濕繞組泵與屏蔽泵在核電機(jī)組調(diào)試時的差異性分析1)

劉 洋1,納紅衛(wèi),黃 勇

(國核工程有限公司調(diào)試中心,上海 200233)

1 主泵調(diào)試簡介

主泵作為反應(yīng)堆冷卻劑動力源,在正常運(yùn)行期間,提供一回路冷卻劑強(qiáng)制循環(huán)動力。在失去強(qiáng)制循環(huán)時,主泵需有足夠的轉(zhuǎn)動慣量,確保冷卻劑循環(huán)并移出衰變熱,保證堆芯不發(fā)生偏離泡核沸騰。另外,主泵的設(shè)計要求能夠防止其轉(zhuǎn)動部件形成飛射物,避免影響其他安全相關(guān)物項。主泵選型可分為兩大類：屏蔽泵和軸密封泵。但由于屏蔽泵的弊端,近年提出采用濕繞組泵作為核電主泵。

在調(diào)試期間,需對主泵各項性能參數(shù)進(jìn)行驗證,保證主泵可以按照設(shè)計要求實現(xiàn)功能,并安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)核電廠調(diào)試程序HAD103/02,調(diào)試期間主泵試驗中需要驗證以下內(nèi)容：過載保護(hù)和短路保護(hù),整定值和滿負(fù)荷運(yùn)行電流之間的裕量,絕緣試驗,電源電壓,相序檢驗,中線電流(濕繞組主泵基礎(chǔ)電氣檢查、絕緣試驗),旋轉(zhuǎn)方向,帶負(fù)荷下加速度,瞬態(tài)工況(泵啟動)對管道的影響,振動,在規(guī)定的冷態(tài)和熱態(tài)啟動條件下的溫升,相電流,承載能力與時間及負(fù)荷(發(fā)電機(jī))的特性曲線,密封冷卻,流量特性和壓力特性,帶負(fù)荷下加速度,潤滑,反應(yīng)堆冷卻劑流量,通過滿載堆芯和冷卻劑系統(tǒng)主要部件時的壓差,瞬態(tài)工況(泵停止)對管道的影響,斷流試驗(測量慣性流量),單個或可行的多個反應(yīng)堆冷卻劑泵脫扣引起的核電廠動態(tài)響應(yīng)和隨后的穩(wěn)態(tài)工況,密封或密封壓蓋泄露。調(diào)試期間主泵的相關(guān)試驗可分為：安裝后檢查,啟動準(zhǔn)備及檢查,首次啟動,正常運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及流量測量,惰轉(zhuǎn)流量測量等。

2 濕繞組泵及屏蔽泵結(jié)構(gòu)差異性

2.1 電動機(jī)差異性分析

濕繞組泵電動機(jī)轉(zhuǎn)子和定子浸沒于水中,定子由硅鋼片構(gòu)成,使用特制交聯(lián)聚乙烯絕緣繞組,使電動機(jī)內(nèi)的水可在繞組線圈間循環(huán),從而輔助冷卻。

屏蔽泵電動機(jī)定子和轉(zhuǎn)子裝有屏蔽套,隔離水與繞組。

2.2 冷卻方式差異性分析

濕繞組泵與屏蔽泵均采用外置熱交換器冷卻。濕繞組泵外置熱交換器對電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子等進(jìn)行冷卻,外接冷卻水對熱屏進(jìn)行冷卻,飛輪冷卻水流經(jīng)熱屏進(jìn)入飛輪腔室,帶走飛輪的熱量；屏蔽泵外置熱交換器對電機(jī)轉(zhuǎn)子及飛輪和熱屏進(jìn)行冷卻,外接冷卻水對定子進(jìn)行冷卻。

圖1 濕繞組泵及屏蔽泵冷卻回路Fig.1 Cooling circuit of wet winding pump and canned pump

2.3 結(jié)構(gòu)差異

屏蔽泵與濕繞組泵在結(jié)構(gòu)上存在很多差異,但兩種主泵均屬于立式,單級,無軸封離心泵,其電機(jī)和所有轉(zhuǎn)動部件均包含在同一壓力邊界,正常工況下無泄漏。兩種主泵均采用水潤滑軸承,熱屏和電機(jī)的熱量通過冷卻水帶走,轉(zhuǎn)子組件由電機(jī)內(nèi)水潤滑軸承支撐。其主要差異見表1。

表1 濕繞組泵與屏蔽泵結(jié)構(gòu)差異

3 濕繞組泵及屏蔽泵調(diào)試差異性

3.1 電動機(jī)差異性對調(diào)試方法的影響

濕繞組電機(jī)與屏蔽電機(jī)結(jié)構(gòu)上的差異,導(dǎo)致主泵充水過程中,為保證泵的安全,濕繞組泵及屏蔽泵需執(zhí)行不同的試驗。

3.1.1 屏蔽電機(jī)定子腔抽真空及氮?dú)饣靥?/p>

屏蔽電機(jī)泵定子和轉(zhuǎn)子電氣部分通過屏蔽套與一回路冷卻劑隔離,為保護(hù)定子,在屏蔽電機(jī)運(yùn)行期間,需對屏蔽電機(jī)定子腔抽真空并氮?dú)饣靥?。部分核電機(jī)組一回路充水時,為減少一回路充水后氣體含量,在一回路充水期間,對一回路進(jìn)行抽真空處理,定子腔抽真空應(yīng)在一回路抽真空前完成,氮?dú)饣靥钤谝换芈烦渌瓿珊笸瓿伞?/p>

定子腔抽真空前,為驗證主泵定子抽真空泵的性能以及抽真空管道閥門的密封性,需執(zhí)行定子腔抽真空預(yù)試驗。

預(yù)試驗成功后,進(jìn)行定子腔抽真空。主泵定子腔室必須單獨(dú)抽真空,以確保主泵定子腔密封性；如果定子腔密封不嚴(yán),在定子腔與一回路聯(lián)合抽真空過程中,會導(dǎo)致定子腔壓力高于一回路,造成定子屏蔽套鼓包。將定子腔抽真空接頭與泵定子腔抽真空法蘭接頭連接,就地啟動主泵定子抽真空泵,確認(rèn)所有主泵定子腔的壓力下降速率一致；就地確保反應(yīng)堆冷卻劑泵定子腔壓力小于等于設(shè)定值,如有必要,間斷啟動或停運(yùn)真空泵以維持主泵定子腔壓力。

定子腔抽真空完成后,方可執(zhí)行一回路抽真空,抽真空過程中,一回路壓力低于主泵定子腔壓力時,可能會導(dǎo)致主泵定子腔內(nèi)壁彎曲,造成定子腔壁面和轉(zhuǎn)子軸碰觸,為避免一回路壓力低于定子腔壓力導(dǎo)致定子腔內(nèi)壁彎曲,造成定子腔內(nèi)壁碰觸轉(zhuǎn)子軸造成屏蔽套損壞,一回路壓力需低于定子腔壓力。

一回路抽真空充水完成后,對定子腔進(jìn)行氮?dú)饣靥?回填壓力應(yīng)小于泵所處位置水的靜壓。

3.1.2 濕繞組電機(jī)充水后檢查

由于濕繞組電機(jī)定子全過程浸沒于水中,為防止充水后定子所處環(huán)境變化引起的絕緣降低導(dǎo)致設(shè)備損傷,濕繞組泵需在充水完成后啟動前,執(zhí)行電阻溫度計試驗,電機(jī)定子繞組相間直流電阻試驗,一分鐘相對地絕緣電阻試驗和極化指數(shù)檢查等,以確保濕繞組泵安全啟動。

3.2 冷卻方式差異性對調(diào)試方法的影響

由于冷卻方式差異,核電機(jī)組冷卻系統(tǒng)布置將產(chǎn)生差異,外接主泵冷卻系統(tǒng)與主泵之間連接方式存在差異。在監(jiān)測外置冷卻器溫度的同時,濕繞組泵需監(jiān)測熱屏溫度,保證飛輪可以正常冷卻；屏蔽泵則需額外監(jiān)測定子溫度,驗證泵可以可靠運(yùn)行。

3.3 轉(zhuǎn)子差異性對調(diào)試方法的影響

浸水繞組、無屏蔽套、兩段軸式及Hirth齒輪連接是濕繞組泵的幾大特色,但是相對于屏蔽泵,這些設(shè)計需要在現(xiàn)場試驗工況下接受真正的檢驗,相比之下屏蔽泵有相對豐富的核電廠調(diào)試經(jīng)驗和運(yùn)行經(jīng)驗可供參考,而濕繞組泵則需要進(jìn)一步的驗證,因此在調(diào)試試驗階段濕繞組泵要更要做好風(fēng)險分析與應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案,試驗的準(zhǔn)備過程中審慎決策。而屏蔽泵雖然有較為成熟的運(yùn)行經(jīng)驗和調(diào)試經(jīng)驗,但新的泵調(diào)試依然要以全新的視角去進(jìn)行全面細(xì)致的風(fēng)險分析與試驗準(zhǔn)備,以期安全穩(wěn)定的完成主泵的調(diào)試。

3.4 能源利用率差異性分析

在核電機(jī)組調(diào)試及運(yùn)行期間,主泵長時間運(yùn)行。屏蔽泵結(jié)構(gòu)上存在屏蔽套,由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象,造成屏蔽套內(nèi)會由于交變的電場產(chǎn)生阻抗電勢,產(chǎn)生渦流,導(dǎo)致電能利用效率降低。根據(jù)經(jīng)驗,濕繞組泵效率較屏蔽泵效率高大約10個百分點(diǎn),影響調(diào)試成本。

4 結(jié) 論

以上列舉了濕繞組泵與屏蔽泵調(diào)試相關(guān)差異性,在性能上,兩種泵均能完成應(yīng)用于核電機(jī)組的需求,但由于結(jié)構(gòu)及性能的不同導(dǎo)致調(diào)試階段存在不同情況。在調(diào)試不同階段及工況下,濕繞組泵與屏蔽泵在風(fēng)險性、效率性等方面各有優(yōu)劣勢,本文對濕繞組泵與屏蔽泵調(diào)試相關(guān)差異性進(jìn)行描述,以在泵型選擇及工作時提供參考。