“華龍一號”上充泵流量曲線及部分控制邏輯優(yōu)化

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(中國核電工程有限公司，北京　100840)

上充泵是核電廠化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(簡稱化容系統(tǒng))的重要設(shè)備，具有揚程高、轉(zhuǎn)速高、功率大的特點，是重要的核安全設(shè)備，常采用多級雙側(cè)殼結(jié)構(gòu)的離心泵[1]?！叭A龍一號”項目中上充泵的主要功能有：1)向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)提供上充水流，從而維持穩(wěn)壓器中的正常液位(RCV上充功能)；2)向反應(yīng)堆冷卻劑泵提供軸封冷卻水；此水流也起到防止高溫冷卻劑通過密封泄漏的作用(密封水注入功能)[2]。

在以往M310堆型壓水堆核電機組中，化容系統(tǒng)上充泵兼做高壓安注泵，執(zhí)行高壓安注功能時，需有大流量要求(160 m3/h)。根據(jù)泵性能曲線，此時對應(yīng)的工況點泵功率較高，最大功率出現(xiàn)在流量為115 m3/h附近。而在“華龍一號”項目中，系統(tǒng)設(shè)計將上充泵的安注功能從化容系統(tǒng)中剝離出來，上充泵不再執(zhí)行高壓安注的功能。因此，就不再要求上充泵具有大流量點，有必要對化容系統(tǒng)上充泵流量-揚程特性曲線進行新的改進和設(shè)計。

此外，隨著核電廠數(shù)字化操作的普及，對設(shè)備的自動控制要求也越來越高[3]。目前，“華龍一號”中共設(shè)置兩臺上充泵，上充泵切換時采用手動切換。擬對部分工況下上充泵的手動切換改為自動切換，以提高電廠安全性、設(shè)備的自動化水平，降低操作員負擔。

1　流量曲線優(yōu)化及驗證

1.1　流量曲線優(yōu)化

在M310堆型中，上充泵可以從容控箱、換料水箱及安全殼地坑取水，上充泵設(shè)計成在以下工況點運行，詳見表1。

表1　M310堆型上充泵工況運行點

經(jīng)分析可知，該設(shè)計存在以下缺點：1)上充泵長期在小流量工況點運行，運行不穩(wěn)定，可靠性差；2)上充泵長期在小流量工況點運行效率低，34 m3/h/148 m3/h/160 m3/h，對應(yīng)效率32%/47%/40%；3)上充泵運行參數(shù)范圍大，設(shè)計制造難度大；4)增大了應(yīng)急柴油機負荷。M310上充泵額定功率650 kW，最大功率點出現(xiàn)在流量約為110 m3/h附近。

在“華龍一號”的設(shè)計中，化容系統(tǒng)不再承擔高壓安注功能，因此，大流量工況點不再需要。在此前提下，為了改進上述缺點，取消148 m3/h和160 m3/h兩個大流量工況點，重新定義工況點如表2所示。調(diào)研了EPR及AP1000中的上充泵，發(fā)現(xiàn)二者均取消了安注功能，該改進符合國際核電發(fā)展趨勢。

表2　華龍一號上充泵工況運行點

1.2　優(yōu)化驗證

在確定水泵工況點后，聯(lián)合設(shè)備制造方，進行泵水力及結(jié)構(gòu)方案的詳細設(shè)計，并進行相應(yīng)的優(yōu)化。M310及“華龍一號”上充泵流量曲線對比圖見圖1，流量曲線對比局部放大圖見圖2。

由圖2可知，在正常上充工況中，“華龍一號”上充泵揚程略高于M310上充泵，這對于實際使用是有利的，揚程偏高可以通過減壓閥來調(diào)節(jié)。M310與“華龍一號”上充泵流量-效率曲線對比詳見圖3?？芍?，在正常上充工況(流量處于30～50 m3/h)，“華龍一號”上充泵效率高于M310上充泵約5個百分點。M310與“華龍一號”上充泵流量-功率曲線詳見圖4，“華龍一號”上充泵功率最大不超過550 kW，額定功率降低了100 kW。不僅降低了運行成本，也節(jié)約了應(yīng)急柴油機容量。

為分析核電廠實際運行中，新設(shè)計的上充泵的影響，利用Flowmaster軟件建立“華龍一號”上充回路仿真模型，進行計算。在保證其他條件不變的前提下，更通過優(yōu)化上充泵設(shè)計，調(diào)節(jié)上充流量調(diào)節(jié)閥，對比各管段流量變化，結(jié)果如表3所示。計算結(jié)果顯示，上充泵特性曲線優(yōu)化，可以通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度來平衡各回路流量，且調(diào)節(jié)量較小，不會造成調(diào)節(jié)閥重新設(shè)計。

圖1　M310與“華龍一號”上充泵流量-揚程曲線Fig.1　Q-H curve of charging pump in M310 and HPR1000

圖2　M310與“華龍一號”上充泵流量-揚程曲線局部放大Fig.2　Partial enlarged view of charging pump Q-H curve in M310 and HPR1000

圖3　M310與“華龍一號”上充泵流量-效率曲線Fig.3　Q-η curve of charging pump in M310 and HPR1000

圖4　M310與“華龍一號”上充泵流量-功率曲線Fig.4　Q-P curve of charging pump in M310 and HPR1000

優(yōu)化前優(yōu)化后RCV046VP開度/%37.2062.0037.1066.10RCV061VP開度/%42.5047.0042.0051.00上充流量/(m3/h)12.3328.0412.3328.04軸封注入流量/(m3/h)5.765.765.765.76

2　部分控制流量優(yōu)化

目前的切換備用上充泵的情況有兩種：一種為定期切換；一種為發(fā)生故障時切換。上充泵出口母管處設(shè)置壓力測量儀表RCV017MP，用以監(jiān)測上充泵出口壓力。當該儀表監(jiān)測到壓力低，不能滿足要求時，由操作員手動切換備用泵啟動。該種操作方法增加了操作員的負擔，且增加了人因失誤的幾率。因此，在廣泛調(diào)研和充分吸取運行單位經(jīng)驗反饋的基礎(chǔ)上，擬將該種情況下的備用上充泵啟動方式改為自動啟動。

2.1　優(yōu)化方案

在不改變工藝原有設(shè)計和設(shè)備配置，不增加設(shè)備的額外投資，僅通過儀控系統(tǒng)的邏輯設(shè)計優(yōu)化來實現(xiàn)化容系統(tǒng)上充泵列間切換自啟動的目的，從而提升化容系統(tǒng)運行的安全性及自動化水平，減少操作員的操作負擔。具體的優(yōu)化方案如下：

1)考慮化容系統(tǒng)上充泵在何種工況下需要列間切換自啟動，選擇合適的觸發(fā)信號和閉鎖信號；

2)考慮上充泵列間切換自啟動邏輯與泵的其他啟停邏輯間的優(yōu)先關(guān)系。

2.2　優(yōu)化措施

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的上充泵，可分為A、B兩列，A列泵為RCV001PO，B列泵為RCV002PO，兩臺泵的控制邏輯相似。下面以上充泵RCV001PO的控制邏輯為例，介紹由運行的B列泵自動切換至A 列泵的控制方案設(shè)計：

1)正常運行期間，RCV002PO投運，無停泵信號出現(xiàn)，若泵出口壓力逐漸降低至產(chǎn)生上充泵管線壓力低信號，即考慮RCV002PO可能故障，此時需快速啟動RCV001PO，供應(yīng)主泵軸封水和上充流量。該觸發(fā)條件應(yīng)注意避免在RCV002PO啟動初期未建立上充壓力期間和定期試驗期間出現(xiàn)的上充泵管線壓力低現(xiàn)象誤觸發(fā)列間備用泵啟動信號。

2)正常運行期間，RCV002PO投運，若出現(xiàn)非主控室發(fā)出的手動停泵命令導(dǎo)致的RCV002PO停運情況，則自動啟動RCV001PO。

3　結(jié)論

1)“華龍一號”項目中上充泵不再兼做高壓安注泵，在泵的工況點選取中可以去掉兩個安注用的大流量點，以減少泵功率，提高泵效率；

2)流量曲線優(yōu)化后的上充泵對整個上充回路及軸封注入回路流量分配影響較小，無需重新設(shè)計調(diào)節(jié)閥；

3)將上充泵出口壓力低及定期切換備用上充泵改為自動操作，降低操作員負擔。