“華龍一號”核安全2級中壓安注泵研制

何正石，高 原，于峰泰

(大連深藍泵業(yè)有限公司，遼寧 大連 116031)

0 引言

“華龍一號”是中國廣核集團和中國核工業(yè)集團在我國30余年核電科研、設(shè)計、制造和運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，共同研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的我國三代核電技術(shù)，代表了目前核電技術(shù)的先進水平[1-2]。

核級泵類設(shè)備在核電站屬于重要、關(guān)鍵設(shè)備，與核電站運行安全息息相關(guān)；中壓安注泵(圖1)是核安全2級泵，其功能主要用于在設(shè)計基礎(chǔ)工況和設(shè)計擴展工況，將安全殼內(nèi)置換料水箱的含硼水注入到反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)，冷卻堆芯和維持一回路水裝量，如圖2所示。

圖1 中壓安注泵泵頭

圖2 中壓安注泵設(shè)備功能圖示

通過中壓安注泵的研制，對其技術(shù)水平、工藝、質(zhì)量、性能、可靠性等方面進行鑒定和分析，使其結(jié)果符合“華龍一號”核電站使用要求，實現(xiàn)該種設(shè)備的國產(chǎn)化[3]，助力中國核電的發(fā)展，打破國外核電技術(shù)壟斷。

1 技術(shù)要求

1.1 性能參數(shù)

中壓安注泵水力性能參數(shù)需滿足表1中的要求。

表1 性能參數(shù)表

1.2 特殊工況要求

1)設(shè)計使用壽命：泵設(shè)計壽命60年，但不包括正?？筛鼡Q的零部件；

2)無故障運行：泵組應(yīng)能連續(xù)運行8800小時，且運行期間無需更換潤滑劑。

3)入口含氣：泵組在介質(zhì)含有3%空氣條件下能夠正常運行；

4)熱沖擊：在熱沖擊(從10 ℃瞬時升至120 ℃)過程中，泵能安全可靠的運行；

5)雜質(zhì)：在帶雜質(zhì)運行工況泵能安全可靠的運行；

6)抗震：泵機組及其部件應(yīng)設(shè)計成能承受安全停堆地震(SSE1)而不降低性能，即在發(fā)生SSE1 期間或之后，都必須維持結(jié)構(gòu)完整性和設(shè)備的可運行性。

2 總體方案設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書中泵組參數(shù)及現(xiàn)場安裝條件要求，中壓安注泵設(shè)計為臥式、多級、單吸，泵采用水平吸入、垂直吐出、全抽芯結(jié)構(gòu)的離心泵，泵和電動機之間采用膜片聯(lián)軸器連接，如圖3所示。

圖3 中壓安注泵整體結(jié)構(gòu)

2.2 泵結(jié)構(gòu)

中壓安注泵主要由承壓部件、轉(zhuǎn)子部件、軸承部件、密封部件、支撐部件組成，如圖4所示。

圖4 中壓安注泵結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水力設(shè)計及分析

中壓安注泵有十二個工況點[4]性能要求，每個工況點基本都有揚程、汽蝕、振動、噪聲考核指標，為滿足要求采用CFD分析手段對水力進行分析與優(yōu)化，預(yù)測水力性能及水力方案的可行性。

通過CFD對多套水力模型進行計算及流場分析(圖5、圖6)，使葉輪與導葉最優(yōu)匹配，并得出圖7 Q-H性能曲線。從曲線中可以看出，設(shè)計性能曲線處于技術(shù)規(guī)格書要求揚程下限與揚程上限區(qū)間內(nèi)，額定點及大流量揚程下降趨勢明顯，分析計算揚程與要求揚程上限接近，對此可根據(jù)試驗情況切割葉輪進行處理；分析計算整機效率可滿足各工況點效率要求；根據(jù)不同入口壓力模擬分析泵發(fā)生汽蝕的情況，計算所得各個工況點泵汽蝕余量滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

圖5 斷面靜壓分布 圖6 內(nèi)部質(zhì)點流線分布

圖7 性能曲線對比

3.2 含氣工況分析

為滿足泵組能夠在介質(zhì)含有3%空氣條件下正常運行的要求，采用CFD對各工況點分別取含氣量為1%、2%、3%的含氣性能進行分析：

① 氣相分布：隨含氣率的增加，過流部件內(nèi)僅氣相濃度增大，未出現(xiàn)汽泡聚集導致流動堵塞的現(xiàn)象，圖8為含氣量為3%葉輪氣相體積分布圖；

圖8 含氣量3%葉輪氣相體積分布

② 壓力分布：隨含氣率的增加，過流部件內(nèi)壓力結(jié)構(gòu)相似，葉輪增壓和導葉擴壓的能力減弱，但仍存在明顯的梯度變化特征；

③ 速度場結(jié)構(gòu)：隨著含氣率增加，流場結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，當含氣量為3%時，流動依然順暢，速度分布合理，故速度分布受含氣量影響不大。

3.3 轉(zhuǎn)子可靠性設(shè)計

3.3.1 軸向力平衡

首級葉輪采用雙吸結(jié)構(gòu)，次級葉輪對稱布置平衡軸向力[5]，殘余軸向力由一對推力軸承承受，見圖4所示。

3.3.2 轉(zhuǎn)子支撐

泵組兩端采用圓柱滾子軸承、中間設(shè)有2組水潤滑動壓軸承對轉(zhuǎn)子進行支撐；分析計算水潤滑軸承[6-7]偏心率與承載能力的關(guān)系(圖9)，在保證承載能力的前提下，盡量減小軸承軸向距離、減小軸承偏心率、放大軸承間隙。

圖9 水潤滑軸承承載能力與寬度關(guān)系圖

3.3.3 運轉(zhuǎn)間隙分析

采用ANSYS軟件對整機模型進行仿真分析計算，其中導葉、葉輪口環(huán)尺寸間隙相對原始位置的變化值見表2。

表2 導葉、葉輪口環(huán)間隙變化趨勢

導葉、葉輪口環(huán)設(shè)計間隙為0.25 mm，通過圖表可知口環(huán)間隙最小為0.1027 mm?？诃h(huán)間隙都有一定的安全距離，轉(zhuǎn)子不會發(fā)生摩擦現(xiàn)象，滿足泵組可運行性的要求。

3.4 振動保證

3.4.1 固有頻率分析

根據(jù)葉輪葉片數(shù)及泵轉(zhuǎn)速，中壓安注泵轉(zhuǎn)頻、葉頻、倍頻見表3。

表3 轉(zhuǎn)頻、葉頻、倍頻

采用ANSYS軟件對整機及轉(zhuǎn)子進行固有頻率分析，分析結(jié)果見表4，從分析結(jié)果可以得知，整機及轉(zhuǎn)子固有頻率分別與葉頻、轉(zhuǎn)頻、倍頻偏離，泵組不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

表4 固有頻率

3.4.2 水力振動分析

采用CFD分析合理控制葉輪與導葉隔舌間間隙，減小壓力脈動[8]對振動的影響，并對水力進行優(yōu)化，減少泵內(nèi)的漩渦及二次回流，從而減少激勵源的產(chǎn)生。

3.4.3 有限元模擬振動分析

用有限元模擬分析機組振動，分析時分別考慮了轉(zhuǎn)子不平衡力、壓力脈動對機組振動的影響，分析得出的振動數(shù)據(jù)見表5，泵組驅(qū)動端與非驅(qū)動端各個方向振動數(shù)值均滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

表5 有限元模擬振動分析值

3.5 耐熱工況設(shè)計

技術(shù)規(guī)格書要求泵入口水溫在10 s內(nèi)由不高于10 ℃升高到不低于120 ℃，分別在不低于 120 ℃和不超過60 ℃條件下運行4 h。為滿足此要求從以下幾方面進行設(shè)計。

3.5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)芯部件補償設(shè)計：采用纏繞墊片組結(jié)構(gòu)，通過合理計算控制密封墊的壓縮量，補償熱沖擊時筒體與內(nèi)芯產(chǎn)生的不同膨脹量，中壓安注泵密封墊補償設(shè)計值如圖10所示。

圖10 內(nèi)芯部件補償設(shè)計

整機機組限位設(shè)計：采用定位銷方式，限制熱膨脹的方向，保證膨脹量不會影響機組運轉(zhuǎn)。

3.5.2 有限元分析

采用ANSYS有限元仿真軟件對溫度場進行仿真分析，建立熱沖擊時溫差變化模型，確定溫度場分布，分析在各工況溫度下，泵各組件應(yīng)力值的變化，口環(huán)間隙變化值及螺栓應(yīng)力，并對熱應(yīng)力及變形分布進行分析計算，確保在溫度載荷、管口載荷等載荷的共同作用下，保證設(shè)備壓力邊界的完整性及可運行性。

4 特殊功能性試驗

4.1 熱沖擊試驗

額定流量下泵內(nèi)溫度維持在6.41 ℃，泵入口溫度在5.03 s內(nèi)瞬間達到了140.74 ℃，溫差達到133.44 ℃，熱沖擊試驗結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)格書要求；分別在120 ℃和60 ℃條件下測試泵性能，試驗結(jié)果表明水力性能、振動、噪聲、密封泄漏、軸承溫度等參數(shù)與常溫基準水力性能試驗基本一致，滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

4.2 含氣工況試驗

在泵入口接入一根加氣管路將氣體加入，測試不同含氣工況下泵性能，試驗結(jié)果見表6，從表中可以看出泵介質(zhì)含氣時，泵揚程降低，且隨著流量的增加，揚程下降比例增加，但在規(guī)定含氣量范圍內(nèi)，泵性能試驗結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

表6 加氣試驗報告

4.3 雜質(zhì)試驗

在試驗回路中加入表7中雜質(zhì)后進行8 h雜質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗。

表7 雜質(zhì)種類和重量

1)試驗期間泵無異常振動，密封無泄漏；

2)雜質(zhì)運轉(zhuǎn)完成后測試水泵性能、水力性能、泵組振動、密封泄漏、軸承溫度與基準水力性能試驗基本一致，滿足技術(shù)規(guī)格書要求；

3)雜質(zhì)性能試驗后拆檢泵組，摩擦副尺寸滿足要求，機械密封動靜環(huán)無磨損和劃傷。

5 結(jié)論

自主研制的核安全2級中壓安注泵經(jīng)技術(shù)、工藝、質(zhì)量、性能、可靠性等方面的分析與驗證，攻克了技術(shù)難點，完成了基準水力性能、熱沖擊等鑒定試驗項目，其試驗結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)格書的要求，并通過國內(nèi)專家的鑒定。

中壓安注泵研制成功，為核電技術(shù)持續(xù)研發(fā)和技術(shù)提升積累了寶貴經(jīng)驗和資源。同時，大幅提升國內(nèi)泵類設(shè)備的技術(shù)水平和制造水平，實現(xiàn)該種設(shè)備的國產(chǎn)化，具有創(chuàng)新性和極高的實用價值。