主泵換型對管線布置的影響分析及對策研究

文 超 滕 揚

（中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川 成都 610000）

0 引言

反應堆冷卻劑泵（以下簡稱主泵）是核電站最重要的設備之一，它的可靠性直接影響到反應堆的安全運行。在以往核電站中多采用100D 型主泵，福清核電站主泵由奧地利ANDRITZ 公司設計（簡稱ANDRITZ主泵），在國內屬首次應用。

本文通過對比ANDRITZ 主泵和100D 型主泵，針對主泵系統(tǒng)結構變化對布置的影響進行分析，為后續(xù)核電站主泵輔助系統(tǒng)布置的設計提供參考。

1 主泵換型對布置方式的影響分析

與參考電站100D 型主泵（見圖1）相比，ANDRITZ主泵（見圖2）結構原理改變導致在系統(tǒng)管線布置時有以下影響：

圖1 100D 型主泵流程圖

圖2 ANDRITZ 主泵流程圖

1.1 供油系統(tǒng)內置于主泵泵體

在100D 型主泵中，主泵軸承的冷卻、潤滑是由外部供油系統(tǒng)供應的， 油泵設置在反應堆+0m 層廠房外。 與其相連的供排油系統(tǒng)需要穿過+4.65 層土建結構及安全殼環(huán)廊，管線系統(tǒng)內的介質是油脂，介質泄漏易造成火災，對于反應堆廠房防火存在安全隱患。

ANDRITZ 主泵中供油系統(tǒng)內置在主泵泵體上，整個供油系統(tǒng)沒有閥門，沒有設置外部油管，泵體結構變大了。 從布置上來看取消了供排油系統(tǒng)，相應部分的消防系統(tǒng)也取消了，降低了布置房間內的火災風險以及布置難度。

1.2 增加高壓冷卻器

熱屏的主要作用是阻止反應堆冷卻劑的熱量向泵的上部傳導，熱屏組件安裝在泵殼內部的葉輪上方，100D 型主泵的熱屏蔽采用不銹鋼盤管式熱交換組件，通過設備冷卻水冷卻，保證一回路冷卻劑熱量不向上傳遞給軸承和軸封。 而ANDRITZ 主泵在泵體外部新增高壓冷卻器，設備冷卻水冷卻高壓冷卻器的密封注入水進入主泵隔熱體和軸承間的間隙，來避免反應堆冷卻劑的熱量傳遞給軸。

安裝在泵體外部的高壓冷卻器取代了參考電站中不銹鋼盤管熱交換組件的功能，需要對高壓冷卻器接口重新布置，泵體結構也就變大了。

1.3 增加停車密封管線

停車密封安裝機械密封上面，主要目的是當主泵停車時，依靠外部有一定壓力的氮氣對主泵密封。 主泵運行時，停車密封管線自動將氮氣排空排出。 同時當主泵軸密封發(fā)生故障失去密封功能的情況下，停車密封將成為防止反應堆冷卻劑泄漏的最后一道屏障。停車密封系統(tǒng)布置需要增加一條新的氮氣供應管線，通過電磁閥對氮氣供應的控制滿足系統(tǒng)的功能要求。對于布置設計無大的影響。

1.4 增加高、低壓泄漏管線

100D 型主泵第1 級密封設計為全壓， 后兩級低壓設計，第二級軸封的主要作用是作為1 號軸封損壞時的備用軸封，第三級軸封的主要作用是引導2 號軸封的泄漏水到泄漏水收集罐中。

而ANDRITZ 主泵的軸密封為3 級流體動壓密封，各級均為全壓設計，各密封內壓力占比均為33%。通過軸密封注入，注入水分成三股，第一股冷卻和潤滑徑向軸承后匯入反應堆主冷卻劑，注入水的第二股和第三股通過節(jié)流管路壓力降低后，分別冷卻第二級密封和第三級密封，形成高壓泄漏。 每級密封自身的泄漏是非常小的，第一級密封的泄漏水與冷卻第二級密封的注入水匯合。 同樣，第二級密封的泄漏水與冷卻第三級密封的注入水匯合。 第三級密封的泄漏水單獨離開密封室，稱為低壓泄漏（見圖3）。

從布置的角度上看，高、低壓管線在主泵房間有限的空間中連接，對兩條管線布置設計相互形成了制約。

1.5 對布置方式的影響

雖然ANDRITZ 主泵取消了一些管線， 但取消的部分都通過各種方式安裝在主泵泵體上，導致主泵整體尺寸變大了，接口位置也有很大的變化，承載著主泵相關載荷的鋼結構也就變大。 周圍布置空間相對緊湊。 下面將著重介紹受主泵換型影響最大的高、低壓泄漏管線布置，以核電站布置原則為導向，針對布置難點進行分析，并提出設計對策。

圖3 高、低壓泄漏管線系統(tǒng)原理

2 輔助系統(tǒng)的布置原則

（1）管線布置依據反應堆冷卻劑系統(tǒng)流程圖進行布置，符合相關法規(guī)、標準和規(guī)范，滿足了正?；蚴鹿使r下的功能要求，確保系統(tǒng)安全可靠。

（2）管道走向宜與廠房軸線一致。 管道布置要合理，盡量減少交叉、返彎等現象，盡量減少焊縫，合理布置焊縫位置。 并盡可能從設計上減少檢修人員受到的輻射。

（3）起止點盡可能短，對于熱位移較大的管線使用自然補償的方式滿足管道的柔性要求。

（4）管線及其附屬設備應留有設備維修、操作、在役檢查等所需空間，不應妨礙設備、其他物項的安裝、檢修。

（5）管道規(guī)格型號應與主泵接口屬性保持一致，如壓力等級、材料、RCCM 級別、管徑、連接形式等。

（6）管道直徑不滿足溫度計測溫深度時，需要將溫度測量集管擴孔。

（7）壓力測量裝置與流量測量裝置布置在同一管線上時，應安裝在流量測量裝置的上游側，避免流體經過流量計后產生的壓差造成壓力測量不準。

（8）為使測量的參數準確，流量、壓力、溫度測量裝置宜布置在管線水平方向流體流動穩(wěn)定處。

（9）管線布置需要一定的坡度，有利于管道內流體自然流動和疏排。

3 輔助系統(tǒng)管線布置的難點及對策研究

3.1 高、低壓管線布置的難點

3.1.1 布置空間不足

主泵房間涉及專業(yè)較多， 如土建鋼結構、RCP 測溫旁路管線、設備冷卻水管線、主泵設備的保溫層等，高、低壓管線接口起止點之間就是土建鋼結構，布置設計空間嚴重不足（見圖4）。

圖4 高、低壓泄漏管線布置環(huán)

3.1.2 主泵的熱位移較大

管線起止點間距較短，而主泵熱位移較大，需要管線在最短的長度內有足夠的柔性吸收主泵的熱位移及管線的熱膨脹。

3.1.3 無法滿足設備操作、檢修的要求

高、低壓泄漏管線包含若干管道、兩個電動隔離閥、三個手動截止閥、溫度和流量測量裝置各一個。 在設計時既要滿足本專業(yè)的安裝、 操作及檢修可行性，又要滿足其他物項的安裝、操作及檢修要求。

3.2 布置問題的對策研究

3.2.1 布置空間不足

采用計算機三維設計模型軟件PDMS 設計，依據布置要求中的第（1）（2）點，與其他相關專業(yè)設計人員密切配合及溝通協(xié)調，確定該管線及其他物項的布置和功能要求。 統(tǒng)一規(guī)劃，將布置區(qū)域縱向、橫向分層次設計，提高該區(qū)域的空間使用效率。

3.2.2 主泵的熱位移較大

依據布置要求（3）的設計原則，分別將高、低壓泄漏管線設計成π 型和L 型膨脹彎，依靠管線的自然補償方式，增大管線的柔性來吸收主泵的熱位移以及管線的熱膨脹。

3.2.3 無法滿足設備操作、檢修的要求

根據布置要求（4）（6）（7）（8）的原則，縱向上將電動閥及測量裝置分別分在三個不同的標高。 在橫向上按照錯開、平行的方法布置，尤其是將占用空間較大的兩個電動閥門與溫度、 流量測量裝置相互錯開，盡量減少空間的浪費。 方便設備的操作、檢修，以及不影響其他物項的操作、檢修要求。 通過設計合理的管道走向將管件連接起來組成管線系統(tǒng)。

3.3 最終設計方案

使用PDMS 三維軟件對已設計完畢的布置進行碰撞檢查，如發(fā)現干涉情況，可按照以上解決措施進行調整和優(yōu)化。

依據以上針對輔助系統(tǒng)的布置措施，高低壓泄漏管線的最終設計如圖5 所示。

圖5 高、低壓管線設計方案

4 結語

本文通過分析研究福清主泵換型所導致的布置問題，從設計規(guī)范和原理角度提出了一套完整的優(yōu)化設計策略和思路，并給出了科學合理的設計方案。 從福清核電站1~4 號機組運行的反饋經驗來看，主泵輔助系統(tǒng)的壓力、溫度等參數符合設計要求，確保了主泵運行的可靠性。 為后續(xù)華龍一號項目的主泵輔助系統(tǒng)設計提供了參考。