HTR-PM全尺寸氦循環器的耐久性試驗研究

張 超，張高劍，楊明曉，覃 捷，徐善宇

(華能山東石島灣核電有限公司，山東 濟南 250011)

高溫氣冷堆核電站示范工程(HTR-PM)是在“863”項目“IOMW高溫氣冷實驗堆”的基礎上發展的高溫氣冷堆核電站示范電站，該核電站是世界第一座具有第4代核電特征的高溫氣冷堆核電站[1]。兩個核反應堆堆芯將產生500 MW時，而發電廠的發電量將達到210 MW。 HTR-PM基于HTR-10，它是由清華大學于2000年設計和建造的。10 MW高溫氣冷堆(HTR-10)是清華大學核能技術研究所設計的國家高新技術項目之一[2-4]。HTR-10是一個球床式氣冷反應堆，包括石墨慢化、氦冷卻堆芯和陶瓷涂層燃料顆粒，設計在平均堆芯氦出口溫度700 ℃下運行[5-9]。在一回路中，氦冷卻劑通過氦循環器循環，將熱量從堆芯輸送到鍋爐。在二次回路中，來自鍋爐的蒸汽驅動汽輪機發電。對于HTR-10，反應堆和鍋爐容器垂直平行建造，通過水平熱氣管道容器連接。氦循環器安裝在容器內的鍋爐頂部。在一回路中，壓力為3.0 MPa的氦氣冷卻劑在堆芯處達到700 ℃左右，然后在鍋爐出口處降至250 ℃，即氦氣循環器在3.0 MPa、250 ℃的氦氣條件下運行[10-13]。

1 HTR-PM氦氣循環器技術

氦氣循環器是HTR-PM中的關鍵組件，可將氦氣冷卻劑從反應堆堆芯循環到蒸汽發生器。由于沒有這種循環器的工程經驗，因此制作了一個完整的模型來進行測試。樣機的整個參數與HTR-PM的實際工廠循環器相同。表1顯示了氦循環器和模型的主要設計參數。

表1 氦循環器的主要設計參數及模型Tab.1 Main design parameters and models of helium circulator

該模型的設計具有緊湊的垂直布局。布局有點像反應堆冷卻劑泵RUV。電機均密封在壓力容器中，并且都具有兩個徑向軸承和一個推力軸承。與反應堆冷卻劑泵不同，模型的轉子由主動磁性軸承支撐。葉輪安裝在轉子外部，沒有任何其他零件[14-16]。樣機的電機在氦氣環境中工作，設計工作壓力為7 MPa，設計工作溫度為60 ℃。電動機和主動磁性軸承的電纜通過電氣穿入組件和壓力容器，電機和軸承由氦水冷卻器冷卻，電機冷卻器安裝在壓力容器的內部上蓋上，整個壓力容器都支撐在大型水泥基座上。底部容器中心的管道將氦氣引導至樣機的入口，樣機的出口直接安裝在中間容器上，容器的下部是用于氦氣實驗的容器，圖1顯示了模型的結構。與HTR-10的氦循環器相比，由于模型是一個大型機電系統，與HTR-10的氦循環器相比有許多新部件，因此需要進行大量的試驗以確保其安全性和可靠性。

圖1 氦循環器結構(帶AMB主動磁軸承)Fig.1 Helium circulator structure (with AMB active magnetic bearing)

按照Jiang等的研究，設計了一個氦循環器工程試驗裝置(ETF-HC)來測試氦循環器。模型和工廠使用的模型都可以在ETC-HC上進行測試。圖2顯示了ETF-HC的示意圖，它是一個閉合回路，氦通過模型、控制閥、流量計和熱交換器。兩級換熱器用于測試大多數操作條件，第1級換熱器將氦氣中的熱量傳遞給高壓純水，而第2級換熱器將高壓純水中的熱量傳遞給低壓循環水。該設施有輔助系統來支持模擬操作，如氦氣凈化系統、真空系統、循環水冷卻系統和氦氣儲存系統。

圖2 ETF-HC的布局Fig.2 Layout of ETF-HC

2 HTR-PM全尺寸氦循環器耐久度試驗

2.1 工廠試驗

氦循環器的高度約為3.9 m，直徑為2.9 m；全功率設計為4.5 MW功率，速度為4 000 r/min。氦循環器的設計中首先使用了電磁軸承，4象限變頻器和特殊的無源擋板閥。上海鼓風機廠和佳木斯電機制造的全尺寸模型與反應堆中使用的氦循環器完全相同[17]。全尺寸模擬裝置是氦循環器的關鍵部件，其主動磁軸承由清華大學INET團隊設計。盡管電磁軸承已在天然氣管道行業和石化行業應用了數年，在高溫氣體反應堆的氦氣循環器中的實際應用并不常見[18]。盡管已經對帶有AMB的模擬轉子進行了測試，但是由于缺乏如此大型，高速，重載轉子的操作經驗，AMB的測試和調整仍花費了幾個月的時間。氮氣被用作工廠測試的工作液，以簡化測試。測試壓力為1 MPa，因此密度將類似于7 MPa時的氦氣密度。其他主要參數與表1中列出的設計參數相同，最初的實驗測試了氦循環器的功能。解決了一些最初的問題后，該模型在工廠中連續運行了100 h。

圖3 顯示了用于100 h氮氣測試的測試系統，它包括2個氮氣回路，水冷卻系統和氮氣供應系統。樣機入口的氮氣參數為1.0 MPa和243 ℃。壓力上升為204 kPa，流速為97.6 kg/s，在3 750 r/min時滿足設計要求。結果表明，模型的空氣動力學特性已經滿足設計要求，但速度低于額定值。這意味著性能優于設計預測。因此，模型是可靠的，可以提供足夠的流量。并通過了在額定負載下，完成了500 h的氮氣負載試驗。

1-氦循環器模型； 2-1號氮氣冷卻器； 3-2號氮氣儲罐；4-電機冷卻器；5-AMB冷卻器；6-真空泵冷卻器；7-氮氣循環泵；8-氮氣儲罐；9-氮氣氣缸；10-真空泵；11-流量計圖3 氮氣工廠測試系統流程圖Fig.3 Flow chart of the nitrogen plant test system

2.2 氦氣耐久度試驗

在成功的工廠測試之后，該模型已交付給INET以在ETF-HC上進行測試。 ETF-HC的照片顯示如圖4所示。在安裝和調試后，以氦氣為工作液的耐力測試于2018年1月開始，精確模擬了HTR-PM中的工作條件，以驗證模型的可靠性。因為氦氣比氮氣容易泄漏，最初的測試需要對氦氣密封進行改進，壓力容器使用橡膠O形圈作為密封材料，金屬八角形墊片用作管道法蘭的密封件[19]。經過幾次氦氣密封測試后，最終泄漏率降低到小于10-7Pa·m3/s，這在整個測試設施中每天少于氦氣量的0.5%。改善軸封后，也可減少從葉輪室到電動機室的內部氦氣泄漏。

然后在額定功率下的50 h測試中評估了氦氣的模擬性能。圖5 圖中顯示了50 h氦氣測試的氦氣和冷卻水流的流程圖。與氮氣測試設備不同，它包括主氦回路，防喘振回路，高壓水冷卻系統和低壓水冷卻系統，以模擬各種工作條件。

50 h試驗期間的轉速、電機功率、進口溫度和進口壓力。所有4個參數在測試期間都保持穩定，這意味著模型可以在額定負荷下以氦氣為工質平穩運行。試驗開始時，為了測試電磁軸承的穩定性，提高了轉速，從曲線的開始部分就出現了波動現象。從中間曲線也可以看出，冷卻水系統調整后進口溫度變化不大。

圖4 ETF-HC照片Fig.4 ETF-HC photo

1-氦循環器模型； 2-真空泵； 3-流量計；4-純水換熱器；5-純水循環系統；6-循環水換熱器；7-氮氣儲罐；8-純水泵；9-氮氣氣缸圖5 ETF-HC 50 h氦試驗流程圖Fig.5 ETF-HC 50-hour helium test flow chart

經過50 h的測試后，對模型進行了一系列50個工作條件的服務周期。每個周期都模擬了一個核電廠在一年內運行條件的變化。每個循環包括3個冷啟動和關閉，反應堆負載的3個變化，3個使反應堆停止的熱跳閘和3個熱啟動。 HTR-PM的設計壽命為40年，測試運行了50個周期，因此又增加了10個周期。在每個測試周期中，速度和負載發生了數次變化。首先，模型從冷態開始，然后提高到400 r/min。停機3次后，轉速提高到3 000 r/min，并通過模型本身的力量加熱氦氣。氦氣溫度升高到設計溫度，同時模型的旋轉速度逐步提高。

同時，通過適當的模擬功率和操作時間控制升溫速率。當工況達到設計要求時，進行了3次快速降負荷和3次熱停跳閘,整個循環試驗于2019年6月15日至2020年5月27日進行。因此，氦耐久性試驗持續了近1年，包括維護期，氦循環器運行超過500 h，經歷了500多次啟動和關閉。

圖6顯示了在氦耐久性試驗期間，在額定負載下，主動磁軸承的典型軌道。綠色圓圈內的軌道是最小的圓圈，代表良好的振動水平，綠色和黃色圓圈之間的軌道代表可接受的振動水平，紅色和黃色圓圈之間的軌道代表危險的振動水平，紅色圓圈表示輔助軸承的間隙[20]。該圖表明，電磁軸承在軸振動小于0.05 mm的情況下是穩定的。因此，電磁軸承工作良好，軸振動幅度小于設計安全限值。

圖6 主動磁軸承的軌道Fig.6 Track of active magnetic bearing

在耐久性試驗過程中的經驗表明，電磁軸承可以很容易地由非電磁軸承專家的值班人員來控制。因此，INET開發的電磁軸承的性能也在500多個電磁軸承啟動和關閉的耐久性試驗中得到驗證，結果表明，電磁軸承可以為高溫氣冷堆-永磁氦循環器提供良好的支撐。

3 結語

HTR-PM氦循環器的全尺寸模型在2017年至2020年間通過了多次工廠試驗和氦設施試驗，模型在額定負荷下氮氣穩定工作超600 h，并成功地完成了500多個瞬變過程和超500 h的氦氣工作。耐久性試驗驗證了氦循環器的性能和可靠性，這意味著氦循環器滿足HTR-PM設計要求，能夠可靠地為反應堆提供足夠的氦流量。