變頻電動柱塞泵作為水壓試驗泵的運行應用

朱鋼梁+楊宇+蔡國杰+李若鯤+常婷

【摘 要】某核電廠的水壓試驗泵需執行三個功能，每個功能需要的壓力不同，且最高壓力需要達到24MPa，而流量基本相同，所以需要采用特殊結構的泵。本文從變頻電動柱塞泵的基本原理、結構、運行方式來闡述其如何實現為中壓安注箱充水、供主泵應急軸封水和水壓試驗功能。通過對三種運行工況的功能試驗驗證其是否滿足工況運行要求。對其試驗結果進行分析可得：當泵出口壓力從0-24MPa范圍內變化時，流量為5.9-6.1m3/h，滿足充水和供主泵應急軸封水運行要求；通過變頻器調節電機頻率可以達到0.4MPa/min的升壓過程，也可實現保壓在24MPa，從而滿足水壓試驗運行要求。

【關鍵詞】水壓試驗泵；變頻電動柱塞泵；性能試驗

1 壓水堆核電廠水壓試驗泵的功能與某核電廠使用泵的類型

1.1 壓水堆核電廠水壓試驗泵功能

壓水堆核電廠水壓試驗泵為兩機組公用設備，調試、運行期間為反應堆一回路水壓試驗加壓到22.9MPa（首次水壓試驗壓力），以檢查一回路系統的設備、管道的密封和焊接質量，驗證其承壓運行時的密封性和安全性；在反應堆正常運行時，為中壓安注箱充入硼水；在失去主泵軸封供水的事故工況下，作為主泵軸封的應急注入水，防止主泵軸封損壞，保證一回路的完整性，此時具有核安全功能，是安全設備。

1.2 某核電廠參考電廠水壓試驗泵使用泵的類型

由于壓水堆核電廠水壓試驗泵需滿足以上三個功能，且三個功能需要的壓力不同，流量接近，所以參考電廠使用的水壓試驗泵為液力驅動雙缸往復式正排量泵，通過調節液力回路壓力來調節水力輸出壓力。此種設備為進口設備，價格昂貴，且液力回路結構復雜，維護難度大。某核電廠水壓試驗泵采用國產變頻電動柱塞泵，其原理成熟，結構簡單，可靠性高，運行經驗豐富。

1.3 某核電廠水壓試驗泵類型、流程

某核電廠水壓試驗泵為重慶水泵廠有限責任公司制造的型號為： H3D5-6/24的變頻電動柱塞式往復泵，由往復柱塞泵、變頻電機、電動調節閥、安全閥緩沖器、及儀表控制等部件組成，通過變頻電機調節電機轉速，達到在泵出口壓力不變而進行流量調節的目的。系統從PTR001BA吸水，可通過下游管線不同的在線，分別為中壓安注箱、應急時主泵軸封和水壓試驗時一回路注水。

2 變頻電動柱塞泵作為水壓泵的三種運行模式與控制邏輯

2.1 實現中壓安注箱補水功能時的運行模式

此模式下，為安注系統的安注箱進行初始注水和后續補水。補水時從PTR001BA取水，流量為6m3/h，當補水壓力達到4.7MPa時，泵自動停止運行，起保護作用。當安注箱液位到高液位時，操縱員手動停運水壓試驗泵。此工況變頻電機的頻率穩定在43HZ，電動調節閥不開啟。此模式下，控制系統接到啟泵信號后，先啟動潤滑油泵和冷卻風扇，當潤滑油壓達到0.1MPa后，才能聯鎖啟動水壓試驗泵。

2.2 主泵軸封注入功能時的運行模式

在電站失去全部廠內外情況下，水壓試驗泵作為主泵軸封的應急注入，為主泵提供軸封水（H3 工況） 。在此時水壓試驗泵由9LLS001AR供電，泵自動啟動，并保證壓力在要求的時間內達到18MPa，當壓力變化時通過PLC調節電機頻率來穩定壓力在18MPa，此時流量約為6m3/h左右。該工況屬于電廠失去全部廠內外電源，應急柴油機啟動并送至水壓試驗泵配電柜（9LLS001AR），無論控制面板上的選擇開關處于任何控制模式，在 15S 時間內，潤滑油泵、冷卻風扇和水壓試驗泵自動同時啟動并達到使用工況點的要求。由于實際工況需要的流量約 6m3/h 左右，接近水壓試驗泵的額定流量，電動調節閥不參與控制，且處于關閉狀態，只用變頻器對變頻電機的頻率進行控制，保證系統壓力在17.5MPa～18MPa，流量約6m3/h左右。

2.3 實現水壓試驗功能時的運行模式

在這種模式下，水壓試驗泵用來執行反應堆冷卻劑系統水壓試驗功能。因此要求泵在檢測反應堆冷卻劑系統在不同的壓力水平下，包括在最大試驗壓力，能夠保持恒定試驗壓力。水壓試驗工況參數：泵最大排出壓力為24MPa，輸出流量范圍0～6m3/h。

在該工況運行時，水壓試驗泵的流量和壓力變化較大，其控制也較復雜。開始利用上充泵使一回路壓力達到17.2MPa，當被檢測設備內的壓力達到17.2MPa 時，水壓試驗泵才能供水，供水使被檢測設備內的壓力逐漸升高，其壓力上升梯度為0.4MPa/min。

在水壓試驗過程中，當檢測到被檢設備內的壓力達到17.2MPa 時，開啟電動調節閥的開度到10%的位置，使水壓試驗泵排出壓力達到17.2MPa；此時，由變頻器對變頻電機的頻率進行控制，改變電機轉速從而改變三柱塞泵的往復次數（泵速），達到控制電動往復泵輸送流量，按系統壓力上升梯度（0.4MPa/min）調整變頻電機的頻率（升高或降低）；使系統內的壓力逐漸上升達到要求的22.9MPa 并保持到規定的時間。

3 功能試驗

功能性試驗包括三個部分：安注系統補水試驗、軸封水注入試驗和水壓試驗，水壓試驗還包含小流量試驗[3]。

3.1 中壓安注箱補水試驗

試驗方法：水壓試驗泵控制面板上選擇開關調整到“第Ⅰ控制回路”-安注箱補水工況。首先啟動潤滑油泵和風機，當潤滑油壓力達0.1MPa后啟動主電機。電機頻率自動為43HZ，電動調節閥全關，調節出口閥使壓力為4.7MPa，運行0.5小時，每15min記錄一次如上性能試驗數據。合格判定依據也如性能試驗。

實驗結論：當泵出口壓力為4.7MPa時，泵流量約為5.9m3/h，滿足中壓安注箱的補水要求，且電機功率、油溫、油壓滿足要求。

3.2 主泵軸封水注入試驗

試驗方法：水壓試驗泵控制面板上選擇開關調整到“第Ⅱ控制回路”-軸封水注入工況。電動調節閥全關，緩慢關閉泵出口調閥，使出口壓力為18MPa，此時泵的頻率仍為43HZ。運行穩定后斷開正常電源，模擬應急啟動信號，潤滑油泵、風機和主電機同時啟動，記錄潤滑油壓力達到0.1MPa和泵出口壓力達到18MPa所需要的時間，該時間不應大于15s。試驗過程中，變頻器調節頻率以維持泵出口壓力在18MPa，穩定運行0.5h后記錄如上性能試驗數據。合格判定依據除了要求啟動時間大于15s外，其他同性能試驗。

試驗結論：啟動后10.8達到18MPa，滿足小于15S的啟動時間，流量6.167滿足主泵軸封注入流量要求。

3.3 水壓試驗

試驗方法：將選擇開關調整到“第Ⅲ控制回路”-水壓試驗工況，此時電動調節閥自動打開10%，全開出口閥門，先啟動油泵和冷卻風扇，當油壓達到0.1MPa，按下“主泵啟動”按鈕啟動主泵，緩慢關小出口調閥使壓力達到17.2MPa，按下“開始升壓”按鈕，電機變頻調節使壓力以0.4MPa/min±0.1 MPa/min梯度上升，升壓到24MPa，保持壓力運行0.5h，記錄如上性能試驗數據。合格判定依據除了要求升壓梯度為0.4MPa/min±0.1 MPa/min外，其他同性能試驗。緩慢關閉管路出口閥門，使泵出口流量分別為0.2，0.5，1.0，2m3/h，壓力穩定后運行2h，每0.5小時記錄泵組出口壓力、小流量管路流量，潤滑油壓等。

試驗結論：升壓過程中，電機頻率以一定速率上升，使泵以0.4175（MPa/min）速度升壓，滿足以0.4MPa/min速率升壓要求，且其他各監測參數正常穩定；當小流量調整時，通過電機調頻，使泵出口壓力維持24MPa，且在運行過程中潤滑油油溫、油壓正常，滿足水壓試驗要求。

4 結論

綜上，此變頻電動柱塞泵流量與電機頻率成正比，通過改變頻率來改變泵的特性曲線，滿足某核電廠水壓試驗泵對流量、壓力的變化要求。并且因其成熟的原理、簡單的結構、良好的穩定性和可靠性、豐富的運行經驗、簡單的運行操作和維護，從而保證其功能實現。

【參考文獻】

[1]李中玲.水壓試驗泵運行維護手冊.重慶：重慶水泵廠有限責任公司，2012，7，11：12-22.

[2]肖志杰.9RIS011PO水壓試驗泵機組泵預期性能曲線.重慶：重慶水泵廠有限責任公司，2010，7，22：4.

[3]李中玲.水壓試驗泵圖、配電控制柜設備竣工文件.質量分卷11冊.重慶：重慶水泵廠有限責任公司，2013，01，11：6-9，24-40.

[責任編輯：王偉平]