HTR-PM主氦風機運行特性研究

嚴義杰，石清鑫，王天柱，龐順，陳光建，敬小磊，趙峰，葉林

（1.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264300；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710049）

HTR-PM主氦風機為立式單級離心風機，位于蒸汽發(fā)生器頂端的壓力容器內(nèi)部，其周圍工作環(huán)境為一回路介質(zhì)。葉輪懸臂安裝于驅(qū)動電機軸端，穿軸處設(shè)有迷宮密封裝置阻止下側(cè)風機腔250℃氦氣直接流入電機腔。主氦風機設(shè)計為大型、立式、高速變頻調(diào)節(jié)，采用了大量的創(chuàng)新技術(shù)，突破了大型立式機組的轉(zhuǎn)速范圍和結(jié)構(gòu)型式，在國際上還沒有容量相當、結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品，屬于國際首臺套采用電磁懸浮軸承的反應堆設(shè)備。目前，國內(nèi)外對高溫氣冷堆技術(shù)都非常重視，各自均針對自身堆型的特點開展了一回路風機的研發(fā)。陳卓采用計算流體力學（CFD）的方法對HTR-PM主氦風機葉輪的氣動性能進行研究，分析總結(jié)了主氦風機葉輪參數(shù)的改變對風機氣動性能的影響，并對葉輪進行優(yōu)化設(shè)計。陳志先采用數(shù)值模擬技術(shù)對主氦風機導葉入口安裝角的幾何優(yōu)化進行了研究，并開展了設(shè)計流量下的非定常流計算，分析了流道內(nèi)壓力脈動的變化規(guī)律。趙欣等人利用數(shù)值模擬方法對主氦風機試驗回路氦氣流動特性開展研究，分析了不同彎徑比90°彎頭的流動特性。本文結(jié)合高溫氣冷堆現(xiàn)場開展了主氦風機的冷態(tài)及熱態(tài)性能試驗研究，確定導致主氦風機實際特性發(fā)生偏離的主要原因，并給出了獲得主氦風機實際性能曲線與經(jīng)驗公式的方法，為HTR-PM的安全穩(wěn)定運行提供依據(jù)。

1 主氦風機設(shè)計特性分析

根據(jù)HTR-PM的運行需求，一回路氦氣流量需根據(jù)反應堆功率調(diào)整。受一回路內(nèi)高溫高壓高輻照環(huán)境影響，無法在主氦風機進出口安裝調(diào)節(jié)閥門，故采用變頻調(diào)節(jié)的方式實現(xiàn)一回路流量可調(diào)，因此主氦風機主要特性為不同轉(zhuǎn)速下的流量與壓升。同時考慮到實際運行時工質(zhì)受溫度與壓力的影響會發(fā)生變化，通過理想氣體狀態(tài)方程將工質(zhì)密度進行換算，可得到主氦風機理論特性公式。

式中，a1為理論體積流量系數(shù)；b1為理論質(zhì)量流量系數(shù)；d1為理論壓力升系數(shù)；e1為理論功率系數(shù)。從公式（1）、（2）、（3）、（4）可以看出，主氦風機的理論流量、壓力升、功率分別與轉(zhuǎn)速的一次方、二次方、三次方成正比。在工廠試驗平臺開展了主氦風機樣機的性能試驗，基于主氦風機流量、壓力升、功率分別與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，獲取得到主氦風機的設(shè)計性能曲線及風機設(shè)計點在其上的分布，如圖1所示。

圖1 主氦風機設(shè)計特性曲線

2 主氦風機現(xiàn)場性能試驗

2.1 試驗測試項目

在示范工程的主氦風機及其管路系統(tǒng)上開展相關(guān)試驗。風機入口流量通過在一回路的冷氦氣上升管中安裝核安全級彎管流量傳感器進行測量。風機入口溫度通過安裝于風機入口管道內(nèi)的溫度傳感器測量，風機進口管道處安裝壓力傳感器測量入口處靜壓，并通過進出口差壓變送器測量風機進出口之間的靜壓差。通過電機綜合保護測量裝置測量電機輸出軸功率。

2.2 試驗主要內(nèi)容

（1）冷態(tài)試驗。介質(zhì)為空氣，進氣溫度為室溫，驗證主氦風機在空氣氛圍下的性能。根據(jù)不同轉(zhuǎn)速區(qū)分工況，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為400～4000r/min。每個工況處于穩(wěn)定后記錄測試參數(shù)。

（2）熱態(tài)試驗。介質(zhì)為氦氣，在起機過程中，用主氦風機功率使一回路氦氣介質(zhì)升溫，使一回路介質(zhì)達到熱態(tài)工況，進行主氦風機的熱態(tài)性能試驗。風機進口介質(zhì)溫度穩(wěn)定在225℃左右，進口壓力根據(jù)實際運行情況維持在5.26MPa,根據(jù)不同轉(zhuǎn)速區(qū)分工況，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為400～4000r/min。每個工況處于穩(wěn)定后記錄測試參數(shù)。

2.3 試驗結(jié)果

（1)冷態(tài)試驗結(jié)果分析。主氦風機冷態(tài)試驗主要測試結(jié)果如表1所示。為了對比說明風機設(shè)計性能與實際性能的偏差，將冷態(tài)性能試驗結(jié)果示于風機設(shè)計變速性能曲線上。

表1 冷態(tài)性能試驗主要測試結(jié)果

根據(jù)冷態(tài)試驗結(jié)果可知，實際管網(wǎng)系統(tǒng)阻力偏離設(shè)計工況，而風機實際性能與樣機性能基本吻合。

（2）熱態(tài)試驗結(jié)果分析。主氦風機熱態(tài)試驗主要測試結(jié)果如表2所示。為了對比說明風機設(shè)計性能與實際性能的偏差，將熱態(tài)性能試驗結(jié)果標示于風機設(shè)計變速性能曲線上，在熱態(tài)性能試驗過程中，風機管網(wǎng)阻力曲線偏離設(shè)計工況，且未通過風機高效運行區(qū)。根據(jù)運行點的分布對比可知，風機實際出力與樣機性能試驗基本吻合。

表2 熱態(tài)性能試驗主要測試結(jié)果

（3）各性能參數(shù)與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系分析。經(jīng)過HTR-PM現(xiàn)場性能測試，得到主氦風機各主要性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，如圖2所示。

圖2 主氦風機實際特性曲線

經(jīng)過對曲線進行擬合，可以得到HTR-PM主氦風機實際特性公式。

2.4 試驗結(jié)果分析

對比主氦風機理論特性曲線與實測特性曲線，可以得出以下結(jié)論：

（1）受HTR-PM物理特性影響，在主氦風機性能測試期間，一回路燃料安裝高度僅為6m左右，與堆芯滿裝載時的堆芯高度（11m）差距較大，導致一回路阻力低于設(shè)計工況，使得主氦風機工作點發(fā)生偏移，往高流量及低壓力區(qū)域偏移；即在4000r/min額定設(shè)計轉(zhuǎn)速下，風機流量較設(shè)計值偏大，而風機靜壓升與功率較設(shè)計值偏??；（2）由于主氦風機偏離設(shè)計工況，氦氣在葉輪內(nèi)的流動與設(shè)計工況發(fā)生偏離，導致其壓力升-轉(zhuǎn)速、功率-轉(zhuǎn)速的公式不在嚴格遵循二次方與三次方的關(guān)系，而是體現(xiàn)為多項式的形式；（3）主氦風機實際運行過程中，流量的線性關(guān)系保持的較好，但由于主氦風機進口擋板的影響，在低轉(zhuǎn)速（＜1000rpm）工況下，主氦風機提供的壓頭未能克服進口擋板的重力，導致進口擋板未能完全開啟，流量-轉(zhuǎn)速曲線存在一個轉(zhuǎn)折點，且在該工況下，流量存在一定幅度波動。

3 結(jié)語

經(jīng)過對HTR-PM主氦風機理論特性與實際性能比較分析，可以確定主氦風機的能力能夠滿足HTR-PM的運行需求，且使用線性方程式、二次多項式與三次多項式對主氦風機實際測得的流量-轉(zhuǎn)速、壓力升-轉(zhuǎn)速、功率-轉(zhuǎn)速結(jié)果進行擬合，可以獲得精度很高的性能公式，以滿足HTR-PM一回路流量自動控制與全場功率協(xié)調(diào)控制的相關(guān)需求。

但一回路阻力偏離設(shè)計值會對主氦風機實際運行性能造成影響，需要對主氦風機相關(guān)運行參數(shù)進行以下調(diào)整：

（1）一回路阻力偏小，為避免主氦風機超功率運行，同時滿足堆芯冷卻流量的需求，需要適當降低主氦風機額定運行轉(zhuǎn)速，預計正常運行額定轉(zhuǎn)速約為3600rpm。（2）受主氦風機進口擋板的影響，主氦風機的最低運行轉(zhuǎn)速需大于1000rpm，否則，風機進口擋板無法穩(wěn)定開啟，導致主氦風機入口流量波動較大，嚴重時甚至會引起風機進入不穩(wěn)定區(qū)運行。

HTR-PM主氦風機將長期偏離理論工況點，實際進出口角與理論進出口角存在較大偏差，氣流對葉輪的沖擊變大，導致風機的振動變大，葉片工作效率降低，對設(shè)備的性能會造成不利影響。