核主泵試驗(yàn)臺(tái)工藝系統(tǒng)分析

陳波

（天臺(tái)縣基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，浙江 臺(tái)州 317200）

1 引言

核主泵也叫冷卻劑循環(huán)泵（RCP），是核島一回路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)能量傳遞的動(dòng)力源，也是核電站各系統(tǒng)中技術(shù)含量最高、設(shè)計(jì)最復(fù)雜、制造最困難的大型設(shè)備。其核心要求是安全、可靠、耐久。核主泵試驗(yàn)臺(tái)是全面考核核主泵整機(jī)在各種嚴(yán)苛工況下的響應(yīng)、機(jī)械性能、水力性能、安全性、可靠性及壽命等是否符合要求的最終檢測(cè)裝置系統(tǒng)。

核主泵試驗(yàn)臺(tái)一般都要求是高溫、高壓全流量試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠模擬核主泵在核電站工作時(shí)的各種正常和非正常工況，對(duì)其整機(jī)進(jìn)行考核驗(yàn)證，特別是對(duì)新型泵或大改泵的首臺(tái)泵試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目多、工況嚴(yán)苛，要求試驗(yàn)臺(tái)具備足夠的精度和功能，包括大量熱負(fù)荷快速形成或傳遞能力，系統(tǒng)壓力和溫度高精度控制能力，主回路管路大范圍流量的高精度調(diào)節(jié)控制能力，工況動(dòng)態(tài)變化時(shí)的高可控性及快速平衡能力，長(zhǎng)時(shí)間的高負(fù)荷運(yùn)行能力，等等。

本文主要介紹一種新型結(jié)構(gòu)的核主泵試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)上的新思路是將2 種型式（屏蔽和軸封）主泵泵殼同時(shí)焊裝于臺(tái)位“口”字形主回路管道兩端。軸封泵殼焊裝于主管道一端頂部，法蘭面水平朝上設(shè)置，屏蔽泵殼焊裝于主管另一端底部，法蘭面水平朝下設(shè)置，當(dāng)一主泵試驗(yàn)時(shí)（固定端），另一主泵泵殼（自由端）作為主管管件（泵殼法蘭處需用盲法蘭封?。┦褂?。這樣的設(shè)計(jì)增加了臺(tái)位的試驗(yàn)工位，使臺(tái)位既能夠進(jìn)行2 種完全不同型式主泵的試驗(yàn)，又大大簡(jiǎn)化和減少了主泵安裝工作量。該方案中2 臺(tái)主泵安裝工位中心距為29 m，主管道和其他輔助設(shè)備及管道集中而緊湊地布置于2 臺(tái)主泵安裝支撐結(jié)構(gòu)之間12 m×24 m 的公共基礎(chǔ)和二層鋼平臺(tái)內(nèi)。該臺(tái)位建設(shè)于我國(guó)北方某企業(yè)，于2014 年年初開始設(shè)計(jì)，2016 年年底調(diào)試完成。試驗(yàn)臺(tái)精度等級(jí)：GB1236Ⅰ級(jí)精度，為高溫、高壓多功能全流量閉式試驗(yàn)臺(tái)，能夠進(jìn)行百萬(wàn)千瓦級(jí)的三代商用核電站屏蔽主泵和軸封型主泵首臺(tái)泵及產(chǎn)品泵試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)臺(tái)主要工藝系統(tǒng)

由于既要滿足屏蔽主泵試驗(yàn)又要滿足軸封主泵試驗(yàn)，該臺(tái)位工藝系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)相對(duì)單型主泵試驗(yàn)臺(tái)要復(fù)雜一些。臺(tái)位工藝系統(tǒng)從功能上可分為主回路系統(tǒng)、輔助回路系統(tǒng)、加壓/灌注系統(tǒng)（含真空除氧系統(tǒng)）、保壓/下泄系統(tǒng)、主泵電機(jī)冷卻水（一次）系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)（軸封主泵）、應(yīng)急排放系統(tǒng)、外部循環(huán)冷卻水（二次）系統(tǒng)等。其基本工藝系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 核主泵試驗(yàn)臺(tái)基本工藝系統(tǒng)圖

1）主回路系統(tǒng)作為試驗(yàn)核主泵流量、揚(yáng)程等主測(cè)試管道，設(shè)計(jì)壓力為17.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度為350 ℃，流量測(cè)量范圍1 500～31 000 m3/h（其中精確測(cè)量范圍為5 000～30 000 m3/h），主要由試驗(yàn)泵、主管道、整流柵、流量計(jì)（文丘里管）、主閥和泵殼等組成。主管道材質(zhì)采用WB36+內(nèi)部堆焊不銹鋼，其主要外徑壁厚為φ1 016 mm×55 mm 和φ813 mm×46.5 mm，而與泵殼等設(shè)備進(jìn)、出口連接段的管道壁厚同設(shè)備壁厚；主管流量測(cè)量采用2 只經(jīng)典文丘里管流量計(jì)，不銹鋼材質(zhì)，單臺(tái)精確測(cè)流范圍：2 500～15 000 m3/h；主回路流量調(diào)節(jié)，采用2 只角式調(diào)節(jié)閥，名義通徑為DN800 mm，最大可調(diào)開度流量為15 000 m3/h時(shí)，閥門進(jìn)、出口壓差不大于0.1 MPa。

2）輔助循環(huán)回路系統(tǒng)主要有2 方面功能。一是主泵停機(jī)狀態(tài)下為主回路管道介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)提供動(dòng)力；二是作為試驗(yàn)臺(tái)位冷卻、加熱和過(guò)濾系統(tǒng)，主要用于保持主回路工作介質(zhì)熱量平衡（升/降溫時(shí)控制升/降溫速率，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)保持溫度穩(wěn)定）和長(zhǎng)期試驗(yàn)時(shí)保持工作介質(zhì)無(wú)雜質(zhì)顆粒。輔助循環(huán)系統(tǒng)主要由1 臺(tái)輔助循環(huán)泵(流量：450 m3/h，揚(yáng)程：37 m)、1 只電加熱器（1 500 kW）、2 只回路換熱器（單只80 m2）、1 只下泄換熱器（36 m2）、2 只過(guò)濾器和管道閥門等組成。其介質(zhì)最高工作壓力和溫度同主回路系統(tǒng)。輔助管道材質(zhì)采用不銹鋼。

3）加壓/灌注與保壓/下泄系統(tǒng)共同作用組成臺(tái)位壓力控制系統(tǒng)，主要作用包括臺(tái)位試驗(yàn)前的整個(gè)管道系統(tǒng)注水，試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)管道的加壓、保壓以及試驗(yàn)結(jié)束后工作介質(zhì)水的回收等。該系統(tǒng)主要由2 只回路水儲(chǔ)存罐、2 臺(tái)加壓泵（變頻往復(fù)泵）、1 套真空除氧系統(tǒng)、1 臺(tái)排空/灌注泵、2 只蓄能器及管道閥門等組成。

4）主泵電機(jī)冷卻水系統(tǒng)，為獨(dú)立閉式一次冷卻水系統(tǒng)，用于試驗(yàn)時(shí)主泵電機(jī)及其換熱器的冷卻。其工作介質(zhì)為軟化水，工作壓力＜1.0 MPa，主要由1 個(gè)循環(huán)水箱、2 臺(tái)（1 用1 備）循環(huán)水泵、1 只過(guò)濾器、1 只板式換熱器及管道閥門等組成。該系統(tǒng)熱量由外部循環(huán)冷卻水（二次）帶走?？紤]到緊急斷電情況下屏蔽泵主電機(jī)需一段時(shí)間繼續(xù)冷卻，因此，該系統(tǒng)循環(huán)水泵需設(shè)置雙電源或備用電源，外部冷卻應(yīng)提供應(yīng)急冷卻水。

5）軸封主泵密封水系統(tǒng)，用于軸封主泵試驗(yàn)時(shí)為主泵軸封提供密封水。其工作介質(zhì)為軟化水，主要由1 個(gè)循環(huán)水箱、1 臺(tái)高壓變頻往復(fù)泵、1 臺(tái)離心循環(huán)水泵、1 只板式換熱器及管道閥門等組成。該系統(tǒng)熱量由外部循環(huán)冷卻水（二次）帶走。

6）應(yīng)急排放系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的安全卸壓系統(tǒng)，用于系統(tǒng)安全閥起跳或回路換熱器高壓側(cè)泄漏等應(yīng)急狀況時(shí)的安全卸壓排水（蒸汽）。由應(yīng)急減壓罐、安全排放管和其他管道等組成。

3 試驗(yàn)臺(tái)的主要功能要求

回路壓力平衡性能、回路熱負(fù)荷平衡性能和主回路流動(dòng)性能（阻力）是核主泵試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最基本，也是最重要的3 項(xiàng)功能，前2 項(xiàng)決定了主回路壓力、溫度的可調(diào)性、穩(wěn)定性和可靠性，后1 項(xiàng)決定了主回路“最大允許通過(guò)流量”的能力。

3.1 回路壓力平衡性能

臺(tái)位由2 臺(tái)流量范圍0.8～4.2 m3/h 的加壓泵（變頻往復(fù)柱塞泵）和1 只高精度減壓調(diào)節(jié)閥（下泄閥）及管道等組成回路壓力保持系統(tǒng)，該系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)平衡壓力保持系統(tǒng)。加壓泵流量的細(xì)微可調(diào)性和下泄閥的高精度調(diào)節(jié)性可以確?；芈吩谠O(shè)計(jì)壓力及以下的幾乎任何正壓力保持高精度平穩(wěn)運(yùn)行，在工況動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)壓力快速平衡、穩(wěn)定。另外，該系統(tǒng)中還設(shè)有2 只名義容積為150 L 的蓄能器，該配置一方面能削弱系統(tǒng)加壓過(guò)程中因往復(fù)加壓產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，另一方面是在一些必須停加壓泵的特定工況，在規(guī)定范圍時(shí)間內(nèi)維持系統(tǒng)壓力基本恒定，以確保該特定工況試驗(yàn)完成。

3.2 回路熱負(fù)荷平衡性能

臺(tái)位正常運(yùn)行溫度范圍21～350 ℃，最高升/降溫速率為55 ℃/h。臺(tái)位運(yùn)行時(shí)，主管道內(nèi)流體的散熱通過(guò)輔助循環(huán)回路中的冷卻模塊（由閥組、回路換熱器及管道等組成）實(shí)現(xiàn)，其散熱能力主要取決于：（1）回路換熱器面積；（2）外部循環(huán)冷卻水（二次）供給狀況；（3）回路換熱器管側(cè)熱工質(zhì)的最大流量。增加換熱器面積或增大外部冷卻水供應(yīng)量（進(jìn)、出溫差減?。┗蛟龃鬅峁べ|(zhì)流量（增大管徑）均可增加散熱能力，經(jīng)多方案核算、綜合比較，確定流經(jīng)冷卻器熱側(cè)的輔助循環(huán)管徑為DN250 mm，換熱器器總面積160 m2，外部循環(huán)冷卻水最大供給量1 450 t/h，臺(tái)位最大散熱負(fù)荷約13 600 kW。系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)精度或熱負(fù)荷平衡性能主要通過(guò)回路換熱器熱側(cè)管道（輔助回路管）的調(diào)節(jié)閥組來(lái)保證，經(jīng)多工況核算，管路設(shè)置DN250 mm 和DN50 mm 2 個(gè)調(diào)節(jié)閥組成調(diào)節(jié)閥組，能夠滿足精確調(diào)節(jié)熱側(cè)管路流量以控制系統(tǒng)溫度精度的要求。主管道內(nèi)流體的加熱，一般工況下都由主泵做功來(lái)獲得，特殊試驗(yàn)工況如“失電試驗(yàn)”或“喪失外部冷卻水試驗(yàn)”等試驗(yàn)中，停主泵后要繼續(xù)維持回路溫度時(shí)，需啟動(dòng)輔助循環(huán)泵并開啟輔助循環(huán)回路中的加熱模塊（由閥組、加熱器及管道等組成）來(lái)進(jìn)行回路保溫。加熱模塊的另一作用是某些特定工況下與冷卻模塊一起按程序協(xié)同工作，以確保主回路溫度調(diào)節(jié)的精度和可操作性。

3.3 主回路流動(dòng)性能

主回路管道的流動(dòng)能力或管道阻力特性將直接影響試驗(yàn)臺(tái)“最大流量”的試驗(yàn)范圍。當(dāng)主回路各構(gòu)件和設(shè)備尺寸基本確定后應(yīng)整體進(jìn)行CFD 流場(chǎng)分析，模擬計(jì)算管道內(nèi)的流動(dòng)、壓力分布情況，分析不同工況下，主管道內(nèi)壓力降的變化情況，以確定主回路的流動(dòng)能力是否滿足主泵的試驗(yàn)要求。該臺(tái)位設(shè)計(jì)中主管道上設(shè)置了2 個(gè)主泵安裝工位，分別為下裝工位（屏蔽泵）和上裝工位（軸封泵），2 種泵殼作為主管管件均焊裝于主管道上，由于2 種泵殼進(jìn)、出口尺寸和內(nèi)腔尺寸都有較大差異，2 個(gè)工位上主管道阻力特性也有較大差異，應(yīng)分別進(jìn)行模擬計(jì)算。經(jīng)多工況計(jì)算分析，2 個(gè)工位上的流動(dòng)能力均能滿足相應(yīng)主泵的試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和制造中還需注意的幾個(gè)問(wèn)題

1）2 個(gè)工位泵殼下的支撐均應(yīng)設(shè)計(jì)成可鎖定的定向滑動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，其他主管段或主管設(shè)備的支撐應(yīng)設(shè)計(jì)為（定向）滑動(dòng)彈簧支/吊架，以確保一個(gè)工位主泵（固定位置）熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)，主回路其他任何構(gòu)件可以自由（定向）熱膨脹。

2）根據(jù)CFD 流場(chǎng)分析，主回路流量計(jì)前段應(yīng)設(shè)置整流柵，以確保流量測(cè)量的精度。

3）保壓/下泄系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置下泄冷卻器，確保主回路升溫過(guò)程中，下泄到回路水存儲(chǔ)罐中的水為常溫狀態(tài)。

4）最大散/加熱負(fù)荷計(jì)算時(shí)，除了計(jì)算運(yùn)行介質(zhì)熱負(fù)荷外還應(yīng)考慮主管道和設(shè)備的熱負(fù)荷及管道保溫漏熱。

5）主管道宜采用鍛件分段制作再拼裝焊接。

6）主管制作完成后應(yīng)進(jìn)行管內(nèi)壁人工打磨，避免內(nèi)壁出現(xiàn)任何突變和凸點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

核主泵試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)復(fù)雜、投資大、建造周期長(zhǎng)（從設(shè)計(jì)開始到調(diào)試完成一般要2 年以上），特別是主管道的制造，比較困難，應(yīng)在方案設(shè)計(jì)階段后期，基本確定其制造工藝；主管道設(shè)備如主閥和流量計(jì)等也應(yīng)在方案設(shè)計(jì)階段確定其基本參數(shù)和采購(gòu)要求，以便盡快開展詳細(xì)設(shè)計(jì)。另外，設(shè)計(jì)核主泵試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，各系統(tǒng)配置均應(yīng)考慮一定富余量并加強(qiáng)調(diào)節(jié)控制能力，以增大試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試范圍，在滿足目前泵型測(cè)試要求的同時(shí)，為將來(lái)更大泵型測(cè)試留有一定空間。