某核電站低加疏水泵選型及必須汽蝕余量的確定

許中鵬

【摘 要】在核電站初步設(shè)計(jì)階段，參考運(yùn)行工況的流量-揚(yáng)程值及低加疏水泵特性曲線，及早進(jìn)行機(jī)組低加疏水泵設(shè)計(jì)流量及揚(yáng)程核算和確定。同時(shí)通過(guò)低加疏水泵在不同運(yùn)行工況下的有效汽蝕余量的校核計(jì)算，確保低加疏水泵在不發(fā)生汽蝕。綜合上述因素最終確定低加疏水泵的選用的廠家型號(hào)和技術(shù)參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】低加疏水泵設(shè)計(jì) 選型 汽蝕余量分析 核算

某核電站#3、#4低壓加熱器為A、B雙列帶旁路設(shè)計(jì)，#3低加疏水箱接受對(duì)應(yīng)列#3低加蒸汽凝結(jié)疏水，#4低加疏水通過(guò)疏水調(diào)節(jié)管道流入對(duì)應(yīng)列#3低加疏水箱。疏水箱中疏水為飽和水，安裝在7.5米中間層，在每臺(tái)#3低加疏水箱下方的零米層設(shè)置一臺(tái)低加疏水泵，將疏水注入對(duì)應(yīng)列#3低加凝結(jié)水出口管道。如圖1所示。

1 低加疏水泵設(shè)計(jì)流量-揚(yáng)程的確定

2008年底初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)研究院提供的某核電站一期低加疏水泵設(shè)計(jì)規(guī)范書(shū)。提供的低加疏水泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)流量是225t/h，特殊運(yùn)行工況有3種：VWO調(diào)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)運(yùn)行工況，高加全體解列工況，以及#3、#4低加單列切除工況。

設(shè)計(jì)院提供的初版規(guī)范書(shū)中的設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程值偏大，與設(shè)計(jì)院聯(lián)系澄清，確認(rèn)為低加疏水在運(yùn)行溫度112.6℃對(duì)應(yīng)的疏水密度選取錯(cuò)誤，將其更正為948.6Kg/m3后，重新提供低加疏水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)如表1。要求投標(biāo)廠家按3種特殊運(yùn)行工況的流量-揚(yáng)程值提供低加疏水泵特性曲線。

表1說(shuō)明：

額定工況對(duì)應(yīng)疏水泵運(yùn)行的最高效率區(qū)，

VWO工況：汽輪機(jī)主調(diào)節(jié)閥全開(kāi)運(yùn)行工況；

高加全切工況：#6、#7抽氣管道無(wú)抽氣量、逆止閥關(guān)；

#3、#4低加單列切除工況：一列#3、#4低加及對(duì)應(yīng)疏水泵退出運(yùn)行，75%的凝結(jié)水走運(yùn)行列，25%的凝結(jié)水走旁路，運(yùn)行列抽氣量和疏水量相對(duì)額定工況增加100m3/h。如圖2所示。

投標(biāo)廠家認(rèn)為：如按照#3、4低加單列切除工況（第3工況）對(duì)應(yīng)的流量揚(yáng)程來(lái)選取疏水泵，會(huì)比VWO工況對(duì)應(yīng)的疏水泵揚(yáng)程高10%。這樣疏水泵在額定工況要長(zhǎng)期節(jié)流運(yùn)行，浪費(fèi)廠用電。投標(biāo)廠家向設(shè)計(jì)院發(fā)出建議，是否能只按VWO工況和高加全部解列工況來(lái)確定疏水泵流量和揚(yáng)程，在單列低加切除時(shí)，多出來(lái)的約100m3/h疏水通過(guò)應(yīng)急疏水管道排往凝汽器。設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員考慮后同意投標(biāo)廠家意見(jiàn)，根據(jù)工況1、工況2來(lái)確定低加疏水泵特性曲線，工況3的流量-揚(yáng)程值仍在標(biāo)書(shū)及合同中保留，用作疏水泵校核工況使用。

2 低加疏水泵必需汽蝕余量的確定

在各投標(biāo)廠家提供低加疏水泵設(shè)計(jì)參數(shù)及必需汽蝕余量后，我方提出意見(jiàn)認(rèn)為：低加疏水泵運(yùn)行情況惡劣，易發(fā)生汽蝕。需確認(rèn)按照設(shè)計(jì)規(guī)范書(shū)中“低加疏水泵必需汽蝕余量（NPSHr 0%）應(yīng)小于4米（水柱）”來(lái)選擇疏水泵，要求值是否足夠，是否能確保某核電站的低加疏水泵在各種運(yùn)行工況下都不發(fā)生汽蝕。

我方向設(shè)計(jì)院咨詢“低加疏水泵必需汽蝕余量（NPSHr 0%）應(yīng)小于4米（水柱）”的要求是怎樣得出的。設(shè)計(jì)院反饋是根據(jù)疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀況計(jì)算得出，根據(jù)疏水泵入口管道倒灌高度，計(jì)算穩(wěn)定運(yùn)行和快速降負(fù)荷期間疏水泵入口的有效汽蝕余量NPSHa值，得出疏水泵必需汽蝕余量NPSHr應(yīng)小于4米（水柱）。

設(shè)計(jì)院說(shuō)明了疏水泵汽蝕余量的考慮因素，但不肯提供具體計(jì)算過(guò)程。為了確保低加疏水泵設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確可靠，我方整理低加疏水泵設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自行核算。

3 低加疏水泵有效汽蝕余量的校核計(jì)算

低加疏水箱底座安裝高度為7.5米中間層，低加疏水泵安裝高度為0米層。

低加疏水箱低水位相對(duì)底座0.9米。假設(shè)疏水泵入口管中心高度為0.5米，則倒灌高度-Hg的最小值為7.9米。

疏水泵選型根據(jù)MHI提供的熱平衡圖取值，在額定運(yùn)行工況，低加疏水箱壓力pe=0.156MPa（a），溫度te=112.6℃，因疏水連續(xù)流動(dòng)，不考慮入口管道散熱，疏水泵入口水溫tv=te=112.6℃，入口汽化壓力pvs≈0.156MPa（a）。如圖3所示。

每臺(tái)疏水泵流量Qm=444829/2=222415Kg/h，疏水密度948Kg/m3，按1.05倍取流量裕量，求得低加疏水泵體積流量Qv=222415×1.05/948/3600=0.0684m3/s。

疏水泵入口管管徑為Φ356×9mm，其內(nèi)徑d=0.338m，截面積0.09m2，求得疏水泵入口管內(nèi)流速v=0.0684/0.09=0.76m/s，v2/2g=0.0295m水柱。求得疏水泵入口管阻力損失之和∑hs≈0.43 m水柱。

計(jì)算額定工況疏水泵入口有效汽蝕余量NPSHa=（pe-pvs）/（ρ×g）-Hg-∑hs=0-Hg-∑hs=7.9-0.43=7.47m水柱。

4 低加疏水泵汽蝕余量分析

在機(jī)組冷態(tài)運(yùn)行及穩(wěn)定運(yùn)行工況下，疏水箱運(yùn)行壓力pe≈pvs，求得各運(yùn)行工況下的汽蝕余量，見(jiàn)表3。

可以確認(rèn)：疏水箱內(nèi)壓力沒(méi)有快速下降時(shí)，疏水泵不會(huì)發(fā)生汽蝕。

在機(jī)組瞬態(tài)運(yùn)行工況下：

（1）疏水箱水位降低到低2值時(shí)，相對(duì)正常水位減少0.23米，計(jì)算有效汽蝕余量NPSHa為7.35 米水柱，此時(shí)疏水泵保護(hù)動(dòng)作跳泵，不發(fā)生汽蝕。

（2）機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，疏水泵保護(hù)動(dòng)作跳泵，疏水箱應(yīng)急疏水閥打開(kāi)。疏水泵流量迅速降至零，不發(fā)生汽蝕。

（3）機(jī)組快速降負(fù)荷有兩種情況，一種是100%負(fù)荷-->50%負(fù)荷，另一種是100%負(fù)荷下，跳單臺(tái)給水泵，機(jī)組RunBack到70%負(fù)荷。以第二種情況為例分析如下：

100%負(fù)荷下跳單臺(tái)給水泵，觸發(fā)RunBack，汽輪機(jī)主蒸汽調(diào)節(jié)閥關(guān)，控制機(jī)組負(fù)荷按每分鐘100%負(fù)荷下降，大約18秒后降至70%負(fù)荷。汽輪機(jī)供汽量減少，各級(jí)抽汽壓力隨之下降，#3低加及疏水箱內(nèi)部壓力pe降至0.113MPa（a），平均每秒降低2.61KPa。壓力下降導(dǎo)致疏水箱內(nèi)部存水快速蒸發(fā)，低加疏水箱內(nèi)部飽和水溫te平均每秒下降0.52℃。計(jì)算疏水泵入口管道長(zhǎng)度及管道流速，疏水箱底部的疏水大約需要15秒才能流到疏水泵入口，在此之前，疏水泵入口疏水溫度tv仍保持112.6℃，對(duì)應(yīng)汽化壓力pvs不變，仍為0.156MPa（a）。

則在Runback大約15秒后，疏水箱壓力pe降至0.12MPa，與疏水泵入口汽化壓力pvs差值最大。此時(shí)有效汽蝕余量NPSHa=（pe-pvs）/（ρ×g）-Hg-∑hs=（0.12-0.156）×106/948/9.8+7.9-0.43=3.6米水柱，對(duì)于必需汽蝕余量NPSHr 0%=4米水柱的疏水泵，疏水泵內(nèi)疏水有可能短時(shí)間汽化，推算汽蝕時(shí)間約為8秒。

5 某核電站低加疏水泵選型結(jié)果

對(duì)于疏水泵在機(jī)組快速降負(fù)荷期間可能出現(xiàn)的短時(shí)汽蝕，設(shè)計(jì)院在疏水泵技術(shù)規(guī)范書(shū)中規(guī)定：“泵可承受TG負(fù)荷10%階躍減少達(dá)2000次。在這種瞬態(tài)工況下，NPSHa將降到最小值。且該工況持續(xù)約30秒。在該工況下泵不應(yīng)因汽蝕、震動(dòng)損壞”。

綜合考慮某核電站疏水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件及各廠家提供的必需汽蝕余量NPSHr要求值，討論認(rèn)為：為了防止某核電站低加疏水泵在速降負(fù)荷期間發(fā)生汽蝕，有必要增加疏水箱水位與疏水泵首級(jí)葉輪之間的高度差。由于立式低加疏水泵入口葉輪中心線高度在零米層以下，相對(duì)臥式低加疏水泵倒灌高度有所增加，對(duì)運(yùn)行更為有利。

最終選擇的是上海某水泵廠的NLT200-320x7立式低加疏水泵，在額定流量下的必須汽蝕余量值為3.4米。疏水泵的首級(jí)葉輪中心高度比零米地面低3.5米，疏水入口管倒灌高度Hg增至11.4米。能夠確保電站的低加疏水泵在包括快速降負(fù)荷的各種運(yùn)行工況下都不發(fā)生汽蝕。