“華龍一號”上充泵流量曲線及部分控制邏輯優化

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(中國核電工程有限公司，北京　100840)

上充泵是核電廠化學和容積控制系統(簡稱化容系統)的重要設備，具有揚程高、轉速高、功率大的特點，是重要的核安全設備，常采用多級雙側殼結構的離心泵[1]。“華龍一號”項目中上充泵的主要功能有：1)向反應堆冷卻劑系統提供上充水流，從而維持穩壓器中的正常液位(RCV上充功能)；2)向反應堆冷卻劑泵提供軸封冷卻水；此水流也起到防止高溫冷卻劑通過密封泄漏的作用(密封水注入功能)[2]。

在以往M310堆型壓水堆核電機組中，化容系統上充泵兼做高壓安注泵，執行高壓安注功能時，需有大流量要求(160 m3/h)。根據泵性能曲線，此時對應的工況點泵功率較高，最大功率出現在流量為115 m3/h附近。而在“華龍一號”項目中，系統設計將上充泵的安注功能從化容系統中剝離出來，上充泵不再執行高壓安注的功能。因此，就不再要求上充泵具有大流量點，有必要對化容系統上充泵流量-揚程特性曲線進行新的改進和設計。

此外，隨著核電廠數字化操作的普及，對設備的自動控制要求也越來越高[3]。目前，“華龍一號”中共設置兩臺上充泵，上充泵切換時采用手動切換。擬對部分工況下上充泵的手動切換改為自動切換，以提高電廠安全性、設備的自動化水平，降低操作員負擔。

1　流量曲線優化及驗證

1.1　流量曲線優化

在M310堆型中，上充泵可以從容控箱、換料水箱及安全殼地坑取水，上充泵設計成在以下工況點運行，詳見表1。

表1　M310堆型上充泵工況運行點

經分析可知，該設計存在以下缺點：1)上充泵長期在小流量工況點運行，運行不穩定，可靠性差；2)上充泵長期在小流量工況點運行效率低，34 m3/h/148 m3/h/160 m3/h，對應效率32%/47%/40%；3)上充泵運行參數范圍大，設計制造難度大；4)增大了應急柴油機負荷。M310上充泵額定功率650 kW，最大功率點出現在流量約為110 m3/h附近。

在“華龍一號”的設計中，化容系統不再承擔高壓安注功能，因此，大流量工況點不再需要。在此前提下，為了改進上述缺點，取消148 m3/h和160 m3/h兩個大流量工況點，重新定義工況點如表2所示。調研了EPR及AP1000中的上充泵，發現二者均取消了安注功能，該改進符合國際核電發展趨勢。

表2　華龍一號上充泵工況運行點

1.2　優化驗證

在確定水泵工況點后，聯合設備制造方，進行泵水力及結構方案的詳細設計，并進行相應的優化。M310及“華龍一號”上充泵流量曲線對比圖見圖1，流量曲線對比局部放大圖見圖2。

由圖2可知，在正常上充工況中，“華龍一號”上充泵揚程略高于M310上充泵，這對于實際使用是有利的，揚程偏高可以通過減壓閥來調節。M310與“華龍一號”上充泵流量-效率曲線對比詳見圖3。可知，在正常上充工況(流量處于30～50 m3/h)，“華龍一號”上充泵效率高于M310上充泵約5個百分點。M310與“華龍一號”上充泵流量-功率曲線詳見圖4，“華龍一號”上充泵功率最大不超過550 kW，額定功率降低了100 kW。不僅降低了運行成本，也節約了應急柴油機容量。

為分析核電廠實際運行中，新設計的上充泵的影響，利用Flowmaster軟件建立“華龍一號”上充回路仿真模型，進行計算。在保證其他條件不變的前提下，更通過優化上充泵設計，調節上充流量調節閥，對比各管段流量變化，結果如表3所示。計算結果顯示，上充泵特性曲線優化，可以通過調整調節閥開度來平衡各回路流量，且調節量較小，不會造成調節閥重新設計。

圖1　M310與“華龍一號”上充泵流量-揚程曲線Fig.1　Q-H curve of charging pump in M310 and HPR1000

圖2　M310與“華龍一號”上充泵流量-揚程曲線局部放大Fig.2　Partial enlarged view of charging pump Q-H curve in M310 and HPR1000

圖3　M310與“華龍一號”上充泵流量-效率曲線Fig.3　Q-η curve of charging pump in M310 and HPR1000

圖4　M310與“華龍一號”上充泵流量-功率曲線Fig.4　Q-P curve of charging pump in M310 and HPR1000

優化前優化后RCV046VP開度/%37.2062.0037.1066.10RCV061VP開度/%42.5047.0042.0051.00上充流量/(m3/h)12.3328.0412.3328.04軸封注入流量/(m3/h)5.765.765.765.76

2　部分控制流量優化

目前的切換備用上充泵的情況有兩種：一種為定期切換；一種為發生故障時切換。上充泵出口母管處設置壓力測量儀表RCV017MP，用以監測上充泵出口壓力。當該儀表監測到壓力低，不能滿足要求時，由操作員手動切換備用泵啟動。該種操作方法增加了操作員的負擔，且增加了人因失誤的幾率。因此，在廣泛調研和充分吸取運行單位經驗反饋的基礎上，擬將該種情況下的備用上充泵啟動方式改為自動啟動。

2.1　優化方案

在不改變工藝原有設計和設備配置，不增加設備的額外投資，僅通過儀控系統的邏輯設計優化來實現化容系統上充泵列間切換自啟動的目的，從而提升化容系統運行的安全性及自動化水平，減少操作員的操作負擔。具體的優化方案如下：

1)考慮化容系統上充泵在何種工況下需要列間切換自啟動，選擇合適的觸發信號和閉鎖信號；

2)考慮上充泵列間切換自啟動邏輯與泵的其他啟停邏輯間的優先關系。

2.2　優化措施

化學和容積控制系統的上充泵，可分為A、B兩列，A列泵為RCV001PO，B列泵為RCV002PO，兩臺泵的控制邏輯相似。下面以上充泵RCV001PO的控制邏輯為例，介紹由運行的B列泵自動切換至A 列泵的控制方案設計：

1)正常運行期間，RCV002PO投運，無停泵信號出現，若泵出口壓力逐漸降低至產生上充泵管線壓力低信號，即考慮RCV002PO可能故障，此時需快速啟動RCV001PO，供應主泵軸封水和上充流量。該觸發條件應注意避免在RCV002PO啟動初期未建立上充壓力期間和定期試驗期間出現的上充泵管線壓力低現象誤觸發列間備用泵啟動信號。

2)正常運行期間，RCV002PO投運，若出現非主控室發出的手動停泵命令導致的RCV002PO停運情況，則自動啟動RCV001PO。

3　結論

1)“華龍一號”項目中上充泵不再兼做高壓安注泵，在泵的工況點選取中可以去掉兩個安注用的大流量點，以減少泵功率，提高泵效率；

2)流量曲線優化后的上充泵對整個上充回路及軸封注入回路流量分配影響較小，無需重新設計調節閥；

3)將上充泵出口壓力低及定期切換備用上充泵改為自動操作，降低操作員負擔。