齊 媛,楊麗麗,李如源,孫國臣

(1.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082；2.福建寧德核電有限公司，福建寧德355200)

重要廠用水泵特性試驗不合格期間的安全論證

齊 媛1,楊麗麗1,李如源2,孫國臣1

(1.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082；2.福建寧德核電有限公司，福建寧德355200)

國內(nèi)運行核電廠曾出現(xiàn)重要廠用水泵特性試驗不合格的情況，對于現(xiàn)場已安裝投運的泵，發(fā)現(xiàn)異常后很多實驗臺架上能夠進行的檢測在現(xiàn)場無法實施，加之缺陷處理的時間壓力大，使得原因分析和處理存在較大難度，尤其根據(jù)試驗條件下的數(shù)據(jù)論證泵能否滿足最苛刻條件下的安全準則的分析更為困難。鑒于重要廠用水泵的安全功能以及出現(xiàn)異常后的處理難度，給出了此類情況下原因排查的思路，并結(jié)合具體事件重點闡述了重要廠用水泵葉輪缺陷處理期間判斷機組能否繼續(xù)運行的安全論證方法。最后指出了該方法在其他問題上可能的應用，并提出了部分電廠定期試驗大綱相關(guān)條款的不足之處。

核電廠，重要廠用水泵，安全準則，特性曲線

泵的揚程、流量和效率是衡量其性能的重要指標，對于現(xiàn)場運行的泵需要定期進行特性試驗，與出廠的揚程-流量特性曲線進行比對，檢驗泵的性能變化。國內(nèi)二代改進型核電機組的重要廠用水系統(tǒng)承擔著核島最終熱阱的重要功能，在電廠的正常運行工況或事故運行工況，都要用于導出設備冷卻水系統(tǒng)所傳輸?shù)臒崃浚瑐鬟f到海水中[1]。作為重要廠用水系統(tǒng)關(guān)鍵設備的重要廠用水泵，必須對其進行嚴格的定期特性試驗，檢驗與特性曲線的符合性，以確認相關(guān)參數(shù)滿足安全準則的要求。國內(nèi)運行核電廠曾出現(xiàn)重要廠用水泵的特性試驗不滿足驗收準則的情況，對于現(xiàn)場已安裝投運的泵，發(fā)現(xiàn)異常后很多實驗臺架上能夠進行的檢測在現(xiàn)場無法實施，因此在原因查找、運行安全論證等多個方面都存在著較大的難度。同時按照運行技術(shù)規(guī)范的要求，對于滿足相關(guān)條款的情況，需要停堆進行處理，處理的時間壓力很大。鑒于重要廠用水泵的安全功能以及出現(xiàn)異常后的處理難度，現(xiàn)對泵的特性試驗不符合驗收準則后的處理方案進行了研究，以便電廠出現(xiàn)類似問題時進行借鑒。

1 重要廠用水泵不符合特性曲線的原因排查

我國二代改進型核電機組的重要廠用水泵為立式離心泵，按其定期試驗監(jiān)督大綱的要求，每年對重要廠用水系統(tǒng)泵進行特性H=f(Q)試驗(驗收準則為泵的出廠特性曲線)，試驗“說明”中明確每三個月試驗一臺泵(共計4臺)。本部分將結(jié)合國內(nèi)某核電廠發(fā)生的重要廠用水泵相關(guān)特性試驗不滿足驗收準則的案例，說明針對重要廠用水泵問題原因排查的主要方面。該電廠在試驗中發(fā)現(xiàn)有3臺泵運行流量工況下對應的揚程、效率低于泵出廠曲線上的對應值。

導致重要廠用水泵定期試驗數(shù)據(jù)偏離泵廠家提供的特性曲線的原因可能包括以下幾個方面：管道發(fā)生堵塞，需拆開膨脹節(jié)后進入管道內(nèi)部進行防腐檢查，確認管道是否發(fā)生堵塞；泵的過濾器和設備冷卻水換熱器發(fā)生堵塞，可進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)是否有堵塞情況；確認管系布置方面是否有影響流量等泵性能的問題；泵本體可能存在的問題，可對泵的轉(zhuǎn)子、葉輪、泵體、泵體密封環(huán)、泵蓋密封環(huán)、填料軸套、軸承以及其他可能腐蝕和磨損零部件進行檢查；核查現(xiàn)場試驗條件與出廠試驗的不同點，檢查流量計、進出口壓力表等儀器儀表，同時核對測量儀表安裝布置位置是否與相關(guān)標準要求一致。

在國內(nèi)某核電廠的排查中發(fā)現(xiàn)實測葉輪外徑小于原始設計外徑(型式鑒定的泵)，懷疑泵特性試驗不合格可能由葉輪尺寸存在問題所致。此時應注意除尺寸方面存在異常外，葉輪是否存在其他問題，例如與設計相比在型線方面是否有變化，如果型線有變化，泵的特性曲線將會完全不同，將影響到原設計分析。如確認葉輪存在的缺陷，需要更換新的滿足要求的葉輪(使用備件或重新制造)。

2 重要廠用水泵問題處理期間的運行安全論證

對于泵葉輪尺寸上存在的問題，必須對葉輪進行更換，但往往葉輪備件同一批次生產(chǎn)，存在同樣問題的概率較大。如備件也不能滿足要求，需要重新制造新的葉輪，如果數(shù)量較大,到貨可能需要數(shù)月時間，這一階段面臨的最大問題是在泵的特性曲線不能滿足要求的情況下，未完成更換葉輪的泵能否滿足安全準則的要求，這決定著機組在此期間能否繼續(xù)運行。

該電廠重要廠用水系統(tǒng)安全準則流量對應的工況是當機組出現(xiàn)LOCA 事故，考慮LOCA工況最大熱負荷(設備冷卻水系統(tǒng)/重要廠用水系統(tǒng)板式換熱器)疊加海水溫度為Tmax，此時要求1臺重要廠用水泵運行即可以安全排出熱負荷(對應板式換熱器設備冷卻水系統(tǒng)側(cè)出口溫度≤45℃)。對應于安全準則工況的相關(guān)參數(shù)條件，需要重要廠用水系統(tǒng)為板式換熱器提供的流量為3360m3/h。綜上所述，重要廠用水系統(tǒng)安全準則即任何情況下單泵運行的流量均不低于3360m3/h。

影響重要廠用水系統(tǒng)流量的因素包括：泵特性曲線、系統(tǒng)阻力特性和進口水位。泵特性曲線是其中可以視為不變的因素；系統(tǒng)阻力特性隨著主要設備(主要集中在換熱器和貝類捕集器)的堵塞情況而變化；進口水位即海水潮位也是可變因素。因此，任何情況下單泵運行的流量均不低于3360m3/h，更為具體的解釋是當系統(tǒng)堵塞在設計考慮允許范圍內(nèi)的最嚴重情況下、且海水潮位處于設計最低水位時，重要廠用水系統(tǒng)仍然可以提供不低于3360m3/h 的流量。

進行泵運行安全的論證難點在于不能直接判定系統(tǒng)是否滿足安全準則要求的流量。從當時定期特性試驗的數(shù)據(jù)看，測得的最小流量都大于安全準則要求的流量3360m3/h，但特性試驗的條件與安全準則要求的條件不同。實際上設計最低水位、系統(tǒng)堵塞最嚴重均是概率極低的事件，同時出現(xiàn)的可能性更是微乎其微；試驗時通常海水水位處于平均海平面附近，遠高于設計最低水位；貝類捕集器設有反沖洗、換熱器設有壓差監(jiān)測，通常其壓差值與設計允許上限之間均有明顯差距；這些因素都有利于流量提高。因此試驗流量≥安全準則流量不能直接證明重要廠用水系統(tǒng)在設計最低水位疊加系統(tǒng)堵塞最嚴重的情況出現(xiàn)時，仍能滿足安全準則流量要求。因此需要通過間接法證明安全重要水系統(tǒng)流量滿足安全準則要求。根據(jù)現(xiàn)場試驗流量換算出安全準則規(guī)定的最苛刻條件下流量的方法和過程是研究的重點。

在驗證過程中必須使用流量-水位下限曲線的理念，流量-水位下限曲線(見圖1)是設計過程中給出的在運行1臺重要廠用水泵，系統(tǒng)流動阻力處于最大狀態(tài)時，流量與水位的關(guān)系曲線。

圖 1 流量-水位下限曲線Fig.1 Flow-water level lower limit curve

計算驗收曲線主要包括以下假設條件：泵特性曲線是不變的，由制造完工報告中的泵試驗報告提供數(shù)據(jù)；系統(tǒng)處于堵塞最嚴重的情況，其中包括貝類捕集器和換熱器均處于堵塞最嚴重的情況，即貝類捕集器和換熱器取最大流動阻力系數(shù)。在這樣的條件下，影響系統(tǒng)流量的因素就只剩下海水水位。通過上述參數(shù)計算得出流量-水位關(guān)系曲線，這一曲線即為重要廠用水系統(tǒng)流量-水位的下限曲線。

計算主要的設計輸入包括：

(1) 電廠的設計最低水位-6.5m(85國家高程)和最高水位8.85m(85國家高程)。

(2) 換熱器流動的最大阻力系數(shù)，堵塞狀態(tài)取潔凈狀態(tài)下阻力系數(shù)的1.6倍。貝類捕集器的最大阻力系數(shù)，堵塞狀態(tài)取潔凈狀態(tài)下阻力系數(shù)的2倍。

(3) 泵出廠的特性曲線。

將上述的輸入代入現(xiàn)場管網(wǎng)的水力學模型，可以計算海水水位從最低-6.5m至最高8.85m范圍內(nèi)重要廠用水系統(tǒng)的流量，根據(jù)計算出的數(shù)值可以繪制出一條曲線，即流量-水位下限曲線，圖1所示流量-水位下限曲線可以擬合成經(jīng)驗關(guān)系式，即：

qL=(27.361×H+3713.4)m3/h

其中H為水位，單位為米。從上述計算數(shù)據(jù)可以看出在最低海水水位-6.5m時流量為3534m3/h。

影響流量-水位下限曲線不確定度的因素主要有兩方面，一是實際供電頻率，按±0.5Hz 考慮；二是模型本身的計算誤差，按工程經(jīng)驗取為1%。由供電頻率為(50±0.5)Hz，即相對誤差為1%，由于頻率與轉(zhuǎn)速成正比，而轉(zhuǎn)速對流量的影響為平方關(guān)系，因此頻率偏差對流量的影響為1%×20.5=1.41%；與模型本身的計算誤差疊加，總的不確定度為流量的1.73%。安全準則流量q0為3360m3/h，因此流量-水位下限曲線在設計最低水位的流量值qL,min必須滿足：

qL,min×(1-1.73%)≥3360m3/h

計算得到qL,min≥3419m3/h。工程上通常包絡并簡化考慮，要求qL,min-q0≥80m3/h，則可以得到qL,min≥3440m3/h。因此，如果原有輸入數(shù)據(jù)都可信的情況下，計算的最低海水水位為3534m3/h，滿足最低3440m3/h要求。

根據(jù)上述流量-水位下限曲線的方法，對于泵運行安全的間接論證可以按兩個階段進行考慮，第一階段初步估算系統(tǒng)現(xiàn)有堵塞率情況下，出現(xiàn)最低海水水位的系統(tǒng)流量。第二階段為按照泵的現(xiàn)有實際情況，論證在出現(xiàn)最嚴重堵塞率，最低海水水位情況下符合安全準則的情況。

第一階段采用的論證方法簡單，耗時短，可用于對現(xiàn)有風險的快速判斷，因為現(xiàn)有堵塞率情況下出現(xiàn)最低海水水位的概率相對較大。論證中需要實測電廠出現(xiàn)不同潮位時系統(tǒng)的流量，如果數(shù)據(jù)點比較多且分布較廣，可以擬合出曲線，推算出現(xiàn)最低海水水位時的系統(tǒng)流量，該流量必須大于原設計值3534m3/h，因為此時系統(tǒng)的堵塞率低于最嚴重的工況。如果大于3534m3/h可以說明如控制好系統(tǒng)現(xiàn)有堵塞率，此時泵的性能在出現(xiàn)最低水位時仍能達到安全準則所要求的最小流量。電廠利用現(xiàn)場儀表，實測了如下數(shù)據(jù)(見表1、圖2)。

表1 實測的流量與水位數(shù)據(jù)Table 1 measured data of flow and water level

根據(jù)實測數(shù)據(jù)可以擬合得到流量和海水水位之間的關(guān)系式：

qL=56.03H+3960

圖2 實測流量-水位數(shù)據(jù)擬合的曲線Fig.2 Fitting curve base on measured flow-water level data

根據(jù)上述關(guān)系式，可推導出在最低水位-6.5m 時對應的流量為3595.81m3/h大于安全準則工況的3534m3/h。但該種方法的缺點是過于粗糙，因為短期內(nèi)海水水位變化不大，所以數(shù)據(jù)點比較集中，擬合出的曲線誤差過大，而且無法估算出真正安全準則條件下系統(tǒng)的流量。但該方法可以大致估計當時條件下繼續(xù)運行的現(xiàn)有風險，為完成第二階段的計算爭取時間。

第二階段需要根據(jù)泵的實際情況，論證在安全準則條件下符合安全準則的情況。通過泵的特性試驗可以看出泵的特性曲線與出廠時的曲線有所偏離，原有的流量-水位下限曲線可信度受到了質(zhì)疑，必須按照現(xiàn)有泵的特性重新計算在最大系統(tǒng)堵塞率時的流量。計算流量-水位下限曲線的設計輸入中，產(chǎn)生變化的只有泵的特性曲線，需要重新給出實際泵的特性曲線，泵的特性曲線一般在廠家進行實測比較準確，但對于現(xiàn)場已經(jīng)安裝的泵而言實測特性曲線是不可能的。計算得出泵的特性曲線，需要明確泵的葉輪外徑變化對特性曲線的影響，并要保證計算得到特性曲線有足夠的精度。根據(jù)泵相似定律的第一相似定律，流量之比與葉輪外徑三次方成正比，揚程之比與葉輪外徑的平方成正比[2]，可以利用相似定律重新計算出一條實際的泵的特性曲線。以往的相關(guān)研究和實踐已經(jīng)表明，通過相似理論計算出的泵的特性曲線與實際測量獲得泵的特性曲線非常接近，誤差較小。因此，計算得到的泵的特性曲線是可信的，將該曲線重新帶入管網(wǎng)的水力模型，并假設相關(guān)的最大堵塞率，計算出新的流量-水位下限曲線，同樣考慮影響流量-水位下限曲線不確定度的實際供電頻率、模型本身的計算誤差等因素(一般取80m3/h)，最終校核在最低海水水位點的流量是否滿足3360m3/h的要求。第二階段的計算遵循了系統(tǒng)原有的設計方法，推導出的數(shù)值是可信的。

3 結(jié)束語

對于重要廠用水系統(tǒng)的安全核心功能是保證系統(tǒng)的流量能夠滿足各類設計工況的需求，但在正常運行情況下，不能直接驗證最惡劣工況的實際流量。如果在系統(tǒng)管系布置沒有變更，對整個系統(tǒng)阻力監(jiān)測可用的情況下，泵的特性曲線是定期檢查的重點，這是設置定期的泵特性試驗的目的。如果試驗中確認泵的特性曲線符合出廠曲線，可以判定整個系統(tǒng)會滿足原設計的要求，即在任何工況下都會達到安全準則所要求的最低流量要求。如果出現(xiàn)偏離，必須進行相關(guān)因素的排查，包括對系統(tǒng)布置、系統(tǒng)阻力和泵本體的檢查，根據(jù)情況及時開展相應的維修。由于在泵設計、或者部件的制造加工環(huán)節(jié)的問題，可能導致泵葉輪尺寸方面存在缺陷，針對此類問題可以基于泵的相似理論，并利用流量-水位下限曲線的計算方法開展運行安全的論證。另外，除重要廠用水泵外，一回路流量超過運行技術(shù)規(guī)范要求的機械流量限值的問題在國內(nèi)二代改進型核電機組中比較普遍，此問題在新建電廠中并未得到有效解決，重要廠用水泵問題處理中相似理論的應用，可以供電廠借鑒，對主泵進一步優(yōu)化，保證泵的性能匹配系統(tǒng)各項要求。此外，重要廠用水泵的特性試驗必不可少，但國內(nèi)核電廠定期試驗監(jiān)督大綱中相關(guān)特性試驗的驗收準則有一定差異，部分電廠僅僅采用了流量范圍值的驗收準則，而不是與泵的特性曲線相比較。如本文所述，重要廠用水泵的流量與海水水位和系統(tǒng)堵塞率相關(guān)，即便測得的泵的流量滿足泵的流量范圍，也無法確定泵能否在要求的極端情況下滿足安全準則的要求，因此，定期特性試驗應側(cè)重核實泵的性能，驗收準則應考慮泵的出廠特性曲線。

[1] 廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設備[M].北京:原子能出版社,2005: 162-166.

[2] 關(guān)醒凡.泵的理論與設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987: 29-46.

Safety Criteria Analysis on Unsuccessful Characteristic test ofEssential Service Water pump in Nuclear Power Plant

QI Yuan1，YANG Li-li1，LI Ru-yuan2，SUN Guo-chen1

(1.Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China;2. Ningde Nuclear Power Company, Ningde of Fujian Prov.355200, China)

Unsuccessful characteristic test of essential service water pump ever occurred in domestic operating NPP. As far as installed pump is concerned, many on site tests following an abnormity can’t be implemented as on test rigs. Maintenance time pressure is also very great. So cause analysis and treatment are difficult, especially for proving whether the safety criteria can be met according to existing condition. In view of the safety function of essential service water system and treatment difficulty of its degradation, directions for cause investigation on this situation are provided firstly. And operation safety analysis, which is used to determine if continuous operation during treatment of pump impeller flaw can be accepted, is elaborated emphatically. At last possible other application of the analysis method is proposed, and related deficiency in some existing periodic test program is also presented.

Nuclear power plant; Essential service water pump; Safety criterion; Characteristic curve

2015-09-01

齊 媛(1982—)，女，北京人，工程師，學士，從事核安全相關(guān)研究

孫國臣：E-mail:sunguochen@chinansc.cn

TL38+7

A

0258-0918(2016)05-0601-05