濕繞組泵與屏蔽泵在核電機組調試時的差異性分析1)

劉 洋1,納紅衛,黃 勇

(國核工程有限公司調試中心,上海 200233)

1 主泵調試簡介

主泵作為反應堆冷卻劑動力源,在正常運行期間,提供一回路冷卻劑強制循環動力。在失去強制循環時,主泵需有足夠的轉動慣量,確保冷卻劑循環并移出衰變熱,保證堆芯不發生偏離泡核沸騰。另外,主泵的設計要求能夠防止其轉動部件形成飛射物,避免影響其他安全相關物項。主泵選型可分為兩大類：屏蔽泵和軸密封泵。但由于屏蔽泵的弊端,近年提出采用濕繞組泵作為核電主泵。

在調試期間,需對主泵各項性能參數進行驗證,保證主泵可以按照設計要求實現功能,并安全穩定運行。根據核電廠調試程序HAD103/02,調試期間主泵試驗中需要驗證以下內容：過載保護和短路保護,整定值和滿負荷運行電流之間的裕量,絕緣試驗,電源電壓,相序檢驗,中線電流(濕繞組主泵基礎電氣檢查、絕緣試驗),旋轉方向,帶負荷下加速度,瞬態工況(泵啟動)對管道的影響,振動,在規定的冷態和熱態啟動條件下的溫升,相電流,承載能力與時間及負荷(發電機)的特性曲線,密封冷卻,流量特性和壓力特性,帶負荷下加速度,潤滑,反應堆冷卻劑流量,通過滿載堆芯和冷卻劑系統主要部件時的壓差,瞬態工況(泵停止)對管道的影響,斷流試驗(測量慣性流量),單個或可行的多個反應堆冷卻劑泵脫扣引起的核電廠動態響應和隨后的穩態工況,密封或密封壓蓋泄露。調試期間主泵的相關試驗可分為：安裝后檢查,啟動準備及檢查,首次啟動,正常運行狀態監測及流量測量,惰轉流量測量等。

2 濕繞組泵及屏蔽泵結構差異性

2.1 電動機差異性分析

濕繞組泵電動機轉子和定子浸沒于水中,定子由硅鋼片構成,使用特制交聯聚乙烯絕緣繞組,使電動機內的水可在繞組線圈間循環,從而輔助冷卻。

屏蔽泵電動機定子和轉子裝有屏蔽套,隔離水與繞組。

2.2 冷卻方式差異性分析

濕繞組泵與屏蔽泵均采用外置熱交換器冷卻。濕繞組泵外置熱交換器對電機轉子和定子等進行冷卻,外接冷卻水對熱屏進行冷卻,飛輪冷卻水流經熱屏進入飛輪腔室,帶走飛輪的熱量；屏蔽泵外置熱交換器對電機轉子及飛輪和熱屏進行冷卻,外接冷卻水對定子進行冷卻。

圖1 濕繞組泵及屏蔽泵冷卻回路Fig.1 Cooling circuit of wet winding pump and canned pump

2.3 結構差異

屏蔽泵與濕繞組泵在結構上存在很多差異,但兩種主泵均屬于立式,單級,無軸封離心泵,其電機和所有轉動部件均包含在同一壓力邊界,正常工況下無泄漏。兩種主泵均采用水潤滑軸承,熱屏和電機的熱量通過冷卻水帶走,轉子組件由電機內水潤滑軸承支撐。其主要差異見表1。

表1 濕繞組泵與屏蔽泵結構差異

3 濕繞組泵及屏蔽泵調試差異性

3.1 電動機差異性對調試方法的影響

濕繞組電機與屏蔽電機結構上的差異,導致主泵充水過程中,為保證泵的安全,濕繞組泵及屏蔽泵需執行不同的試驗。

3.1.1 屏蔽電機定子腔抽真空及氮氣回填

屏蔽電機泵定子和轉子電氣部分通過屏蔽套與一回路冷卻劑隔離,為保護定子,在屏蔽電機運行期間,需對屏蔽電機定子腔抽真空并氮氣回填。部分核電機組一回路充水時,為減少一回路充水后氣體含量,在一回路充水期間,對一回路進行抽真空處理,定子腔抽真空應在一回路抽真空前完成,氮氣回填在一回路充水完成后完成。

定子腔抽真空前,為驗證主泵定子抽真空泵的性能以及抽真空管道閥門的密封性,需執行定子腔抽真空預試驗。

預試驗成功后,進行定子腔抽真空。主泵定子腔室必須單獨抽真空,以確保主泵定子腔密封性；如果定子腔密封不嚴,在定子腔與一回路聯合抽真空過程中,會導致定子腔壓力高于一回路,造成定子屏蔽套鼓包。將定子腔抽真空接頭與泵定子腔抽真空法蘭接頭連接,就地啟動主泵定子抽真空泵,確認所有主泵定子腔的壓力下降速率一致；就地確保反應堆冷卻劑泵定子腔壓力小于等于設定值,如有必要,間斷啟動或停運真空泵以維持主泵定子腔壓力。

定子腔抽真空完成后,方可執行一回路抽真空,抽真空過程中,一回路壓力低于主泵定子腔壓力時,可能會導致主泵定子腔內壁彎曲,造成定子腔壁面和轉子軸碰觸,為避免一回路壓力低于定子腔壓力導致定子腔內壁彎曲,造成定子腔內壁碰觸轉子軸造成屏蔽套損壞,一回路壓力需低于定子腔壓力。

一回路抽真空充水完成后,對定子腔進行氮氣回填,回填壓力應小于泵所處位置水的靜壓。

3.1.2 濕繞組電機充水后檢查

由于濕繞組電機定子全過程浸沒于水中,為防止充水后定子所處環境變化引起的絕緣降低導致設備損傷,濕繞組泵需在充水完成后啟動前,執行電阻溫度計試驗,電機定子繞組相間直流電阻試驗,一分鐘相對地絕緣電阻試驗和極化指數檢查等,以確保濕繞組泵安全啟動。

3.2 冷卻方式差異性對調試方法的影響

由于冷卻方式差異,核電機組冷卻系統布置將產生差異,外接主泵冷卻系統與主泵之間連接方式存在差異。在監測外置冷卻器溫度的同時,濕繞組泵需監測熱屏溫度,保證飛輪可以正常冷卻；屏蔽泵則需額外監測定子溫度,驗證泵可以可靠運行。

3.3 轉子差異性對調試方法的影響

浸水繞組、無屏蔽套、兩段軸式及Hirth齒輪連接是濕繞組泵的幾大特色,但是相對于屏蔽泵,這些設計需要在現場試驗工況下接受真正的檢驗,相比之下屏蔽泵有相對豐富的核電廠調試經驗和運行經驗可供參考,而濕繞組泵則需要進一步的驗證,因此在調試試驗階段濕繞組泵要更要做好風險分析與應急響應預案,試驗的準備過程中審慎決策。而屏蔽泵雖然有較為成熟的運行經驗和調試經驗,但新的泵調試依然要以全新的視角去進行全面細致的風險分析與試驗準備,以期安全穩定的完成主泵的調試。

3.4 能源利用率差異性分析

在核電機組調試及運行期間,主泵長時間運行。屏蔽泵結構上存在屏蔽套,由于電磁感應現象,造成屏蔽套內會由于交變的電場產生阻抗電勢,產生渦流,導致電能利用效率降低。根據經驗,濕繞組泵效率較屏蔽泵效率高大約10個百分點,影響調試成本。

4 結 論

以上列舉了濕繞組泵與屏蔽泵調試相關差異性,在性能上,兩種泵均能完成應用于核電機組的需求,但由于結構及性能的不同導致調試階段存在不同情況。在調試不同階段及工況下,濕繞組泵與屏蔽泵在風險性、效率性等方面各有優劣勢,本文對濕繞組泵與屏蔽泵調試相關差異性進行描述,以在泵型選擇及工作時提供參考。