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(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概述

核電廠常規(guī)島主給水泵是二回路熱力系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，其設(shè)計(jì)輸入對(duì)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性有著重要影響。然而，對(duì)于核電廠常規(guī)島主給水泵的設(shè)計(jì)，我國國內(nèi)目前還沒有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，需要設(shè)計(jì)人員逐個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行專題研究或說明。

對(duì)于核電廠給水泵驅(qū)動(dòng)方式、容量選擇及配置數(shù)量等方面的分析，國內(nèi)諸多文獻(xiàn)已有研究，但對(duì)核電廠給水泵設(shè)計(jì)輸入選擇及裕量取值方面的分析則鮮有見刊。本文結(jié)合CPR1000核電廠工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，對(duì)核電廠給水泵設(shè)計(jì)計(jì)算的輸入?yún)?shù)選擇及裕量取值要求進(jìn)行探討和分析。

對(duì)于CPR1000核電廠而言，主給水系統(tǒng)包括電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)(APA)、高壓給水加熱器系統(tǒng)(AHP)及給水流量控制系統(tǒng)(ARE)三個(gè)部分，是常規(guī)島熱力循環(huán)中的重要組成部分。其中，電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)主要由三臺(tái)50%額定容量電動(dòng)給水泵組成，在電廠啟動(dòng)、運(yùn)行及熱備用期間，通過這套設(shè)備把給水輸送到蒸汽發(fā)生器(SG)并維持設(shè)計(jì)水位。因此，主給水泵的設(shè)計(jì)對(duì)核電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。

在CPR1000核電廠的設(shè)計(jì)中，每臺(tái)機(jī)組配置3×50%額定容量電動(dòng)給水泵，兩臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用。正常運(yùn)行工況下，經(jīng)除氧器混和加熱后的飽和除氧水分兩路由兩臺(tái)給水泵升壓，匯集到給水母管后再次分兩路進(jìn)入并聯(lián)的兩列高壓加熱器(6號(hào)和7號(hào)加熱器)，經(jīng)高加加熱后匯入給水聯(lián)箱，再在給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)分三路支管進(jìn)行調(diào)節(jié)，每條支管都設(shè)有各自的旁路，之后三路給水管線并聯(lián)送入核島，最終進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。主給水系統(tǒng)流程示意圖參見圖1。主給水系統(tǒng)核島與常規(guī)島的設(shè)計(jì)分界位于圖1中A點(diǎn)處。設(shè)計(jì)分界處的參數(shù)由核島提出要求，常規(guī)島在選定主給水泵參數(shù)時(shí)予以滿足，即常規(guī)島在進(jìn)行主給水泵設(shè)計(jì)參數(shù)確定時(shí)將核島側(cè)設(shè)備及管路的運(yùn)行情況做實(shí)時(shí)考慮。

圖1 CPR1000核電廠主給水系統(tǒng)流程示意圖

2 給水泵設(shè)計(jì)輸入選擇

常規(guī)島主給水泵設(shè)計(jì)輸入的選擇，很大程度上取決于主給水管道在核島與常規(guī)島設(shè)計(jì)分界處的接口參數(shù)及核島對(duì)常規(guī)島給水泵運(yùn)行的技術(shù)要求。CPR1000核電廠核島一回路反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需考慮最佳估算流量、熱工設(shè)計(jì)流量、機(jī)械設(shè)計(jì)流量三種工況，各工況的具體定義如下：

2.1 最佳估算流量

最佳估算流量是電站實(shí)際運(yùn)行條件下最可能的流量。此流量是根據(jù)對(duì)反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器和主管道的流動(dòng)阻力的最佳估算，以及根據(jù)對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑泵揚(yáng)程—流量能力的最佳估算來確定的。雖然最佳估算流量是運(yùn)行中的最可能的流量，但在熱工和機(jī)械設(shè)計(jì)中采用更保守的流量。

2.2 熱工設(shè)計(jì)流量

熱工設(shè)計(jì)流量是用于反應(yīng)堆堆芯熱工性能、蒸汽發(fā)生器熱工性能等總體性能設(shè)計(jì)，確定電站額定參數(shù)的依據(jù)。由于設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)阻力和主泵特征的不確定性，為了提供必需的裕度，熱工設(shè)計(jì)流量需計(jì)及反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器和主管道流動(dòng)阻力、反應(yīng)堆冷卻劑泵揚(yáng)程的負(fù)偏差。熱工設(shè)計(jì)流量大約比最佳估算流量小4%，在電站投入運(yùn)行時(shí)要進(jìn)一步證實(shí)熱工設(shè)計(jì)流量。

2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)流量

機(jī)械設(shè)計(jì)流量是用于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的堆內(nèi)構(gòu)件和燃料組件機(jī)械設(shè)計(jì)的流量。為了確保設(shè)計(jì)的保守性，機(jī)械設(shè)計(jì)流量應(yīng)計(jì)及系統(tǒng)阻力的負(fù)偏差和泵揚(yáng)程的正偏差。機(jī)械設(shè)計(jì)流量比最佳估算流量約大4%。

對(duì)于CPR1000核電廠，在核島與常規(guī)島設(shè)計(jì)分界處與上述各流量對(duì)應(yīng)工況下的接口參數(shù)詳見表1。

表1 CPR1000核電廠核島與常規(guī)島設(shè)計(jì)分界處給水接口參數(shù)(SG零堵管、正常排污)

此流量為3臺(tái)SG總流量，且該流量包括正常排污量4.77 kg/s×3=14.31 kg/s。

在進(jìn)行電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用的一個(gè)通用原則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力、溫度、阻力計(jì)算等采用系統(tǒng)最可能運(yùn)行的值或最可能出現(xiàn)的最大值。遵循這一原則，基于最佳估算流量是一回路系統(tǒng)最有可能的流量，在二回路系統(tǒng)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)時(shí)，選用該流量對(duì)應(yīng)的工況是合理的。熱工設(shè)計(jì)流量是在計(jì)及反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器和主管道的流動(dòng)阻力、反應(yīng)堆冷卻劑泵揚(yáng)程以及用于測量流量方法的誤差等多項(xiàng)因素的負(fù)偏差后的流量，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的保守小流量，如果將該流量對(duì)應(yīng)的工況作為二回路主給水泵設(shè)計(jì)輸入的基礎(chǔ)，則會(huì)引起主給水泵揚(yáng)程、流量等與一回路正常運(yùn)行最可能出現(xiàn)的參數(shù)不匹配。機(jī)械設(shè)計(jì)流量是作為系統(tǒng)部件機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的保守大流量，顯然不應(yīng)作為二回路設(shè)計(jì)輸入。

3 流量及阻力裕量取值分析

裕量取值優(yōu)化是核電廠提高全廠運(yùn)行效率、節(jié)省廠用電量的重要措施之一。如何使裕量取值既能滿足電廠最大連續(xù)出力運(yùn)行要求，又能達(dá)到節(jié)能降耗的效果，在進(jìn)行給水泵設(shè)計(jì)時(shí)需分析和研究。

CPR1000核電廠主給水系統(tǒng)在進(jìn)行主給水泵流量、揚(yáng)程等參數(shù)選擇時(shí)，首先要滿足核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)基礎(chǔ)流量及揚(yáng)程的要求，然后再參照有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的需要，另行考慮一定的裕量。目前，國內(nèi)還沒有相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范對(duì)核電廠給水泵選型時(shí)流量及壓力裕量取值予以明確，各CPR1000項(xiàng)目現(xiàn)行參照使用的《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》在編制時(shí)并未對(duì)核電廠的發(fā)電特點(diǎn)作相應(yīng)考慮，故相關(guān)技術(shù)條款在CPR1000核電廠的給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中并不完全適用。下面將根據(jù)CPR1000核電廠的特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)裕量取值作進(jìn)一步分析。

3.1 流量裕量的選擇

根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》10.3.2條規(guī)定，給水泵出口總?cè)萘繎?yīng)滿足汽包爐為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的110%，直流爐為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的105%。在該規(guī)范相應(yīng)的條文解釋中對(duì)相關(guān)流量裕量考慮的因素作了進(jìn)一步明確(見表2)：對(duì)于汽包爐，裕量包括鍋爐的連續(xù)排污損失1.5%～2%、系統(tǒng)汽水泄漏損失0.4%、汽包水位波動(dòng)(包括鍋爐搶水)2%～5%、給水泵老化引起的出力降低4%～5%，共計(jì)7.9%～12.4%，一般取10%；對(duì)于直流爐，由于沒有汽包和連續(xù)排污，故其裕量可取5%。在CPR1000核電廠中，主給水泵在進(jìn)行流量設(shè)計(jì)選擇時(shí)，該裕量取值偏保守，參照了常規(guī)火電汽包爐的方式，即選擇10%作為流量裕量。

表2 常規(guī)火力發(fā)電廠不同爐型流量損失項(xiàng)比較

從表2不難看出，對(duì)核電廠而言，鍋爐連續(xù)排污(蒸汽發(fā)生器最大連續(xù)排污量已計(jì)入給水泵基礎(chǔ)流量)、汽包水位波動(dòng)兩項(xiàng)不宜作為裕量，僅需考慮給水泵老化的貢獻(xiàn)。因此，主給水泵在進(jìn)行流量設(shè)計(jì)時(shí)，選擇5%作為流量裕量是能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的。

3.2 阻力裕量的選擇

根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》10.3.8條規(guī)定，從除氧器給水箱出口到省煤器進(jìn)口介質(zhì)流動(dòng)總阻力(按鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時(shí)的給水量計(jì)算)，對(duì)于汽包爐應(yīng)另加20%裕量，對(duì)于直流爐則另加10%裕量。在CPR1000核電廠中，主給水泵在進(jìn)行阻力設(shè)計(jì)選擇時(shí)，從保守的角度考慮，取值參照常規(guī)火電汽包爐方式，即選擇20%裕量。

根據(jù)阻力與流量的平方成正比的關(guān)系，對(duì)于常規(guī)火力發(fā)電廠汽包爐而言，將給水系統(tǒng)的阻力按鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量計(jì)算時(shí)，當(dāng)把包括10%裕量的給水泵出口總?cè)萘恳暈榭偨o水量，則給水系統(tǒng)阻力增加裕量為：

實(shí)際阻力取值圓整為20%。對(duì)于直流爐，當(dāng)把包括5%裕量的給水泵出口總?cè)萘恳暈榻o水量時(shí)，給水系統(tǒng)阻力應(yīng)增加裕量為：

實(shí)際阻力取值圓整為10%。顯然，該估算結(jié)果與《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的推薦取值十分吻合。兩種爐型阻力裕量取值比較詳見表3。

表3 常規(guī)火力發(fā)電廠不同爐型阻力損失項(xiàng)比較

由表3可知，對(duì)于CPR1000核電廠給水系統(tǒng)主給水泵選型設(shè)計(jì)，當(dāng)流量裕量取值為5%時(shí)，則阻力裕量按《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中直流爐取值是合理的，即阻力裕量可取值為10%。

4 裕量選取優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)性分析

下面以廣東某CPR1000核電廠主給水系統(tǒng)為例，對(duì)主給水泵選型時(shí)流量及阻力裕量的選擇結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。該核電廠在進(jìn)行給水泵選型時(shí)，流量裕量及阻力裕量均參照《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中汽包爐的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行選取，即流量裕量取值為10%，阻力裕量取值為20%。最終訂貨的主給水泵設(shè)備參數(shù)如表4。

表4 廣東某CPR1000核電廠主給水泵設(shè)備參數(shù)比較

⑴ 流量裕量取值10%，阻力裕量取值20%。

⑵ 流量裕量取值5%，阻力裕量取值10%。

根據(jù)泵軸功率計(jì)算公式：

可有：

式中：N為泵軸功率，kW；ΔN為裕量取值優(yōu)化后節(jié)省的軸功率，kW； Q為給水流量，m3/s； Q′為裕量取值優(yōu)化后給水流量，m3/s； H為給水泵揚(yáng)程，m； H′為裕量取值優(yōu)化后給水泵揚(yáng)程，m；η為給水泵效率；ρ為給水密度，kg/m3。

把表4中相應(yīng)數(shù)據(jù)代人公式(2)，可得：

這表明，流量、阻力裕量取值優(yōu)化后(見表4“優(yōu)化參數(shù)”欄)，給水泵組的功率為：

如機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間按7000小時(shí)計(jì)，廠用電價(jià)按不含稅電價(jià)0.315元/kWh計(jì)，則每臺(tái)機(jī)組(配置兩臺(tái)電動(dòng)給水泵)年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用為：

(8000-7512)×7000×0.315×2=2152080(元)

5 結(jié)論

⑴ 基于CPR1000核電廠的特點(diǎn)，根據(jù)電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的通用原則(系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力、溫度、阻力計(jì)算等都應(yīng)采用系統(tǒng)最可能運(yùn)行的值或最可能出現(xiàn)的最大值)，二回路系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)選用核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)最佳估算流量對(duì)應(yīng)工況的參數(shù)是合理的。

⑵ 對(duì)CPR1000核電廠而言，主給水泵的流量損失項(xiàng)與常規(guī)火電廠直流爐型時(shí)基本相似，因此，主給水泵在進(jìn)行流量設(shè)計(jì)時(shí)，流量裕量應(yīng)選擇5%、阻力裕量應(yīng)選擇10%。

⑶ 對(duì)CPR1000核電廠主給水系統(tǒng)，當(dāng)主給水泵流量和阻力裕量取值作合理優(yōu)化后，主給水泵功率能減少6.1%，每臺(tái)機(jī)組年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約215萬元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

⑷ 本文針對(duì)核電廠額定功率工況下主給水泵設(shè)計(jì)輸入與核島接口參數(shù)的合理匹配進(jìn)行了探討，但對(duì)部分負(fù)荷工況及特殊瞬態(tài)工況時(shí)主給水泵設(shè)計(jì)輸入與核島運(yùn)行要求的合理匹配未作相應(yīng)分析，還需另行研究。

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