核主泵試驗臺工藝系統(tǒng)分析

陳波

（天臺縣基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，浙江 臺州 317200）

1 引言

核主泵也叫冷卻劑循環(huán)泵（RCP），是核島一回路系統(tǒng)中實現(xiàn)能量傳遞的動力源，也是核電站各系統(tǒng)中技術(shù)含量最高、設(shè)計最復(fù)雜、制造最困難的大型設(shè)備。其核心要求是安全、可靠、耐久。核主泵試驗臺是全面考核核主泵整機在各種嚴(yán)苛工況下的響應(yīng)、機械性能、水力性能、安全性、可靠性及壽命等是否符合要求的最終檢測裝置系統(tǒng)。

核主泵試驗臺一般都要求是高溫、高壓全流量試驗系統(tǒng)，能夠模擬核主泵在核電站工作時的各種正常和非正常工況，對其整機進行考核驗證，特別是對新型泵或大改泵的首臺泵試驗。試驗項目多、工況嚴(yán)苛，要求試驗臺具備足夠的精度和功能，包括大量熱負荷快速形成或傳遞能力，系統(tǒng)壓力和溫度高精度控制能力，主回路管路大范圍流量的高精度調(diào)節(jié)控制能力，工況動態(tài)變化時的高可控性及快速平衡能力，長時間的高負荷運行能力，等等。

本文主要介紹一種新型結(jié)構(gòu)的核主泵試驗臺系統(tǒng)，其設(shè)計上的新思路是將2 種型式（屏蔽和軸封）主泵泵殼同時焊裝于臺位“口”字形主回路管道兩端。軸封泵殼焊裝于主管道一端頂部，法蘭面水平朝上設(shè)置，屏蔽泵殼焊裝于主管另一端底部，法蘭面水平朝下設(shè)置，當(dāng)一主泵試驗時（固定端），另一主泵泵殼（自由端）作為主管管件（泵殼法蘭處需用盲法蘭封住）使用。這樣的設(shè)計增加了臺位的試驗工位，使臺位既能夠進行2 種完全不同型式主泵的試驗，又大大簡化和減少了主泵安裝工作量。該方案中2 臺主泵安裝工位中心距為29 m，主管道和其他輔助設(shè)備及管道集中而緊湊地布置于2 臺主泵安裝支撐結(jié)構(gòu)之間12 m×24 m 的公共基礎(chǔ)和二層鋼平臺內(nèi)。該臺位建設(shè)于我國北方某企業(yè)，于2014 年年初開始設(shè)計，2016 年年底調(diào)試完成。試驗臺精度等級：GB1236Ⅰ級精度，為高溫、高壓多功能全流量閉式試驗臺，能夠進行百萬千瓦級的三代商用核電站屏蔽主泵和軸封型主泵首臺泵及產(chǎn)品泵試驗。

2 試驗臺主要工藝系統(tǒng)

由于既要滿足屏蔽主泵試驗又要滿足軸封主泵試驗，該臺位工藝系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)相對單型主泵試驗臺要復(fù)雜一些。臺位工藝系統(tǒng)從功能上可分為主回路系統(tǒng)、輔助回路系統(tǒng)、加壓/灌注系統(tǒng)（含真空除氧系統(tǒng)）、保壓/下泄系統(tǒng)、主泵電機冷卻水（一次）系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)（軸封主泵）、應(yīng)急排放系統(tǒng)、外部循環(huán)冷卻水（二次）系統(tǒng)等。其基本工藝系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 核主泵試驗臺基本工藝系統(tǒng)圖

1）主回路系統(tǒng)作為試驗核主泵流量、揚程等主測試管道，設(shè)計壓力為17.3 MPa，設(shè)計溫度為350 ℃，流量測量范圍1 500～31 000 m3/h（其中精確測量范圍為5 000～30 000 m3/h），主要由試驗泵、主管道、整流柵、流量計（文丘里管）、主閥和泵殼等組成。主管道材質(zhì)采用WB36+內(nèi)部堆焊不銹鋼，其主要外徑壁厚為φ1 016 mm×55 mm 和φ813 mm×46.5 mm，而與泵殼等設(shè)備進、出口連接段的管道壁厚同設(shè)備壁厚；主管流量測量采用2 只經(jīng)典文丘里管流量計，不銹鋼材質(zhì)，單臺精確測流范圍：2 500～15 000 m3/h；主回路流量調(diào)節(jié)，采用2 只角式調(diào)節(jié)閥，名義通徑為DN800 mm，最大可調(diào)開度流量為15 000 m3/h時，閥門進、出口壓差不大于0.1 MPa。

2）輔助循環(huán)回路系統(tǒng)主要有2 方面功能。一是主泵停機狀態(tài)下為主回路管道介質(zhì)循環(huán)流動提供動力；二是作為試驗臺位冷卻、加熱和過濾系統(tǒng)，主要用于保持主回路工作介質(zhì)熱量平衡（升/降溫時控制升/降溫速率，穩(wěn)定運行時保持溫度穩(wěn)定）和長期試驗時保持工作介質(zhì)無雜質(zhì)顆粒。輔助循環(huán)系統(tǒng)主要由1 臺輔助循環(huán)泵(流量：450 m3/h，揚程：37 m)、1 只電加熱器（1 500 kW）、2 只回路換熱器（單只80 m2）、1 只下泄換熱器（36 m2）、2 只過濾器和管道閥門等組成。其介質(zhì)最高工作壓力和溫度同主回路系統(tǒng)。輔助管道材質(zhì)采用不銹鋼。

3）加壓/灌注與保壓/下泄系統(tǒng)共同作用組成臺位壓力控制系統(tǒng)，主要作用包括臺位試驗前的整個管道系統(tǒng)注水，試驗時試驗管道的加壓、保壓以及試驗結(jié)束后工作介質(zhì)水的回收等。該系統(tǒng)主要由2 只回路水儲存罐、2 臺加壓泵（變頻往復(fù)泵）、1 套真空除氧系統(tǒng)、1 臺排空/灌注泵、2 只蓄能器及管道閥門等組成。

4）主泵電機冷卻水系統(tǒng)，為獨立閉式一次冷卻水系統(tǒng)，用于試驗時主泵電機及其換熱器的冷卻。其工作介質(zhì)為軟化水，工作壓力＜1.0 MPa，主要由1 個循環(huán)水箱、2 臺（1 用1 備）循環(huán)水泵、1 只過濾器、1 只板式換熱器及管道閥門等組成。該系統(tǒng)熱量由外部循環(huán)冷卻水（二次）帶走。考慮到緊急斷電情況下屏蔽泵主電機需一段時間繼續(xù)冷卻，因此，該系統(tǒng)循環(huán)水泵需設(shè)置雙電源或備用電源，外部冷卻應(yīng)提供應(yīng)急冷卻水。

5）軸封主泵密封水系統(tǒng)，用于軸封主泵試驗時為主泵軸封提供密封水。其工作介質(zhì)為軟化水，主要由1 個循環(huán)水箱、1 臺高壓變頻往復(fù)泵、1 臺離心循環(huán)水泵、1 只板式換熱器及管道閥門等組成。該系統(tǒng)熱量由外部循環(huán)冷卻水（二次）帶走。

6）應(yīng)急排放系統(tǒng)是整個試驗臺的安全卸壓系統(tǒng)，用于系統(tǒng)安全閥起跳或回路換熱器高壓側(cè)泄漏等應(yīng)急狀況時的安全卸壓排水（蒸汽）。由應(yīng)急減壓罐、安全排放管和其他管道等組成。

3 試驗臺的主要功能要求

回路壓力平衡性能、回路熱負荷平衡性能和主回路流動性能（阻力）是核主泵試驗臺系統(tǒng)設(shè)計中最基本，也是最重要的3 項功能，前2 項決定了主回路壓力、溫度的可調(diào)性、穩(wěn)定性和可靠性，后1 項決定了主回路“最大允許通過流量”的能力。

3.1 回路壓力平衡性能

臺位由2 臺流量范圍0.8～4.2 m3/h 的加壓泵（變頻往復(fù)柱塞泵）和1 只高精度減壓調(diào)節(jié)閥（下泄閥）及管道等組成回路壓力保持系統(tǒng)，該系統(tǒng)為動態(tài)平衡壓力保持系統(tǒng)。加壓泵流量的細微可調(diào)性和下泄閥的高精度調(diào)節(jié)性可以確保回路在設(shè)計壓力及以下的幾乎任何正壓力保持高精度平穩(wěn)運行，在工況動態(tài)變化過程中可實現(xiàn)壓力快速平衡、穩(wěn)定。另外，該系統(tǒng)中還設(shè)有2 只名義容積為150 L 的蓄能器，該配置一方面能削弱系統(tǒng)加壓過程中因往復(fù)加壓產(chǎn)生的壓力脈動，另一方面是在一些必須停加壓泵的特定工況，在規(guī)定范圍時間內(nèi)維持系統(tǒng)壓力基本恒定，以確保該特定工況試驗完成。

3.2 回路熱負荷平衡性能

臺位正常運行溫度范圍21～350 ℃，最高升/降溫速率為55 ℃/h。臺位運行時，主管道內(nèi)流體的散熱通過輔助循環(huán)回路中的冷卻模塊（由閥組、回路換熱器及管道等組成）實現(xiàn)，其散熱能力主要取決于：（1）回路換熱器面積；（2）外部循環(huán)冷卻水（二次）供給狀況；（3）回路換熱器管側(cè)熱工質(zhì)的最大流量。增加換熱器面積或增大外部冷卻水供應(yīng)量（進、出溫差減小）或增大熱工質(zhì)流量（增大管徑）均可增加散熱能力，經(jīng)多方案核算、綜合比較，確定流經(jīng)冷卻器熱側(cè)的輔助循環(huán)管徑為DN250 mm，換熱器器總面積160 m2，外部循環(huán)冷卻水最大供給量1 450 t/h，臺位最大散熱負荷約13 600 kW。系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)精度或熱負荷平衡性能主要通過回路換熱器熱側(cè)管道（輔助回路管）的調(diào)節(jié)閥組來保證，經(jīng)多工況核算，管路設(shè)置DN250 mm 和DN50 mm 2 個調(diào)節(jié)閥組成調(diào)節(jié)閥組，能夠滿足精確調(diào)節(jié)熱側(cè)管路流量以控制系統(tǒng)溫度精度的要求。主管道內(nèi)流體的加熱，一般工況下都由主泵做功來獲得，特殊試驗工況如“失電試驗”或“喪失外部冷卻水試驗”等試驗中，停主泵后要繼續(xù)維持回路溫度時，需啟動輔助循環(huán)泵并開啟輔助循環(huán)回路中的加熱模塊（由閥組、加熱器及管道等組成）來進行回路保溫。加熱模塊的另一作用是某些特定工況下與冷卻模塊一起按程序協(xié)同工作，以確保主回路溫度調(diào)節(jié)的精度和可操作性。

3.3 主回路流動性能

主回路管道的流動能力或管道阻力特性將直接影響試驗臺“最大流量”的試驗范圍。當(dāng)主回路各構(gòu)件和設(shè)備尺寸基本確定后應(yīng)整體進行CFD 流場分析，模擬計算管道內(nèi)的流動、壓力分布情況，分析不同工況下，主管道內(nèi)壓力降的變化情況，以確定主回路的流動能力是否滿足主泵的試驗要求。該臺位設(shè)計中主管道上設(shè)置了2 個主泵安裝工位，分別為下裝工位（屏蔽泵）和上裝工位（軸封泵），2 種泵殼作為主管管件均焊裝于主管道上，由于2 種泵殼進、出口尺寸和內(nèi)腔尺寸都有較大差異，2 個工位上主管道阻力特性也有較大差異，應(yīng)分別進行模擬計算。經(jīng)多工況計算分析，2 個工位上的流動能力均能滿足相應(yīng)主泵的試驗。

4 試驗臺設(shè)計和制造中還需注意的幾個問題

1）2 個工位泵殼下的支撐均應(yīng)設(shè)計成可鎖定的定向滑動支撐結(jié)構(gòu)，其他主管段或主管設(shè)備的支撐應(yīng)設(shè)計為（定向）滑動彈簧支/吊架，以確保一個工位主泵（固定位置）熱態(tài)試驗時，主回路其他任何構(gòu)件可以自由（定向）熱膨脹。

2）根據(jù)CFD 流場分析，主回路流量計前段應(yīng)設(shè)置整流柵，以確保流量測量的精度。

3）保壓/下泄系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置下泄冷卻器，確保主回路升溫過程中，下泄到回路水存儲罐中的水為常溫狀態(tài)。

4）最大散/加熱負荷計算時，除了計算運行介質(zhì)熱負荷外還應(yīng)考慮主管道和設(shè)備的熱負荷及管道保溫漏熱。

5）主管道宜采用鍛件分段制作再拼裝焊接。

6）主管制作完成后應(yīng)進行管內(nèi)壁人工打磨，避免內(nèi)壁出現(xiàn)任何突變和凸點。

5 結(jié)語

核主泵試驗臺系統(tǒng)復(fù)雜、投資大、建造周期長（從設(shè)計開始到調(diào)試完成一般要2 年以上），特別是主管道的制造，比較困難，應(yīng)在方案設(shè)計階段后期，基本確定其制造工藝；主管道設(shè)備如主閥和流量計等也應(yīng)在方案設(shè)計階段確定其基本參數(shù)和采購要求，以便盡快開展詳細設(shè)計。另外，設(shè)計核主泵試驗臺時，各系統(tǒng)配置均應(yīng)考慮一定富余量并加強調(diào)節(jié)控制能力，以增大試驗臺的測試范圍，在滿足目前泵型測試要求的同時，為將來更大泵型測試留有一定空間。