HTR-PM全尺寸氦循環(huán)器的耐久性試驗(yàn)研究

張 超，張高劍，楊明曉，覃 捷，徐善宇

(華能山東石島灣核電有限公司，山東 濟(jì)南 250011)

高溫氣冷堆核電站示范工程(HTR-PM)是在“863”項(xiàng)目“IOMW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆”的基礎(chǔ)上發(fā)展的高溫氣冷堆核電站示范電站，該核電站是世界第一座具有第4代核電特征的高溫氣冷堆核電站[1]。兩個(gè)核反應(yīng)堆堆芯將產(chǎn)生500 MW時(shí)，而發(fā)電廠的發(fā)電量將達(dá)到210 MW。 HTR-PM基于HTR-10，它是由清華大學(xué)于2000年設(shè)計(jì)和建造的。10 MW高溫氣冷堆(HTR-10)是清華大學(xué)核能技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的國家高新技術(shù)項(xiàng)目之一[2-4]。HTR-10是一個(gè)球床式氣冷反應(yīng)堆，包括石墨慢化、氦冷卻堆芯和陶瓷涂層燃料顆粒，設(shè)計(jì)在平均堆芯氦出口溫度700 ℃下運(yùn)行[5-9]。在一回路中，氦冷卻劑通過氦循環(huán)器循環(huán)，將熱量從堆芯輸送到鍋爐。在二次回路中，來自鍋爐的蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。對于HTR-10，反應(yīng)堆和鍋爐容器垂直平行建造，通過水平熱氣管道容器連接。氦循環(huán)器安裝在容器內(nèi)的鍋爐頂部。在一回路中，壓力為3.0 MPa的氦氣冷卻劑在堆芯處達(dá)到700 ℃左右，然后在鍋爐出口處降至250 ℃，即氦氣循環(huán)器在3.0 MPa、250 ℃的氦氣條件下運(yùn)行[10-13]。

1 HTR-PM氦氣循環(huán)器技術(shù)

氦氣循環(huán)器是HTR-PM中的關(guān)鍵組件，可將氦氣冷卻劑從反應(yīng)堆堆芯循環(huán)到蒸汽發(fā)生器。由于沒有這種循環(huán)器的工程經(jīng)驗(yàn)，因此制作了一個(gè)完整的模型來進(jìn)行測試。樣機(jī)的整個(gè)參數(shù)與HTR-PM的實(shí)際工廠循環(huán)器相同。表1顯示了氦循環(huán)器和模型的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 氦循環(huán)器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及模型Tab.1 Main design parameters and models of helium circulator

該模型的設(shè)計(jì)具有緊湊的垂直布局。布局有點(diǎn)像反應(yīng)堆冷卻劑泵RUV。電機(jī)均密封在壓力容器中，并且都具有兩個(gè)徑向軸承和一個(gè)推力軸承。與反應(yīng)堆冷卻劑泵不同，模型的轉(zhuǎn)子由主動(dòng)磁性軸承支撐。葉輪安裝在轉(zhuǎn)子外部，沒有任何其他零件[14-16]。樣機(jī)的電機(jī)在氦氣環(huán)境中工作，設(shè)計(jì)工作壓力為7 MPa，設(shè)計(jì)工作溫度為60 ℃。電動(dòng)機(jī)和主動(dòng)磁性軸承的電纜通過電氣穿入組件和壓力容器，電機(jī)和軸承由氦水冷卻器冷卻，電機(jī)冷卻器安裝在壓力容器的內(nèi)部上蓋上，整個(gè)壓力容器都支撐在大型水泥基座上。底部容器中心的管道將氦氣引導(dǎo)至樣機(jī)的入口，樣機(jī)的出口直接安裝在中間容器上，容器的下部是用于氦氣實(shí)驗(yàn)的容器，圖1顯示了模型的結(jié)構(gòu)。與HTR-10的氦循環(huán)器相比，由于模型是一個(gè)大型機(jī)電系統(tǒng)，與HTR-10的氦循環(huán)器相比有許多新部件，因此需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)以確保其安全性和可靠性。

圖1 氦循環(huán)器結(jié)構(gòu)(帶AMB主動(dòng)磁軸承)Fig.1 Helium circulator structure (with AMB active magnetic bearing)

按照J(rèn)iang等的研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)氦循環(huán)器工程試驗(yàn)裝置(ETF-HC)來測試氦循環(huán)器。模型和工廠使用的模型都可以在ETC-HC上進(jìn)行測試。圖2顯示了ETF-HC的示意圖，它是一個(gè)閉合回路，氦通過模型、控制閥、流量計(jì)和熱交換器。兩級換熱器用于測試大多數(shù)操作條件，第1級換熱器將氦氣中的熱量傳遞給高壓純水，而第2級換熱器將高壓純水中的熱量傳遞給低壓循環(huán)水。該設(shè)施有輔助系統(tǒng)來支持模擬操作，如氦氣凈化系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)和氦氣儲存系統(tǒng)。

圖2 ETF-HC的布局Fig.2 Layout of ETF-HC

2 HTR-PM全尺寸氦循環(huán)器耐久度試驗(yàn)

2.1 工廠試驗(yàn)

氦循環(huán)器的高度約為3.9 m，直徑為2.9 m；全功率設(shè)計(jì)為4.5 MW功率，速度為4 000 r/min。氦循環(huán)器的設(shè)計(jì)中首先使用了電磁軸承，4象限變頻器和特殊的無源擋板閥。上海鼓風(fēng)機(jī)廠和佳木斯電機(jī)制造的全尺寸模型與反應(yīng)堆中使用的氦循環(huán)器完全相同[17]。全尺寸模擬裝置是氦循環(huán)器的關(guān)鍵部件，其主動(dòng)磁軸承由清華大學(xué)INET團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)。盡管電磁軸承已在天然氣管道行業(yè)和石化行業(yè)應(yīng)用了數(shù)年，在高溫氣體反應(yīng)堆的氦氣循環(huán)器中的實(shí)際應(yīng)用并不常見[18]。盡管已經(jīng)對帶有AMB的模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行了測試，但是由于缺乏如此大型，高速，重載轉(zhuǎn)子的操作經(jīng)驗(yàn)，AMB的測試和調(diào)整仍花費(fèi)了幾個(gè)月的時(shí)間。氮?dú)獗挥米鞴S測試的工作液，以簡化測試。測試壓力為1 MPa，因此密度將類似于7 MPa時(shí)的氦氣密度。其他主要參數(shù)與表1中列出的設(shè)計(jì)參數(shù)相同，最初的實(shí)驗(yàn)測試了氦循環(huán)器的功能。解決了一些最初的問題后，該模型在工廠中連續(xù)運(yùn)行了100 h。

圖3 顯示了用于100 h氮?dú)鉁y試的測試系統(tǒng)，它包括2個(gè)氮?dú)饣芈?，水冷卻系統(tǒng)和氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)。樣機(jī)入口的氮?dú)鈪?shù)為1.0 MPa和243 ℃。壓力上升為204 kPa，流速為97.6 kg/s，在3 750 r/min時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果表明，模型的空氣動(dòng)力學(xué)特性已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，但速度低于額定值。這意味著性能優(yōu)于設(shè)計(jì)預(yù)測。因此，模型是可靠的，可以提供足夠的流量。并通過了在額定負(fù)載下，完成了500 h的氮?dú)庳?fù)載試驗(yàn)。

1-氦循環(huán)器模型； 2-1號氮?dú)饫鋮s器； 3-2號氮?dú)鈨蓿?-電機(jī)冷卻器；5-AMB冷卻器；6-真空泵冷卻器；7-氮?dú)庋h(huán)泵；8-氮?dú)鈨蓿?-氮?dú)鈿飧祝?0-真空泵；11-流量計(jì)圖3 氮?dú)夤S測試系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of the nitrogen plant test system

2.2 氦氣耐久度試驗(yàn)

在成功的工廠測試之后，該模型已交付給INET以在ETF-HC上進(jìn)行測試。 ETF-HC的照片顯示如圖4所示。在安裝和調(diào)試后，以氦氣為工作液的耐力測試于2018年1月開始，精確模擬了HTR-PM中的工作條件，以驗(yàn)證模型的可靠性。因?yàn)楹獗鹊獨(dú)馊菀仔孤?，最初的測試需要對氦氣密封進(jìn)行改進(jìn)，壓力容器使用橡膠O形圈作為密封材料，金屬八角形墊片用作管道法蘭的密封件[19]。經(jīng)過幾次氦氣密封測試后，最終泄漏率降低到小于10-7Pa·m3/s，這在整個(gè)測試設(shè)施中每天少于氦氣量的0.5%。改善軸封后，也可減少從葉輪室到電動(dòng)機(jī)室的內(nèi)部氦氣泄漏。

然后在額定功率下的50 h測試中評估了氦氣的模擬性能。圖5 圖中顯示了50 h氦氣測試的氦氣和冷卻水流的流程圖。與氮?dú)鉁y試設(shè)備不同，它包括主氦回路，防喘振回路，高壓水冷卻系統(tǒng)和低壓水冷卻系統(tǒng)，以模擬各種工作條件。

50 h試驗(yàn)期間的轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率、進(jìn)口溫度和進(jìn)口壓力。所有4個(gè)參數(shù)在測試期間都保持穩(wěn)定，這意味著模型可以在額定負(fù)荷下以氦氣為工質(zhì)平穩(wěn)運(yùn)行。試驗(yàn)開始時(shí)，為了測試電磁軸承的穩(wěn)定性，提高了轉(zhuǎn)速，從曲線的開始部分就出現(xiàn)了波動(dòng)現(xiàn)象。從中間曲線也可以看出，冷卻水系統(tǒng)調(diào)整后進(jìn)口溫度變化不大。

圖4 ETF-HC照片F(xiàn)ig.4 ETF-HC photo

1-氦循環(huán)器模型； 2-真空泵； 3-流量計(jì)；4-純水換熱器；5-純水循環(huán)系統(tǒng)；6-循環(huán)水換熱器；7-氮?dú)鈨蓿?-純水泵；9-氮?dú)鈿飧讏D5 ETF-HC 50 h氦試驗(yàn)流程圖Fig.5 ETF-HC 50-hour helium test flow chart

經(jīng)過50 h的測試后，對模型進(jìn)行了一系列50個(gè)工作條件的服務(wù)周期。每個(gè)周期都模擬了一個(gè)核電廠在一年內(nèi)運(yùn)行條件的變化。每個(gè)循環(huán)包括3個(gè)冷啟動(dòng)和關(guān)閉，反應(yīng)堆負(fù)載的3個(gè)變化，3個(gè)使反應(yīng)堆停止的熱跳閘和3個(gè)熱啟動(dòng)。 HTR-PM的設(shè)計(jì)壽命為40年，測試運(yùn)行了50個(gè)周期，因此又增加了10個(gè)周期。在每個(gè)測試周期中，速度和負(fù)載發(fā)生了數(shù)次變化。首先，模型從冷態(tài)開始，然后提高到400 r/min。停機(jī)3次后，轉(zhuǎn)速提高到3 000 r/min，并通過模型本身的力量加熱氦氣。氦氣溫度升高到設(shè)計(jì)溫度，同時(shí)模型的旋轉(zhuǎn)速度逐步提高。

同時(shí)，通過適當(dāng)?shù)哪M功率和操作時(shí)間控制升溫速率。當(dāng)工況達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，進(jìn)行了3次快速降負(fù)荷和3次熱停跳閘,整個(gè)循環(huán)試驗(yàn)于2019年6月15日至2020年5月27日進(jìn)行。因此，氦耐久性試驗(yàn)持續(xù)了近1年，包括維護(hù)期，氦循環(huán)器運(yùn)行超過500 h，經(jīng)歷了500多次啟動(dòng)和關(guān)閉。

圖6顯示了在氦耐久性試驗(yàn)期間，在額定負(fù)載下，主動(dòng)磁軸承的典型軌道。綠色圓圈內(nèi)的軌道是最小的圓圈，代表良好的振動(dòng)水平，綠色和黃色圓圈之間的軌道代表可接受的振動(dòng)水平，紅色和黃色圓圈之間的軌道代表危險(xiǎn)的振動(dòng)水平，紅色圓圈表示輔助軸承的間隙[20]。該圖表明，電磁軸承在軸振動(dòng)小于0.05 mm的情況下是穩(wěn)定的。因此，電磁軸承工作良好，軸振動(dòng)幅度小于設(shè)計(jì)安全限值。

圖6 主動(dòng)磁軸承的軌道Fig.6 Track of active magnetic bearing

在耐久性試驗(yàn)過程中的經(jīng)驗(yàn)表明，電磁軸承可以很容易地由非電磁軸承專家的值班人員來控制。因此，INET開發(fā)的電磁軸承的性能也在500多個(gè)電磁軸承啟動(dòng)和關(guān)閉的耐久性試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，結(jié)果表明，電磁軸承可以為高溫氣冷堆-永磁氦循環(huán)器提供良好的支撐。

3 結(jié)語

HTR-PM氦循環(huán)器的全尺寸模型在2017年至2020年間通過了多次工廠試驗(yàn)和氦設(shè)施試驗(yàn)，模型在額定負(fù)荷下氮?dú)夥€(wěn)定工作超600 h，并成功地完成了500多個(gè)瞬變過程和超500 h的氦氣工作。耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證了氦循環(huán)器的性能和可靠性，這意味著氦循環(huán)器滿足HTR-PM設(shè)計(jì)要求，能夠可靠地為反應(yīng)堆提供足夠的氦流量。