壓力系數為0.188，因此，該風機可考慮采用葉輪加后導葉[11]。CRDM冷卻系統風機的設計參數見表2。

表2 CRDM冷卻系統風機設計參數

3 試驗方案

3.1 總體試驗方案

第三代核電站CRDM冷卻系統風機為非標設計，在國內無現成成熟產品可用于工程實踐，葉輪、輪轂、導葉、匹配電機的結構和性能參數需要重新設計和考核。開發此類新型風機應進行型式試驗，以檢驗產品質量和驗證風機的總體性能。由于CRDM冷卻系統風機需確保在高溫環境條件下連續運行24個月不需維護，因此應制定一套嚴謹的模擬環境條件的試驗方案，考核電機與風機本體組裝后的運行壽命。該試驗應模擬冷卻系統中冷卻介質的最高溫度，工程實際安裝方式和電機的負載。試驗前研制單位應確定合適的試驗持續時間和試驗結束后的復驗方案，用于考核軸承溫升、電機繞組溫升和軸承潤滑油脂的性能等。各項試驗應滿足EJ/T 886—2006《核級通風機設計通則》[16]規定，CRDM冷卻系統風機的型式試驗內容見圖5。

圖5 CRDM冷卻系統風機型式試驗流程

3.2 關鍵部件試驗方案

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CRDM冷卻系統風機的機殼尺寸相對標準系列的尺寸偏小，電機冷卻外殼的設計需在有限空間內利用結構設計使其冷卻最優化。CRDM冷卻系統風機的電機冷卻介質為空氣，通過空氣自循環冷卻機殼表面，以降低繞組溫升。電機設計時應建立數學模型進行內部流場分析，評估機殼的冷卻效果。在進行風機性能試驗和電機的型式試驗時，可使用傳感器進行實時測量以驗證設計。

常規壓水堆核電廠CRDM冷卻系統風機正常運行時，電機的環境溫度不超過40 ℃，絕緣等級為A至H時，繞組溫升為60～125 ℃。第三代核電站CRDM冷卻系統風機的電機絕緣系統等級采用F級，在運行環境下最高溫度達155 ℃。為驗證電機在此高溫環境條件下的使用壽命，熱老化壽命試驗實測和復驗是唯一可靠和有效的方法，其熱老化性能的考核可按照EJ/T 628—1999《核電廠安全級連續工作制電動機的質量鑒定》[17]的要求執行。

鑒于以上CRDM冷卻系統風機電機的使用環境的特殊性，應開展該電機研發。為了檢測電機的各項性能及設計參數是否符合技術條件和相關標準的規定，應制定電機的型式試驗大綱和檢驗條款，并滿足NEMA MG-1的規定。電機的型式試驗內容見圖6。

圖6 CRDM冷卻系統風機電機型式試驗流程

3.3 其他試驗要求

第三代核電站CRDM冷卻系統風機是安全殼內的抗震II類物項，可不用進行抗震試驗考核，但風機本體結構和各附屬部件的支承和連接件的設計應根據ASME AG-1進行分析評定，確保能承受系統正常運行和地震工況下的載荷。為避免影響周邊的核安全有關設備執行安全功能，所有緊固件應確保連接可靠并采用鎖緊措施。

風機本體、電機及其附屬設備的所有非金屬材料，例如繞組線圈、密封材料、電纜應能承受環境條件下的累積輻照劑量。因此，應選用在核電廠同等環境中有成功使用經驗的材料或者進行耐輻照試驗和材料復驗，驗證材料的耐輻照特性。

4 結 論

[1]王永峰，杜廣波，李浩. AP1000核電關鍵設備的制造特點及國產化[J]. 能源技術，2010，31(1):28-33.

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[17]EJ/T 628—1999 核電廠安全級連續工作制電動機的質量鑒定[S]. 北京：核工業標準化研究所，1999.

(編輯：蔣毅恒)

FanDesignofCoolingSystemforControlRodDriveMechanisminGenerationⅢNuclearPowerPlant

WENG Na, SHEN Qiuping, HAO Guofeng

(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

In order to meet requirements of integrated lifting and cooling air flow path of upper reactor structures in generation Ⅲ nuclear power plant, the structure and arrangement of fan in cooling system of control rod drive mechanism (CRDM)were designed to be different from that in traditional nuclear power plant with pressurized water reactor. The study on its performance and identification scheme was important for the design of this kind of equipment. Through the analysis on the design requirements of CRDM cooling system and fan, as well as the calculation of the main performance data with traditional calculation method, the type and structure of the fan were determined. The result shows that the fan is nonstandard and there is no developed product in China, so its design should be certified by testing and engineering practice. According to the key point in the design of the fan, the testing requirements and type test scheme of the fan were drafted for quality appraisal combined with engineering experience and standards, which could provide references for developing the CRDM cooling system fan.

generation Ⅲ nuclear power plant; fan; control rod drive mechanism (CRDM); performance parameters; type test

國家科技重大專項課題項目(2010ZX06002)。

TL 353+.1；TH 432.1

： A

： 1000-7229(2014)06-0122-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.023

2014-01-22

：2014-02-21

翁娜(1982)，女，本科，工程師，主要從事反應堆本體設備設計及研究工作,E-mail:wengna@snerdi.com.cn；

沈秋平(1962)，男，本科，研究員級高級工程師，主要從事核電設備設計及研究工作；

郝國鋒(1977)，男，本科，高級工程師，主要從事反應堆本體設備的設計及研究工作。