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(中國核電工程有限公司,北京 100840)
上充泵是核電廠化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(簡稱化容系統(tǒng))的重要設(shè)備,具有揚程高、轉(zhuǎn)速高、功率大的特點,是重要的核安全設(shè)備,常采用多級雙側(cè)殼結(jié)構(gòu)的離心泵[1]。“華龍一號”項目中上充泵的主要功能有:1)向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)提供上充水流,從而維持穩(wěn)壓器中的正常液位(RCV上充功能);2)向反應(yīng)堆冷卻劑泵提供軸封冷卻水;此水流也起到防止高溫冷卻劑通過密封泄漏的作用(密封水注入功能)[2]。
在以往M310堆型壓水堆核電機組中,化容系統(tǒng)上充泵兼做高壓安注泵,執(zhí)行高壓安注功能時,需有大流量要求(160 m3/h)。根據(jù)泵性能曲線,此時對應(yīng)的工況點泵功率較高,最大功率出現(xiàn)在流量為115 m3/h附近。而在“華龍一號”項目中,系統(tǒng)設(shè)計將上充泵的安注功能從化容系統(tǒng)中剝離出來,上充泵不再執(zhí)行高壓安注的功能。因此,就不再要求上充泵具有大流量點,有必要對化容系統(tǒng)上充泵流量-揚程特性曲線進行新的改進和設(shè)計。
此外,隨著核電廠數(shù)字化操作的普及,對設(shè)備的自動控制要求也越來越高[3]。目前,“華龍一號”中共設(shè)置兩臺上充泵,上充泵切換時采用手動切換。擬對部分工況下上充泵的手動切換改為自動切換,以提高電廠安全性、設(shè)備的自動化水平,降低操作員負擔。
在M310堆型中,上充泵可以從容控箱、換料水箱及安全殼地坑取水,上充泵設(shè)計成在以下工況點運行,詳見表1。
表1 M310堆型上充泵工況運行點
經(jīng)分析可知,該設(shè)計存在以下缺點:1)上充泵長期在小流量工況點運行,運行不穩(wěn)定,可靠性差;2)上充泵長期在小流量工況點運行效率低,34 m3/h/148 m3/h/160 m3/h,對應(yīng)效率32%/47%/40%;3)上充泵運行參數(shù)范圍大,設(shè)計制造難度大;4)增大了應(yīng)急柴油機負荷。M310上充泵額定功率650 kW,最大功率點出現(xiàn)在流量約為110 m3/h附近。
在“華龍一號”的設(shè)計中,化容系統(tǒng)不再承擔高壓安注功能,因此,大流量工況點不再需要。在此前提下,為了改進上述缺點,取消148 m3/h和160 m3/h兩個大流量工況點,重新定義工況點如表2所示。調(diào)研了EPR及AP1000中的上充泵,發(fā)現(xiàn)二者均取消了安注功能,該改進符合國際核電發(fā)展趨勢。
表2 華龍一號上充泵工況運行點
在確定水泵工況點后,聯(lián)合設(shè)備制造方,進行泵水力及結(jié)構(gòu)方案的詳細設(shè)計,并進行相應(yīng)的優(yōu)化。M310及“華龍一號”上充泵流量曲線對比圖見圖1,流量曲線對比局部放大圖見圖2。
由圖2可知,在正常上充工況中,“華龍一號”上充泵揚程略高于M310上充泵,這對于實際使用是有利的,揚程偏高可以通過減壓閥來調(diào)節(jié)。M310與“華龍一號”上充泵流量-效率曲線對比詳見圖3??芍?,在正常上充工況(流量處于30~50 m3/h),“華龍一號”上充泵效率高于M310上充泵約5個百分點。M310與“華龍一號”上充泵流量-功率曲線詳見圖4,“華龍一號”上充泵功率最大不超過550 kW,額定功率降低了100 kW。不僅降低了運行成本,也節(jié)約了應(yīng)急柴油機容量。
為分析核電廠實際運行中,新設(shè)計的上充泵的影響,利用Flowmaster軟件建立“華龍一號”上充回路仿真模型,進行計算。在保證其他條件不變的前提下,更通過優(yōu)化上充泵設(shè)計,調(diào)節(jié)上充流量調(diào)節(jié)閥,對比各管段流量變化,結(jié)果如表3所示。計算結(jié)果顯示,上充泵特性曲線優(yōu)化,可以通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度來平衡各回路流量,且調(diào)節(jié)量較小,不會造成調(diào)節(jié)閥重新設(shè)計。
圖1 M310與“華龍一號”上充泵流量-揚程曲線Fig.1 Q-H curve of charging pump in M310 and HPR1000
圖2 M310與“華龍一號”上充泵流量-揚程曲線局部放大Fig.2 Partial enlarged view of charging pump Q-H curve in M310 and HPR1000
圖3 M310與“華龍一號”上充泵流量-效率曲線Fig.3 Q-η curve of charging pump in M310 and HPR1000
圖4 M310與“華龍一號”上充泵流量-功率曲線Fig.4 Q-P curve of charging pump in M310 and HPR1000
優(yōu)化前優(yōu)化后RCV046VP開度/%37.2062.0037.1066.10RCV061VP開度/%42.5047.0042.0051.00上充流量/(m3/h)12.3328.0412.3328.04軸封注入流量/(m3/h)5.765.765.765.76
目前的切換備用上充泵的情況有兩種:一種為定期切換;一種為發(fā)生故障時切換。上充泵出口母管處設(shè)置壓力測量儀表RCV017MP,用以監(jiān)測上充泵出口壓力。當該儀表監(jiān)測到壓力低,不能滿足要求時,由操作員手動切換備用泵啟動。該種操作方法增加了操作員的負擔,且增加了人因失誤的幾率。因此,在廣泛調(diào)研和充分吸取運行單位經(jīng)驗反饋的基礎(chǔ)上,擬將該種情況下的備用上充泵啟動方式改為自動啟動。
在不改變工藝原有設(shè)計和設(shè)備配置,不增加設(shè)備的額外投資,僅通過儀控系統(tǒng)的邏輯設(shè)計優(yōu)化來實現(xiàn)化容系統(tǒng)上充泵列間切換自啟動的目的,從而提升化容系統(tǒng)運行的安全性及自動化水平,減少操作員的操作負擔。具體的優(yōu)化方案如下:
1)考慮化容系統(tǒng)上充泵在何種工況下需要列間切換自啟動,選擇合適的觸發(fā)信號和閉鎖信號;
2)考慮上充泵列間切換自啟動邏輯與泵的其他啟停邏輯間的優(yōu)先關(guān)系。
化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的上充泵,可分為A、B兩列,A列泵為RCV001PO,B列泵為RCV002PO,兩臺泵的控制邏輯相似。下面以上充泵RCV001PO的控制邏輯為例,介紹由運行的B列泵自動切換至A 列泵的控制方案設(shè)計:
1)正常運行期間,RCV002PO投運,無停泵信號出現(xiàn),若泵出口壓力逐漸降低至產(chǎn)生上充泵管線壓力低信號,即考慮RCV002PO可能故障,此時需快速啟動RCV001PO,供應(yīng)主泵軸封水和上充流量。該觸發(fā)條件應(yīng)注意避免在RCV002PO啟動初期未建立上充壓力期間和定期試驗期間出現(xiàn)的上充泵管線壓力低現(xiàn)象誤觸發(fā)列間備用泵啟動信號。
2)正常運行期間,RCV002PO投運,若出現(xiàn)非主控室發(fā)出的手動停泵命令導(dǎo)致的RCV002PO停運情況,則自動啟動RCV001PO。
1)“華龍一號”項目中上充泵不再兼做高壓安注泵,在泵的工況點選取中可以去掉兩個安注用的大流量點,以減少泵功率,提高泵效率;
2)流量曲線優(yōu)化后的上充泵對整個上充回路及軸封注入回路流量分配影響較小,無需重新設(shè)計調(diào)節(jié)閥;
3)將上充泵出口壓力低及定期切換備用上充泵改為自動操作,降低操作員負擔。