基于主給水泵運(yùn)行可靠性的裝置研究及應(yīng)用

曾博文，陳堅(jiān)剛，秦 川，章鵬華，黃賢華

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

隨著核電的發(fā)展，尤其是在日本福島核事故后，人們對(duì)核電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提出了更高的要求。主給水泵系統(tǒng)是核電站的一個(gè)重要系統(tǒng)，其功能主要是在各種工況下持續(xù)向蒸汽發(fā)生器供應(yīng)品質(zhì)合格的給水。國(guó)內(nèi)多個(gè)核電站都曾出現(xiàn)過(guò)因主給水泵緊急切換造成機(jī)組瞬態(tài)擾動(dòng)、導(dǎo)致停機(jī)停堆的事件，同時(shí)，備用的主給水泵泵體及管道中的流體長(zhǎng)期不循環(huán)，冷態(tài)切換瞬間也會(huì)容易造成機(jī)組瞬態(tài)，冷水和熱水瞬間轉(zhuǎn)變對(duì)于主給水泵的熱沖擊等問(wèn)題也亟待解決。

1 壓水堆核電站主給水泵系統(tǒng)運(yùn)行存在的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)核電站在設(shè)計(jì)以及運(yùn)行中,均忽略了儲(chǔ)存在備用主給水泵本體及其回路中低溫水對(duì)系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的影響。當(dāng)正常運(yùn)行的主給水泵出現(xiàn)故障或者需要切換備用主給水泵時(shí)，緊急啟動(dòng)的備用主給水泵將大量的低溫給水瞬間泵入高加，導(dǎo)致高加解列、機(jī)組超功率，甚至停機(jī)停堆。部分核電站通過(guò)技術(shù)改造給主給水泵系統(tǒng)單獨(dú)增加了暖泵系統(tǒng)，其目的也僅是防止備用泵啟動(dòng)時(shí)泵本體遭受過(guò)大的熱沖擊,并沒(méi)有通過(guò)分析和計(jì)算主給水泵緊急切換對(duì)核電機(jī)組的瞬態(tài)影響，無(wú)法提出更加合理、可行的方案。

2 壓水堆主給水泵運(yùn)行可靠性裝置的方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案介紹

本研究的目的在于提升主給水泵運(yùn)行可靠性，開(kāi)發(fā)出一種降低其切換對(duì)核電機(jī)組瞬態(tài)影響的新型裝置：可持續(xù)維持備用主給水泵及其管道中的流體溫度與運(yùn)行主給水泵一致，避免系統(tǒng)管路中長(zhǎng)期不循環(huán)的低溫水流經(jīng)高加導(dǎo)致高加解列、機(jī)組超功率；防止備用給水泵啟動(dòng)的時(shí)候遭受熱沖擊；減少主給水泵啟動(dòng)時(shí)的暖管時(shí)間；改善備用主給水泵泵體及管道中的水質(zhì)，防止泵啟動(dòng)后蒸汽發(fā)生器水質(zhì)變差。

本裝置在緩解核電機(jī)組瞬態(tài)的同時(shí)，盡可能將裝置使用帶來(lái)的負(fù)面影響，如流體長(zhǎng)期沖刷對(duì)新增管線及關(guān)鍵設(shè)備的影響，降到可接受的水平，提高核電站運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

本裝置主要包括第一引壓管線、第二引壓管線、第三引壓管線、第一調(diào)節(jié)閥、第二調(diào)節(jié)閥、第三調(diào)節(jié)閥、第一隔離閥、第二隔離閥、第三隔離閥和連通管線（圖1）。其中，第一引壓管線的一端與第一主給水泵的第一中壓給水管線連接，第二引壓管線的一端與第二主給水泵的第二中壓給水管線連接，第三引壓管線的一端與第三主給水泵的第三中壓給水管線連接；第一引壓管線、第二引壓管線和第三引壓管線的另一端通過(guò)連通管線連接在一起；第一引壓管線上依次設(shè)置有第一調(diào)節(jié)閥和第一隔離閥，第二引壓管線上依次設(shè)置有第二調(diào)節(jié)閥和第二隔離閥，第三引壓管線上依次設(shè)置有第三調(diào)節(jié)閥和第三隔離閥。

圖1 主給水泵運(yùn)行可靠性裝置結(jié)構(gòu)

由于管道內(nèi)的介質(zhì)的流速高、流量大，長(zhǎng)期運(yùn)行易產(chǎn)生流動(dòng)加速腐蝕（Flow-Accelerated Corrosion，F(xiàn)AC），上述的第一引壓管線、第二引壓管線、第三引壓管線的材料均選用304L 不銹鋼，規(guī)格尺寸為Φ42.2 mm×4.85 mm；第一調(diào)節(jié)閥、第二調(diào)節(jié)閥、第三調(diào)節(jié)閥、第一隔離閥、第二隔離閥、第三隔離閥均為手動(dòng)截止閥，規(guī)格型號(hào)為PN4.0 DN32。

假設(shè)某核電機(jī)組處于正常功率運(yùn)行，第一主給水泵及第二主給水泵運(yùn)行，第三主給水泵備用。此時(shí)第一中壓給水管線、第二中壓給水管線中的壓力明顯高于第三中壓給水管線，于是主給水泵系統(tǒng)中的高溫給水（140 ℃左右）分別經(jīng)過(guò)第一引壓管線及第二引壓管線流向第三引壓管線，然后進(jìn)入第三中壓給水管線，進(jìn)入第三中壓給水管線的高溫給水分成兩路對(duì)第三主給水泵前置泵、主給水泵壓力級(jí)泵及其附屬管線中。按照此運(yùn)行原理，長(zhǎng)期保持備用的主給水泵及其附屬的管線中給水溫度與運(yùn)行泵的給水溫度保持一致，降低主給水泵緊急切換帶給系統(tǒng)的瞬態(tài)影響（圖2）。

圖2 主給水泵系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2 方案創(chuàng)新點(diǎn)

（1）巧妙地選取引壓點(diǎn)。采用從主給水泵中壓管線引壓的方式，有效地減少了節(jié)流損失和對(duì)管道沖蝕影響。若從低壓管線引壓，由于壓力低無(wú)法順利建立水循環(huán)；若從高壓管線引壓，由于水流從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動(dòng)，需在截止閥后增加節(jié)流孔板，孔板下游管道及閥門很容易受到?jīng)_蝕。國(guó)內(nèi)某核電站站采用從高壓管線引壓的方案，長(zhǎng)期運(yùn)行造成暖泵管線穿孔漏水，根本原因就是因孔板前后壓降過(guò)大，造成汽蝕所致。

（2）裝置選材優(yōu)化。因主給水泵中壓給水管線材料是碳鋼，內(nèi)部介質(zhì)流速高、流量大，長(zhǎng)期運(yùn)行易產(chǎn)生流動(dòng)加速腐蝕（FAC）。該實(shí)用裝置選擇耐蝕性和力學(xué)性能兼優(yōu)的304L 不銹鋼作為管線材料，管壁厚度4.85 mm，三列引出管線匯成一條母管進(jìn)行相互暖泵暖管，有效減少了設(shè)備腐蝕，避免了管道堵塞。

（3）便于系統(tǒng)隔離及流量調(diào)節(jié)。本裝置巧妙地設(shè)置了6 個(gè)不銹鋼材料的截止閥，其中每條引壓管線上設(shè)置兩道閥門：閥門（4#、5#、6#）作為調(diào)節(jié)閥，便于新增裝置安裝后，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)節(jié)流量，節(jié)流運(yùn)行；閥門（7#、8#、9#）作為隔離閥，便于原系統(tǒng)或者裝置隔離檢修，即在任意一列主給水泵出現(xiàn)故障，可以通過(guò)關(guān)閉該閥對(duì)故障列進(jìn)行隔離檢修，而不影響其他列主給水管線的運(yùn)行。

（4）裝置簡(jiǎn)單可靠，安全實(shí)用，且兼具多重功能。整個(gè)裝置主要部件僅采用了6 個(gè)閥門及4 段管線，大大節(jié)約了改造成本，不僅可以防止備用主給水泵回路中的冷水流經(jīng)高加導(dǎo)致高加解列瞬態(tài)，還減少了備用主給水泵啟動(dòng)時(shí)受到的熱沖擊，縮短主給水泵正常啟動(dòng)時(shí)的暖管時(shí)間，防止泵啟動(dòng)后蒸汽發(fā)生器水質(zhì)變差。

3 壓水堆主給水泵運(yùn)行可靠性裝置應(yīng)用效果

本裝置充分利用了原系統(tǒng)運(yùn)行期間各部件之間存在的壓差，采用主給水泵中壓管線引壓的方式，有效減少了節(jié)流損失和對(duì)管道沖蝕影響。目前該裝置已在國(guó)內(nèi)某核電站應(yīng)用多年，根據(jù)其長(zhǎng)期投運(yùn)積累的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，相關(guān)性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，效果良好，有效降低了主給水泵緊急切換對(duì)機(jī)組的瞬態(tài)影響。

4 結(jié)論

核電站主給水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保證整個(gè)核電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件之一。本文通過(guò)原因分析，找到了核電站主給水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的薄弱環(huán)節(jié)，最后介紹了一種基于核電站主給水泵運(yùn)行可靠性的實(shí)用新型裝置。該裝置有效提高了核電機(jī)組應(yīng)對(duì)一般瞬態(tài)的響應(yīng)能力，提高了機(jī)組的安全穩(wěn)定性和重要設(shè)備的可靠性，延長(zhǎng)了重要設(shè)備的使用周期，節(jié)約了設(shè)備成本，減少了主給水泵正常啟動(dòng)時(shí)的暖管時(shí)間，即縮短了機(jī)組啟機(jī)的總體時(shí)間，提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。該裝置具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，可以給新建核電站主給水泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及主給水泵技術(shù)改造提供參考。