核電廠主給水泵跳泵導(dǎo)致停堆分析與改進(jìn)

杜鵬程，宋秀臣，胡大千

（1. 福建福清核電有限公司，福建 福清 350300；2. 上海電力股份上電工程公司，上海 200090）

核電廠主給水泵跳泵導(dǎo)致停堆分析與改進(jìn)

杜鵬程1，宋秀臣1，胡大千2

（1. 福建福清核電有限公司，福建 福清 350300；2. 上海電力股份上電工程公司，上海 200090）

本文針對核電廠調(diào)試試驗期間，發(fā)生主給水泵意外“跳泵”引發(fā)反應(yīng)堆停堆的根本原因進(jìn)行技術(shù)分析，結(jié)合國內(nèi)同行經(jīng)驗給出了有效的改進(jìn)措施，從設(shè)備本體裝配尺寸改進(jìn)、系統(tǒng)設(shè)計回路優(yōu)化兩個方面，對如何提高主給水泵運行安全和可靠性進(jìn)行深入闡述和分析。經(jīng)過相關(guān)試驗運行驗證，優(yōu)化改進(jìn)措施和方案可以提高設(shè)備運行可運行性，尤其是保證主給水泵在負(fù)荷變化瞬態(tài)時的可運行性。并為其他核電廠同類型主給水泵運行調(diào)試，提供了一定的工程參考。

主給水泵；跳泵；口環(huán)間隙；暖泵

主給水泵組是核電廠二回路常規(guī)島中最重要的高溫循環(huán)給水泵之一，用于將二回路高溫介質(zhì)強(qiáng)迫循環(huán)至蒸汽發(fā)生器，通過給水調(diào)節(jié)作用控制蒸汽發(fā)生器的水位在正常的工作范圍。若主給水泵流量發(fā)生變化，將直接導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水位波動，甚至觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。

某核電廠1、2號機(jī)組主給水泵制造商為Clyede Union，型號為FH 1H42/FK 1C 88 Boiler Feedwater Pumps，在執(zhí)行主給水泵切換調(diào)試試驗過程中，停止B泵切換啟動C泵時，C泵“意外”跳泵，引起蒸汽發(fā)生器水位快速下降，反應(yīng)堆自動停堆。

1 主給水泵結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析

主給水泵組由前置泵、電機(jī)、液體耦合器以及壓力級泵組成，在前置泵以及壓力級泵前分別安置有濾網(wǎng)，對濾網(wǎng)前系統(tǒng)介質(zhì)中雜質(zhì)進(jìn)行過濾，避免二回路系統(tǒng)中的異常介質(zhì)進(jìn)入泵組內(nèi)部口環(huán)以及其他動靜接觸部件。

通過對前置泵和壓力級泵比轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算，得到壓力級泵比轉(zhuǎn)速約為106，前置泵比轉(zhuǎn)速約為59，為中比轉(zhuǎn)速離心泵。其中前置泵與電機(jī)通過聯(lián)軸器剛性傳動連接，壓力級泵與電機(jī)通過液力耦合器實現(xiàn)“無級”變速傳動。

前置泵葉輪與泵體口環(huán)之間存在一定間隙，根據(jù)設(shè)計手冊（見表1）口環(huán)處間隙值為0.48～0.68 mm（直徑方向間隙），在主給水泵實際運行過程中泵體口環(huán)允許微量磨損，當(dāng)磨損量達(dá)到上限值后需對泵體口環(huán)進(jìn)行更換。

2 根本原因分析

主給水前置泵“跳泵”原因排查分析如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)運行參數(shù)原因分析

2.1.1 電流變化分析

PAM150C電動機(jī)綜合保護(hù)裝置對電動機(jī)啟動的判據(jù)如下：

當(dāng)啟動電流Ist＜0.12Iθ（Iθ為額定電流），保護(hù)判電動機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)；在泵啟動后60 ms內(nèi)，啟動電流Ist上升到Ist＞1.5Iθ時（設(shè)為時刻t）保護(hù)判電動機(jī)為啟動狀態(tài)；在電動機(jī)啟動后100 ms內(nèi)，啟動電流Ist下降到Ist＜1.25Iθ時（設(shè)為時刻t1），保護(hù)判電動機(jī)為啟動結(jié)束；時刻t2與t1的時間差，判為電動機(jī)啟動時間。

通過對2APA302PO電機(jī)電流進(jìn)行分析，從2APA302PO聯(lián)啟32.4 s后跳閘，整個過程電機(jī)電流維持在3 000 A左右，啟動電流Ist始終大于1 406 A（1.25Iθ），其中Iθ為1 125 A（0.75In，In為繼電器額定電流），可以看出，電動機(jī)啟動過程持續(xù)未結(jié)束。

表1 主給水泵口環(huán)間隙值[1]Table 1 The clearance between the wear ring of the main feed pump

圖1 主給水前置泵“跳泵”原因排查分析Fig.1 The Ishikawa analysis for the turn-off of the main feed pump

分析：在2APA302PO電機(jī)啟動到跳閘，32.4 s跳閘時刻的電動機(jī)電流為2 951 A（正常啟動下，32.4 s時的電動機(jī)電流為880 A），說明電機(jī)啟動過程中電流超過正常啟動電流值，電機(jī)的負(fù)載力矩超過正常啟動時的負(fù)載力矩。經(jīng)電機(jī)空載試驗驗證電機(jī)無異常，說明增加的負(fù)載力矩來自于泵轉(zhuǎn)子，可能是轉(zhuǎn)子發(fā)生動靜卡澀導(dǎo)致阻力矩增加所致。

2.1.2 惰轉(zhuǎn)時間分析

在此次跳泵事件停泵惰轉(zhuǎn)過程中，從700 r/ min轉(zhuǎn)速下降至0 r/min轉(zhuǎn)速的惰轉(zhuǎn)時間為12 s，與正常停泵惰轉(zhuǎn)的惰轉(zhuǎn)時間66 s（同樣從700 r/ min轉(zhuǎn)速下降至0 r/min轉(zhuǎn)速）相比，惰轉(zhuǎn)時間明顯變短。

分析：從惰轉(zhuǎn)時間來看，時間明顯變短，進(jìn)一步說明在惰轉(zhuǎn)過程中電機(jī)受到的負(fù)載力矩超過正常負(fù)載力矩，導(dǎo)致惰轉(zhuǎn)時間減少。

2.1.3 泵流量、轉(zhuǎn)速分析

通過事件發(fā)生時泵流量、壓力分析：啟泵過程中轉(zhuǎn)速最高達(dá)到4 266 r/min，最大流量達(dá)到2 785 m3/h（額定流量3 720 m3/h），對比50%功率切泵試驗，2APA302PO轉(zhuǎn)速曾最高達(dá)到4 636 r/min，最大流量達(dá)到3 691 m3/h。

分析：從2APA302PO流量和轉(zhuǎn)速參數(shù)分析，可以看到啟動過程中泵轉(zhuǎn)速始終無法達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并使得泵出口流量也無法達(dá)到額定流量，說明電機(jī)未能正常啟動至額定轉(zhuǎn)速。

2.1.4 泵振動分析

在泵啟動過程中，泵軸振動位移在快速升高后出現(xiàn)較大的波動，期間最大振動位移值達(dá)到117 μm（正常運行期間泵軸振動位移值約為60～80 μm）。

分析：從泵軸振動位移運行曲線，可以看到前置泵在啟動過程中振動位移值高于正常運行振動值，使得在啟泵期間泵體口環(huán)與葉輪口環(huán)之間間隙小于正常運行期間口環(huán)間隙，加劇泵體口環(huán)與葉輪口環(huán)之間碰磨的風(fēng)險和程度。

2.1.5 系統(tǒng)運行參數(shù)分析結(jié)論

從系統(tǒng)運行參數(shù)分析，啟動過程中電機(jī)負(fù)載力矩超過正常啟動時的負(fù)載力矩，說明轉(zhuǎn)子應(yīng)存在卡澀，同時考慮到壓力級泵與電機(jī)間通過液體耦合器傳動即使壓力級泵發(fā)生卡澀也不會傳遞到電機(jī)，而前置泵與電機(jī)間是聯(lián)軸器連接，若發(fā)生卡澀將直接傳遞到電機(jī)驅(qū)動軸。

根據(jù)運行參數(shù)特點分析判斷前置泵的轉(zhuǎn)子處可能存在卡澀，導(dǎo)致電機(jī)受到異常的負(fù)載力矩，基于此分析對前置泵進(jìn)行進(jìn)一步解體檢查分析。

2.2 前置泵解體驗證分析

2.2.1 2APA301PO（前置泵）葉輪（口環(huán)）表面檢查分析

從泵體口環(huán)表面檢查來看，沿口環(huán)圓周方向有約20°周長范圍內(nèi)（如圖2區(qū)域2所示）口環(huán)表面光滑未發(fā)現(xiàn)異常磨損，在其余區(qū)域（如圖2區(qū)域1所示）口環(huán)表面發(fā)生比較嚴(yán)重磨損，從磨損形態(tài)是沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向來判斷，應(yīng)是葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間發(fā)生了動靜干涉所致。

圖2 葉輪非驅(qū)動端口環(huán)碰磨情況Fig.2 The damage of impeller wearing (undriven side)

2.2.2 前置泵泵體（口環(huán)）表面測量分析

通過對前置泵泵體口環(huán)和對應(yīng)葉輪口環(huán)間隙進(jìn)行現(xiàn)場測量（見圖3），可以看出，泵體口環(huán)直徑沿圓周方向不同最大口環(huán)直徑與最小口環(huán)直徑之差達(dá)到0.10 mm（超過出廠前圓周方向跳動公差值），說明泵體口環(huán)發(fā)生局部的碰磨。

從碰磨位置來看，泵體口環(huán)水平方向（9：00～3：00）現(xiàn)場實際測量的口環(huán)直徑最大說明該區(qū)域碰磨接觸較多導(dǎo)致口環(huán)內(nèi)徑磨損量大，而斜向45°方向現(xiàn)場實際測量的口環(huán)直徑最小，說明該區(qū)域碰磨接觸較少而口環(huán)內(nèi)徑磨損量小。

圖3 前置泵葉輪、泵體口環(huán)直徑Fig.3 The diameter of boszer pump impeller and casing wearing

2.3 事件原因分析

從上面排查分析可知，主給水前置泵葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)發(fā)生偏磨，導(dǎo)致泵啟動及停泵過程中電機(jī)受到的阻力矩變大。過大的電機(jī)負(fù)載力矩，導(dǎo)致電機(jī)未能正常啟動，失速保護(hù)動作跳泵。

根據(jù)解體檢查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)葉輪口環(huán)發(fā)生了局部碰磨，根據(jù)設(shè)計手冊在正常運行期間泵體內(nèi)部溫度一致情況下，葉輪及泵體口環(huán)會均勻熱膨脹，不會出現(xiàn)碰磨。

經(jīng)查，此次啟泵時，泵體上下部溫度差值大于30 ℃，前置泵殼體與葉輪處上下部溫度受熱不平衡[2],導(dǎo)致前置泵葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間局部間隙為零，二者發(fā)生動靜碰磨。

3 優(yōu)化改進(jìn)分析

3.1 口環(huán)間隙值改進(jìn)

葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)發(fā)生動靜干涉直接原因是口環(huán)間隙為零，二者動靜接觸所致。為提高運行可靠性適量地提高口環(huán)間隙值，由于葉輪口環(huán)間隙將直接影響到泵組的容積效率，在擴(kuò)大口環(huán)間隙前需對容積效率的影響進(jìn)行校核，計算如下：

密封環(huán)處泄漏量:

式中：q——密封環(huán)處泄漏量，m3/s；

ΔHw——密封環(huán)間隙兩側(cè)壓差，m；當(dāng)比轉(zhuǎn)速ns=60～150時：

ΔHw=0.6H=574.7×0.6=344.82（壓力級泵）

ΔHw=0.6H=264.3×0.6=158.58（前置泵）

λ——密封環(huán)間隙摩擦系數(shù)，根據(jù)手冊參考，λ=0.04；

L——密封環(huán)間隙長度，mm；

b——密封環(huán)間隙寬度，mm；前置泵b=0.5×（0.48～0.68）=0.24～0.34 mm，平均值為0.29 mm；壓力級泵 b=0.5×（0.48～0.56）= 0.24～0.28 mm，平均值為0.26 mm；

D——密封環(huán)間隙平均直徑;前置泵D=0.5×（456+420）=438 mm；壓力級泵D=0.5×（302+310）=306 mm；

對密封環(huán)泄漏量q進(jìn)行計算，如下：

0.7 =0.015 6 m3/s,前置泵額定流量Q= 3 620.4/3 600≈1.006 m3/s，故密封環(huán)處泄漏量占前置泵總流量比例K=0.015 6/1.006=1.55%。

葉輪口環(huán)間隙擴(kuò)大至0.4 mm（單邊）后，前置泵密封處泄漏量:

其中，b2＞b（b2、b分別代表葉輪口環(huán)切割后間隙，葉輪口環(huán)原間隙），對代

將式（3）代入式（2）中，可得：

0.025 m3/s，前置泵葉輪口環(huán)切割后最大泄漏流量占前置泵總流量比例：

口環(huán)間隙增加后，口環(huán)處流量損失增加2.49%-1.55%=0.94%，增加比例未超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值，口環(huán)間隙擴(kuò)大至0.80 mm（直徑間隙），在提高主給水泵可運行性同時不會導(dǎo)致泵組效率不滿足設(shè)計要求。

3.2 暖泵分析

為避免泵體上下部溫差過大，導(dǎo)致泵體內(nèi)部熱變形超差，使得轉(zhuǎn)子軸承下沉量超過設(shè)計要求，采用暖泵對主給水泵組進(jìn)行暖泵，目前國內(nèi)行業(yè)內(nèi)常用的兩種暖泵方式，分析如下：

3.2.1 增加暖泵管線

增加暖泵管線方式，其原理是利用中壓給水母管與泵體內(nèi)部的壓力差值，通過從中壓給水母管上引出一條暖泵管線分別接入到前置泵和壓力級泵的泵體下部疏水閥，形成強(qiáng)迫循環(huán)，以加強(qiáng)泵體內(nèi)部的介質(zhì)流動，此種方案主要作用是使備用的主給水泵可以快速地升溫，避免備用泵啟動后泵體內(nèi)部低溫給水進(jìn)入到蒸汽發(fā)生器引起水位劇烈波動[4]，產(chǎn)生停堆風(fēng)險（見圖4）。

3.2.2 疏水暖泵分析

為避免泵體內(nèi)部在靜止備用狀態(tài)下內(nèi)部存在較大的溫差，對泵體周圍進(jìn)行保溫層包裹同時注意側(cè)面保溫層銜接處的保溫封堵。

具體實施措施是打開前置泵和壓力級泵泵體下部的疏水閥門，利用介質(zhì)的自然重力疏水提高泵體內(nèi)部的介質(zhì)熱交換速率，使得泵體內(nèi)部上下部介質(zhì)溫差縮小在可控范圍內(nèi)。

根據(jù)現(xiàn)場實際測量及同行經(jīng)驗反饋，泵體上下部溫差控制在20～25 ℃范圍以下時，在快速切換備用泵后，不會出現(xiàn)由于熱變形而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡澀問題。

4 結(jié)論

主給水泵組在泵體內(nèi)部上下部存在較大溫差時，由于泵體熱變形使得兩端徑向支撐軸承下沉量偏大，同時在泵組裝配精度、轉(zhuǎn)子靜撓度、轉(zhuǎn)子振動等因素的促進(jìn)下，從而導(dǎo)致泵體口環(huán)與葉輪口環(huán)發(fā)生動靜碰磨、跳泵。通過對口環(huán)間隙值改進(jìn)同時結(jié)合增加疏水暖泵優(yōu)化以及考慮增加暖泵管線改造等措施，有效地提高了主給水泵組運行可靠性，尤其是在備用切換這種特殊工況下安全的啟泵，并為后續(xù)機(jī)組以及同行類似結(jié)構(gòu)高溫給水泵調(diào)試運行提供了工程參考。

圖4 增加暖泵管線優(yōu)化Fig.4 Optimization of adding warm-up pipe

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WANG Ya-Zhan. Water Level Control of Steam Generator in Qinshan 2 [J]. Science & Technology Vision, 2015 (11).

The Cause and Modification Analysis for Reactor Shutdown Due to Main Feed Pump Turn-off

DU Peng-cheng1, SONG Xiu-chen1, HU Da-qian2
(1. Fujian Fuqing Nuclear Power Company, Fuqing, Fujian Prov.350300，China；2. Shanghai Electricity Engineering Company，Shanghai 200090, China)

During commissioning, the main feed pump was “turn off”, the root cause was analyzed, and effective improvement actions were taken according to relating experience. Improving the safety and reliability from equipment assembly size control and system design were also deeply explained and analyzed. All modifications have been verified through relevant test. These modifications can ensure the pump operating safety even during load changing transient. While improving the operationability of equipment, relating actions and modifications could make reference to other plants.

main feed pump; turn-off ; wear ring clearance; pump warmup

TL36 Article character: A Article ID: 1674-1617(2016)04-0344-06

TL36

A

1674-1617(2016)04-0344-06

2016-11-20

杜鵬程（1988—），男，本科，工程師，目前從事核電廠核一級設(shè)備主泵在內(nèi)關(guān)鍵泵技術(shù)管理工作。