重要廠用水泵特性試驗(yàn)不合格期間的安全論證

齊 媛,楊麗麗,李如源,孫國(guó)臣

(1.環(huán)境保護(hù)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(yàn)不合格期間的安全論證

齊 媛1,楊麗麗1,李如源2,孫國(guó)臣1

(1.環(huán)境保護(hù)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(guó)內(nèi)運(yùn)行核電廠曾出現(xiàn)重要廠用水泵特性試驗(yàn)不合格的情況，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)已安裝投運(yùn)的泵，發(fā)現(xiàn)異常后很多實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上能夠進(jìn)行的檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)施，加之缺陷處理的時(shí)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(yàn)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(zhǔn)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(diǎn)闡述了重要廠用水泵葉輪缺陷處理期間判斷機(jī)組能否繼續(xù)運(yùn)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(yīng)用，并提出了部分電廠定期試驗(yàn)大綱相關(guān)條款的不足之處。

核電廠，重要廠用水泵，安全準(zhǔn)則，特性曲線

泵的揚(yáng)程、流量和效率是衡量其性能的重要指標(biāo)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的泵需要定期進(jìn)行特性試驗(yàn)，與出廠的揚(yáng)程-流量特性曲線進(jìn)行比對(duì)，檢驗(yàn)泵的性能變化。國(guó)內(nèi)二代改進(jìn)型核電機(jī)組的重要廠用水系統(tǒng)承擔(dān)著核島最終熱阱的重要功能，在電廠的正常運(yùn)行工況或事故運(yùn)行工況，都要用于導(dǎo)出設(shè)備冷卻水系統(tǒng)所傳輸?shù)臒崃?，傳遞到海水中[1]。作為重要廠用水系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的重要廠用水泵，必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的定期特性試驗(yàn)，檢驗(yàn)與特性曲線的符合性，以確認(rèn)相關(guān)參數(shù)滿足安全準(zhǔn)則的要求。國(guó)內(nèi)運(yùn)行核電廠曾出現(xiàn)重要廠用水泵的特性試驗(yàn)不滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則的情況，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)已安裝投運(yùn)的泵，發(fā)現(xiàn)異常后很多實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上能夠進(jìn)行的檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)施，因此在原因查找、運(yùn)行安全論證等多個(gè)方面都存在著較大的難度。同時(shí)按照運(yùn)行技術(shù)規(guī)范的要求，對(duì)于滿足相關(guān)條款的情況，需要停堆進(jìn)行處理，處理的時(shí)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(duì)泵的特性試驗(yàn)不符合驗(yàn)收準(zhǔn)則后的處理方案進(jìn)行了研究，以便電廠出現(xiàn)類似問題時(shí)進(jìn)行借鑒。

1 重要廠用水泵不符合特性曲線的原因排查

我國(guó)二代改進(jìn)型核電機(jī)組的重要廠用水泵為立式離心泵，按其定期試驗(yàn)監(jiān)督大綱的要求，每年對(duì)重要廠用水系統(tǒng)泵進(jìn)行特性H=f(Q)試驗(yàn)(驗(yàn)收準(zhǔn)則為泵的出廠特性曲線)，試驗(yàn)“說明”中明確每三個(gè)月試驗(yàn)一臺(tái)泵(共計(jì)4臺(tái))。本部分將結(jié)合國(guó)內(nèi)某核電廠發(fā)生的重要廠用水泵相關(guān)特性試驗(yàn)不滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則的案例，說明針對(duì)重要廠用水泵問題原因排查的主要方面。該電廠在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有3臺(tái)泵運(yùn)行流量工況下對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、效率低于泵出廠曲線上的對(duì)應(yīng)值。

導(dǎo)致重要廠用水泵定期試驗(yàn)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(gè)方面：管道發(fā)生堵塞，需拆開膨脹節(jié)后進(jìn)入管道內(nèi)部進(jìn)行防腐檢查，確認(rèn)管道是否發(fā)生堵塞；泵的過濾器和設(shè)備冷卻水換熱器發(fā)生堵塞，可進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)是否有堵塞情況；確認(rèn)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(duì)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(jìn)行檢查；核查現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件與出廠試驗(yàn)的不同點(diǎn)，檢查流量計(jì)、進(jìn)出口壓力表等儀器儀表，同時(shí)核對(duì)測(cè)量?jī)x表安裝布置位置是否與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求一致。

在國(guó)內(nèi)某核電廠的排查中發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)葉輪外徑小于原始設(shè)計(jì)外徑(型式鑒定的泵)，懷疑泵特性試驗(yàn)不合格可能由葉輪尺寸存在問題所致。此時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)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(huì)完全不同，將影響到原設(shè)計(jì)分析。如確認(rèn)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(yùn)行安全論證

對(duì)于泵葉輪尺寸上存在的問題，必須對(duì)葉輪進(jìn)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(shí)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(zhǔn)則的要求，這決定著機(jī)組在此期間能否繼續(xù)運(yùn)行。

該電廠重要廠用水系統(tǒng)安全準(zhǔn)則流量對(duì)應(yīng)的工況是當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)LOCA 事故，考慮LOCA工況最大熱負(fù)荷(設(shè)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(shí)要求1臺(tái)重要廠用水泵運(yùn)行即可以安全排出熱負(fù)荷(對(duì)應(yīng)板式換熱器設(shè)備冷卻水系統(tǒng)側(cè)出口溫度≤45℃)。對(duì)應(yīng)于安全準(zhǔn)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(zhǔn)則即任何情況下單泵運(yùn)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(jìn)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(shè)備(主要集中在換熱器和貝類捕集器)的堵塞情況而變化；進(jìn)口水位即海水潮位也是可變因素。因此，任何情況下單泵運(yùn)行的流量均不低于3360m3/h，更為具體的解釋是當(dāng)系統(tǒng)堵塞在設(shè)計(jì)考慮允許范圍內(nèi)的最嚴(yán)重情況下、且海水潮位處于設(shè)計(jì)最低水位時(shí)，重要廠用水系統(tǒng)仍然可以提供不低于3360m3/h 的流量。

進(jìn)行泵運(yùn)行安全的論證難點(diǎn)在于不能直接判定系統(tǒng)是否滿足安全準(zhǔn)則要求的流量。從當(dāng)時(shí)定期特性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)看，測(cè)得的最小流量都大于安全準(zhǔn)則要求的流量3360m3/h，但特性試驗(yàn)的條件與安全準(zhǔn)則要求的條件不同。實(shí)際上設(shè)計(jì)最低水位、系統(tǒng)堵塞最嚴(yán)重均是概率極低的事件，同時(shí)出現(xiàn)的可能性更是微乎其微；試驗(yàn)時(shí)通常海水水位處于平均海平面附近，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)最低水位；貝類捕集器設(shè)有反沖洗、換熱器設(shè)有壓差監(jiān)測(cè)，通常其壓差值與設(shè)計(jì)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(yàn)流量≥安全準(zhǔn)則流量不能直接證明重要廠用水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)最低水位疊加系統(tǒng)堵塞最嚴(yán)重的情況出現(xiàn)時(shí)，仍能滿足安全準(zhǔn)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(zhǔn)則要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)流量換算出安全準(zhǔn)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(diǎn)。

在驗(yàn)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(shè)計(jì)過程中給出的在運(yùn)行1臺(tái)重要廠用水泵，系統(tǒng)流動(dòng)阻力處于最大狀態(tài)時(shí)，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(jì)算驗(yàn)收曲線主要包括以下假設(shè)條件：泵特性曲線是不變的，由制造完工報(bào)告中的泵試驗(yàn)報(bào)告提供數(shù)據(jù)；系統(tǒng)處于堵塞最嚴(yán)重的情況，其中包括貝類捕集器和換熱器均處于堵塞最嚴(yán)重的情況，即貝類捕集器和換熱器取最大流動(dòng)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(jì)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(jì)算主要的設(shè)計(jì)輸入包括：

(1) 電廠的設(shè)計(jì)最低水位-6.5m(85國(guó)家高程)和最高水位8.85m(85國(guó)家高程)。

(2) 換熱器流動(dòng)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(chǎng)管網(wǎng)的水力學(xué)模型，可以計(jì)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(jì)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(yàn)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(jì)算數(shù)據(jù)可以看出在最低海水水位-6.5m時(shí)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(shí)際供電頻率，按±0.5Hz 考慮；二是模型本身的計(jì)算誤差，按工程經(jīng)驗(yàn)取為1%。由供電頻率為(50±0.5)Hz，即相對(duì)誤差為1%，由于頻率與轉(zhuǎn)速成正比，而轉(zhuǎn)速對(duì)流量的影響為平方關(guān)系，因此頻率偏差對(duì)流量的影響為1%×20.5=1.41%；與模型本身的計(jì)算誤差疊加，總的不確定度為流量的1.73%。安全準(zhǔn)則流量q0為3360m3/h，因此流量-水位下限曲線在設(shè)計(jì)最低水位的流量值qL,min必須滿足：

qL,min×(1-1.73%)≥3360m3/h

計(jì)算得到qL,min≥3419m3/h。工程上通常包絡(luò)并簡(jiǎn)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(jì)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(duì)于泵運(yùn)行安全的間接論證可以按兩個(gè)階段進(jìn)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(shí)際情況，論證在出現(xiàn)最嚴(yán)重堵塞率，最低海水水位情況下符合安全準(zhǔn)則的情況。

第一階段采用的論證方法簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，可用于對(duì)現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)的快速判斷，因?yàn)楝F(xiàn)有堵塞率情況下出現(xiàn)最低海水水位的概率相對(duì)較大。論證中需要實(shí)測(cè)電廠出現(xiàn)不同潮位時(shí)系統(tǒng)的流量，如果數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)的系統(tǒng)流量，該流量必須大于原設(shè)計(jì)值3534m3/h，因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)的堵塞率低于最嚴(yán)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(shí)泵的性能在出現(xiàn)最低水位時(shí)仍能達(dá)到安全準(zhǔn)則所要求的最小流量。電廠利用現(xiàn)場(chǎng)儀表，實(shí)測(cè)了如下數(shù)據(jù)(見表1、圖2)。

表1 實(shí)測(cè)的流量與水位數(shù)據(jù)Table 1 measured data of flow and water level

根據(jù)實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(dǎo)出在最低水位-6.5m 時(shí)對(duì)應(yīng)的流量為3595.81m3/h大于安全準(zhǔn)則工況的3534m3/h。但該種方法的缺點(diǎn)是過于粗糙，因?yàn)槎唐趦?nèi)海水水位變化不大，所以數(shù)據(jù)點(diǎn)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(zhǔn)則條件下系統(tǒng)的流量。但該方法可以大致估計(jì)當(dāng)時(shí)條件下繼續(xù)運(yùn)行的現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)，為完成第二階段的計(jì)算爭(zhēng)取時(shí)間。

第二階段需要根據(jù)泵的實(shí)際情況，論證在安全準(zhǔn)則條件下符合安全準(zhǔn)則的情況。通過泵的特性試驗(yàn)可以看出泵的特性曲線與出廠時(shí)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(jì)算在最大系統(tǒng)堵塞率時(shí)的流量。計(jì)算流量-水位下限曲線的設(shè)計(jì)輸入中，產(chǎn)生變化的只有泵的特性曲線，需要重新給出實(shí)際泵的特性曲線，泵的特性曲線一般在廠家進(jìn)行實(shí)測(cè)比較準(zhǔn)確，但對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)安裝的泵而言實(shí)測(cè)特性曲線是不可能的。計(jì)算得出泵的特性曲線，需要明確泵的葉輪外徑變化對(duì)特性曲線的影響，并要保證計(jì)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(yáng)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(jì)算出一條實(shí)際的泵的特性曲線。以往的相關(guān)研究和實(shí)踐已經(jīng)表明，通過相似理論計(jì)算出的泵的特性曲線與實(shí)際測(cè)量獲得泵的特性曲線非常接近，誤差較小。因此，計(jì)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(shè)相關(guān)的最大堵塞率，計(jì)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(shí)際供電頻率、模型本身的計(jì)算誤差等因素(一般取80m3/h)，最終校核在最低海水水位點(diǎn)的流量是否滿足3360m3/h的要求。第二階段的計(jì)算遵循了系統(tǒng)原有的設(shè)計(jì)方法，推導(dǎo)出的數(shù)值是可信的。

3 結(jié)束語

對(duì)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(shè)計(jì)工況的需求，但在正常運(yùn)行情況下，不能直接驗(yàn)證最惡劣工況的實(shí)際流量。如果在系統(tǒng)管系布置沒有變更，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)阻力監(jiān)測(cè)可用的情況下，泵的特性曲線是定期檢查的重點(diǎn)，這是設(shè)置定期的泵特性試驗(yàn)的目的。如果試驗(yàn)中確認(rèn)泵的特性曲線符合出廠曲線，可以判定整個(gè)系統(tǒng)會(huì)滿足原設(shè)計(jì)的要求，即在任何工況下都會(huì)達(dá)到安全準(zhǔn)則所要求的最低流量要求。如果出現(xiàn)偏離，必須進(jìn)行相關(guān)因素的排查，包括對(duì)系統(tǒng)布置、系統(tǒng)阻力和泵本體的檢查，根據(jù)情況及時(shí)開展相應(yīng)的維修。由于在泵設(shè)計(jì)、或者部件的制造加工環(huán)節(jié)的問題，可能導(dǎo)致泵葉輪尺寸方面存在缺陷，針對(duì)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(jì)算方法開展運(yùn)行安全的論證。另外，除重要廠用水泵外，一回路流量超過運(yùn)行技術(shù)規(guī)范要求的機(jī)械流量限值的問題在國(guó)內(nèi)二代改進(jìn)型核電機(jī)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(yīng)用，可以供電廠借鑒，對(duì)主泵進(jìn)一步優(yōu)化，保證泵的性能匹配系統(tǒng)各項(xiàng)要求。此外，重要廠用水泵的特性試驗(yàn)必不可少，但國(guó)內(nèi)核電廠定期試驗(yàn)監(jiān)督大綱中相關(guān)特性試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則有一定差異，部分電廠僅僅采用了流量范圍值的驗(yàn)收準(zhǔn)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(cè)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(zhǔn)則的要求，因此，定期特性試驗(yàn)應(yīng)側(cè)重核實(shí)泵的性能，驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)考慮泵的出廠特性曲線。

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

[2] 關(guān)醒凡.泵的理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)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(xué)士，從事核安全相關(guān)研究

孫國(guó)臣：E-mail:sunguochen@chinansc.cn

TL38+7

A

0258-0918(2016)05-0601-05