核電廠真空泵冬季單臺投用研究

□時宏磊 王琳琳 劉德軍 陳 松 潘 翔 李定強

一、真空泵簡介

國內某核電廠65萬千瓦機組，每個生產單元正常運行時，設計成兩臺CVI泵投運、一臺CVI備用，以滿足機組對汽輪機真空背壓的要求。此四臺機組的CVI系統，與核安全功能無關，均由某電力設計院設計。

水環式真空泵，采用兩級設計，并加裝了汽蝕保護裝置，泵的葉輪、軸、軸套和一級分配器采用了不銹鋼材質，能更好地預防汽蝕情況。其中，泵殼材料為FC200，轉子和葉輪的材質為SCS13，泵軸材質為SUS420。

真空泵電機，由590r/min的Y-335M2-10型鼠籠型三相異步電動機驅動，驅動功率為132kW，電源為380V、3相、50Hz。絕緣等級為F級。

該核電機組，每套機組設置了三套真空泵組，真空泵的補充水為除鹽水，設計壓力為0.45MPa(g)，其冷卻水為閉式冷卻水(除鹽水)，其設計溫度為38℃。

真空泵的出力，在維持凝汽器背壓保持5.39Kpa(g)(循環水的水溫為18.6℃)、凝汽器背壓保持11.8Kpa(g)(循環水的水溫為33℃)。

圖1 TC-11型真空泵外形示意圖

3、4號機組的CVI泵為200EVMA型，其外形如圖2所示。

圖2 真空泵現場實物圖

圖3 二級真空泵結構圖

真空泵為電動臥式兩級水環泵，采用平圓盤式結構，真空泵的兩級葉輪分別位于兩級泵室內，裝在同一根軸上。轉子葉輪與泵體的中心設計成了偏心，當葉輪旋轉時，則形成等厚度的水環，水環與葉輪的輪轂、葉片之間而形成了容積不等的月牙形小空腔，小空腔的容積，隨著葉輪的旋轉而逐漸發生變化，當小空腔的容積由小變大，腔內的氣體壓力由高變低，外界的氣體在壓力差的作用下，逐漸被吸入泵腔內，完成吸氣過程。

凝汽器真空系統(CVI)的主要功能是在汽輪發電機組啟動過程中和正常運行期間持續地從凝汽器中抽除空氣和其它不凝結氣體，建立并維持所需的凝汽器真空度，為汽輪機提供適當的背壓。

凝汽器抽真空系統的設計滿足如下要求：一是在各種工況要滿足性能要求；二是在各種工況下安全可靠運行；三是盡量減少需要更換部件的數量；四是保證有效和可控的從凝汽器中排除不凝結氣體。

二、真空泵設計情況

真空泵，設計為核電廠重要設備。凝汽器真空系統由三套水環式真空泵組、真空破壞裝置、真空測量裝置和所有連接的管道及閥門組成。每套真空泵組包括電動水環式真空泵、氣水分離器和板式熱交換器。在機組啟動過程中，三臺真空泵同時運行，以縮短達到凝汽器設計真空值的時間；機組正常滿負荷運行時，兩臺真空泵運行維持凝汽器真空，另一臺真空泵備用。在機組低負荷或瞬態運行時，根據凝汽器真空情況，可三臺真空泵投入運行。機組啟動時，從凝汽器抽出的空氣和其它不凝結氣體排入大氣。機組正常運行時，從凝汽器抽出的空氣和其它不凝結氣體排向核輔廠房的通風系統，經監測合格，可排向大氣。

機組設計的正常運行工況，是指汽輪機最大連續輸出功率為695.99MWe，凝汽器空氣泄漏為HEI(表面式凝汽器)設計泄漏率，凝汽器真空可由兩臺真空泵保持，凝汽器壓力為5.39kpa(a)。

按照HEI表面式凝汽器標準，在向汽輪機送入蒸汽前，用三套真空泵抽氣成套設備在30分鐘內將凝汽器的壓力從大氣壓力降低到33.86kPa(a)。

每臺機組配置三臺50%容量水環式真空泵，電機與真空泵采用直連方式，機組啟動時，三臺泵運行，正常運行時則兩臺運行一臺備用。

除大屋頂外，斗拱的應用也不可忽視，在建筑抗震方面也發揮出了重要作用，我國古代建筑中斗拱的應用十分頻繁，例如：山西大同華嚴寺，除主要殿堂幸存下來外，其他建筑都被破壞，這是由于主要殿堂內采用了斗拱這一施工工藝，甚至在強烈地震中都可發揮作用，如同一個“減震器”。在具體應用中通過各種構件的連接增強其整體性，在地震中可將地震力傳遞給其他柱子，從而為結構安全性提供了保障。

圖4 真空泵葉輪破損、斷裂

真空泵在建立完真空后，還需繼續做維持真空泵用，但是此時大水環泵的工作壓力處于工作液的蒸汽壓，汽蝕嚴重，導致水環泵效率極低，在30%左右，并且此時的水環泵噪音較大、振動較大，最主要的水環泵葉輪容易出現裂縫甚至斷開，如圖4所示。

三、現有運行情況描述

1號機組CVI真空泵為某公司生產的TC-11型真空泵，真空泵錐輪及轉子最原始的材質設計為鑄鐵。因汽蝕嚴重，于2007年將此真空泵的錐輪及轉子材質更換為304不銹鋼。

2008年以來，1號機組CVI真空泵多次出現了轉子與錐輪卡死的缺陷，目前此缺陷的解決，已列為公司十大技術問題，如圖5所示。

圖5 錐輪、轉子卡死處的磨損情況

真空泵轉子卡死缺陷，會直接導致真空泵不可用，進而會直接影響核電廠發電。不銹鋼轉子與鑄鐵錐輪配合使用時，由于材質熱膨脹系數較小且材質不易卡死，因此轉子卡死缺陷未出現。

經咨詢廠家，且調研國內某核電的電廠的現場運維案例，現將真空泵錐輪材質改為鑄鐵，葉輪還采用304不銹鋼，可避免真空泵卡死缺陷不再出現。

統計歷年來的真空泵轉子卡死缺陷如表1所示。

表1 公司1、2號機組歷年來真空泵運行缺陷情況

3、4號機組一直未更換過不銹鋼錐輪，運行良好。

后續通過公司生產技術委員會決策、分析，通過2020.9.30日實施此改造，目前2號機組真空泵運行良好，機組安全穩定運行，后續推廣到1號機組予以實施。

四、冬季單臺真空泵投運可行性分析

1、2號機組CVI泵對汽輪機真空要求為5.39KPa，3、4號機組CVI泵對汽輪機真空要求為5.4KPa，全廠四臺機組對真空度的設計要求基本一致。

1、2號機單臺CVI泵投用，可達到的汽輪機背壓為3.386～10.16KPa，3、4號機單臺CVI泵投用，可達到的汽輪機背壓為5.39～11.8KPa。按照理論，全廠四個機組投運單臺CVI泵，其出力是滿足真空度要求的。

曾經1、2號機組在冬季進行過單臺CVI泵投運，但偶爾出現過氧含量偏低和電導率問題偏高的問題，切換到另一臺泵則無此問題，后續通過交流設計院意見，并內部進行討論分析，冬季CRF循環水的冷卻能力充足，且真空度維持較好，綜合認為全廠四個機組冬季單臺CVI泵投運是可行的。

五、結論及實施效果

根據上述分析，可以確認真空泵冬季單臺運行是可行的，從設計和運行角度來看是安全有足夠保證的。后續通過全廠四臺機組的單臺泵投運的效果，真空度良好，運行安全穩定，證明是可靠的。

按照每臺機組，單臺泵功率為110Kw，冬季單臺CVI泵投用，每臺泵每天可節約110*24度電，這樣4臺機組，一個月可節省30天*110度*24*4個機組，每月可節省316,800度電，冬季按照3個月，此廠一年可節省950,400度電。

改進真空泵運行模式后，狀況良好，為公司創造了一定效益。