“華龍一號”輔助給水電動泵非過載軸功率曲線設計

丁世瓊 楊 立

大連深藍泵業(yè)有限公司 遼寧 大連116031

1 前言

隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展,中核集團研發(fā)了具有完整自主知識產(chǎn)權的三代壓水堆核電站——標準“華龍一號”(ACP1000),ACP1000設計全面平衡地貫徹了核電縱深防御設計原則和設計可靠性,對設備的安全性能要求更高。輔助給水泵為ACP1000中的二回路的重要安全設備,其功能是當主給水管道斷裂時,向二回路注入流量,保證二回路發(fā)生事故時系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,從而提高系統(tǒng)的安全可靠性。輔助給水電動泵的電源是由應急狀態(tài)下啟動的柴油機發(fā)電提供,發(fā)生事故時,需要由柴油機啟動的安全設備較多,分配給每臺設備的功率有所限制,因此輔助給水電動泵在滿足性能的條件下,對泵組功率要求較高。本文采用非過載軸功率曲線的設計理念,即泵的軸功率有最大極值點,非直線上升,滿足了輔助給水電動泵的功率要求,避免了泵超功率的現(xiàn)象發(fā)生。

2 技術要求

輔助給水電動泵需要滿足參數(shù)為:

流量(m3/h):0/25/135/180

揚程(m):≤1660/——/1056～1119/≤700功率(k W):≤630

3 設計依據(jù)

所謂非過載功率特性是指功率有最大值,泵原動機功率超過最大值,泵在全揚程范圍運行不會出現(xiàn)過載問題。欲實現(xiàn)這種功能特性,葉片角β2＜90°,通常使用的葉片角也都小于90°,但如果不是β2角很小,流量增加,泵揚程

下降,不足以抵消流量增加,功率曲線仍然是不斷上升,到很大流量處才會出現(xiàn)最大值。只有選擇β2角很小時,隨著流量增加,功率曲線才能出現(xiàn)最大值,而且只有功率最大值流量接近最高效率點流量,才有實用價值。

功率有最大值型離心泵葉片數(shù)與出口角的協(xié)調(diào)關系如下:

通過公式可以看出,出口角β2越小,葉片數(shù)越少。

4 設計分析

根據(jù)理論分析,葉片數(shù)盡量選取最小葉片數(shù),通常葉片數(shù)最少為3枚,因此葉片數(shù)為3,通過上述公式計算,出口角β2為13.5 °。

4.1 水力方案

葉輪外徑:320 mm

入口角:17.4 °～24.6 °

出口角:13.5 °

包角:203°

葉片數(shù):3

4.2 建立計算模型 對于此類階段式多級泵,為節(jié)約計算資源和提升計算效率,采用傳統(tǒng)的單段式分級或部分段式進行分析,與真實流量情況存在一定的偏差,為了降低這種偏差,本次采用完整的水力建模形式,建立整個流場。

5 性能預測

采用CFD軟件進行水力分析及性能預測。

5.1 流場分析

流線分布

5.2 性能預測 揚程的預測公式為:

通過對計算數(shù)據(jù)的處理,可以得到葉輪葉片及兩側蓋板所受到的繞z軸的合力矩M?？梢酝ㄟ^下式來估算泵的水力效率:

式中,Q為葉輪進口流量,m3/s;H即為以上估算的揚程,m;M指葉輪所受的繞旋轉軸z軸的合力矩,N·m;ω指葉輪的轉速,rad/s。

通過揚程預測,泵組性能結果:流量(m3/h):0/25/135/160/180

揚程(m):1613.5 /1591.7 /1063.32/—/603.51功率(k W):—/557.43/599.10/625.4 /619.8

通過上述對泵內(nèi)過流部件的流場分析,可見泵內(nèi)流場設計比較合理,流體流動順暢,首級葉輪和首級導葉、次級葉輪與次級導葉之間的匹配較好,流場中并沒有明顯的問題存在,水力性能預測表明,可以滿足參數(shù)要求,功率曲線在流量160 m3/h附近出現(xiàn)極值現(xiàn)象。

6 試驗結果

采用開式試驗臺進行泵性能試驗,試驗結果如下:(1)性能曲線

從功率曲線形式看:在流量155 m3/h時,泵功率出現(xiàn)了極值現(xiàn)象。

(2)試驗數(shù)據(jù)

流量(m3/h):0/25/135/180

揚程(m):1482.5 /1463.4 /1064.25/695.69

功率(k W):378.4 /423.5 /611.95/625.93

7 試驗結果分析

從性能要求值、預測值及試驗值數(shù)據(jù)可以看出:

(1)最終性能滿足產(chǎn)品參數(shù)要求,且出現(xiàn)功率極值,電機功率小于等于630 k W,泵組不會出現(xiàn)超功率的問題;

(2)流場仿真分析與實際試驗誤差通常在5%～6%,小流量點揚程偏差較大,可能由于葉片數(shù)少,導致實際回流損失增多。8結論

通過理論分析、仿真分析與試驗驗證,采用非過載軸功率曲線的設計理念,可實現(xiàn)輔助給水電動泵的功率限制要求,避免了泵超功率的現(xiàn)象發(fā)生,降低事故情況下的風險,滿足了設計要求。