AP1000核電廠主給水泵有效氣蝕余量控制方法

范 超

（中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島 125100）

0 引言

AP1000機(jī)組采用三臺電動(dòng)主給水泵，主給水泵的水源——除氧器在電廠功率大于20%時(shí)為滑壓運(yùn)行，其加熱蒸汽來自汽輪機(jī)第5級抽氣，即高壓缸排氣，此壓力與汽輪機(jī)負(fù)荷成正比。當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，如果除氧器壓力下降過快，由于主給水泵吸入口溫度變化比壓力變化慢得多，可能會導(dǎo)致主給水泵氣蝕。泵在氣蝕條件下工作時(shí)間過長，泵的過流部件局部會遭到破壞，泵流量減小，壓力和效率顯著下降，泵性能惡化，水擊會產(chǎn)生各種頻率范圍的噪聲以及振動(dòng)。

1 水泵NPSH基礎(chǔ)理論

1.1 主給水泵NPSH理論分析

NPSH又叫氣蝕余量，可分為有效氣蝕余量NPSHa和必須氣蝕余量NPSHr。

NPSHa是吸入管道提供的主給水泵吸入口處壓力大于飽和壓力的富裕能力，NPSHa越大，表明主給水泵抗氣蝕性能越好。NPSHa由入口管道的條件決定的，與主給水泵無關(guān)。

NPSHr是給水從泵吸入口到泵內(nèi)壓力最低點(diǎn)的壓力降，NPSHr越小，表明主給水泵抗氣蝕性能越好。NPSHr由泵本身的結(jié)構(gòu)決定，與泵吸入管道條件無關(guān)。主給水泵的NPSHa隨流量增大而減小，NPSHr則相反。

為了保證泵運(yùn)行時(shí)不發(fā)生氣蝕，就需要保證NPSHa大于NPSHr，由于NPSHr由泵的設(shè)計(jì)者和制造方?jīng)Q定，電廠運(yùn)行與儀控方面可以對NPSHa進(jìn)行控制，使主給水泵的NPSHa足夠大。

1.2 電廠穩(wěn)定功率運(yùn)行時(shí)主給水泵的NPSHa控制

電廠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，除氧器壓力穩(wěn)定，除氧器水箱內(nèi)水處于飽和狀態(tài)，不考慮除氧器水箱至給水泵入口給水溫度的很小的溫度降，主給水泵入口水溫度對應(yīng)的飽和壓力與除氧器內(nèi)壓力相同。由于除氧器水箱與主給水泵吸入口存在位差，以及前置泵為主給水泵提供一定的吸入壓頭，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況可以保證NPSHa大于NPSHr。

1.3 汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)的主給水泵NPSHa變化

當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，汽機(jī)主調(diào)門迅速關(guān)小，除氧器汽源壓力隨之下降，在低負(fù)荷或停機(jī)時(shí)，低壓給水加熱器汽源喪失，導(dǎo)致凝結(jié)水溫度下降，低溫凝結(jié)水注入到除氧器中，導(dǎo)致除氧器內(nèi)壓力進(jìn)一步降低。由于主給水泵入口管道內(nèi)水溫度變化比壓力變化慢得多，同時(shí)從除氧器到主給水泵的管道存水需要一定時(shí)間才能抽完，這就造成了主給水泵吸入口溫度未變化，對應(yīng)的飽和壓力未變化，泵入口實(shí)際壓力逐漸下降，當(dāng)泵內(nèi)最低壓力小于該處水的飽和壓力時(shí)，NPSHa≤NPSHr，泵入口水開始汽化，泵發(fā)生氣蝕。

2 三門核電廠主給水泵防氣蝕方法介紹

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)防止給水泵氣蝕主要有三種方法：①降低凝結(jié)水流量，減少冷水對除氧器的降壓作用；②甩負(fù)荷時(shí)投入備用氣源，穩(wěn)定除氧器壓力；③甩負(fù)荷時(shí)降低給水泵轉(zhuǎn)速，以增大NPSHa，減小NPSHr。三門核電廠由于采用電動(dòng)給水泵，并且沒有變頻器，增速器也不能進(jìn)行調(diào)速，不能降速運(yùn)行，因此采用了前兩種方法進(jìn)行主給水泵NPSH控制。

2.1 汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)對凝結(jié)水進(jìn)行限流

三門核電廠除氧器液位采用單沖量控制，為防止在汽機(jī)甩負(fù)荷時(shí)因凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)響應(yīng)慢導(dǎo)致除氧器壓力過快下降，設(shè)置有凝結(jié)水一級限流模式和二級限流模式。

2.1.1 一級限流模式

當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷，汽機(jī)第一級沖動(dòng)級后蒸汽壓力下降速率超過設(shè)定值時(shí)，一級限流模式觸發(fā)，兩個(gè)凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥開度減小，使流量降低為瞬態(tài)前的30%。

2.1.2 二級限流模式

當(dāng)甩負(fù)荷速率達(dá)到定值，同時(shí)汽輪機(jī)跳機(jī)，將觸發(fā)二級限流模式，直接關(guān)閉兩個(gè)凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥。

2.1.3 限流模式復(fù)位信號

當(dāng)以下任一信號出現(xiàn)時(shí)復(fù)位凝結(jié)水限流模式：①凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥設(shè)為手動(dòng)；②除氧器液位下降至-1100mm；③三臺給水泵流量和小于凝結(jié)水流量，延時(shí)10秒；④軟操界面手動(dòng)復(fù)位；⑤汽機(jī)降負(fù)荷速率低于設(shè)定值且限流模式已持續(xù)60秒；⑥限流模式持續(xù)600秒。

2.2 汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)的除氧器壓力控制

除氧器壓力控制同樣采用單沖量控制，當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷速率達(dá)設(shè)定值時(shí)，NPSH模式投入，當(dāng)除氧器壓力下降速率達(dá)到定值時(shí)（并非除氧器壓力下降到瞬態(tài)前的壓力整定值），開啟壓力控制閥，向除氧器提供輔助蒸汽以維持其壓力。當(dāng)出現(xiàn)以下信號時(shí)，除氧器壓力控制NPSH模式退出：①除氧器壓力控制退出自動(dòng)；②汽輪機(jī)跳閘；③汽機(jī)降負(fù)荷速率低于設(shè)定值且限流模式已持續(xù)60秒；④限流模式持續(xù)600秒；⑤除氧器壓力控制器輸出值（如果除氧器壓力下降速率達(dá)到定值，則為速率限制器設(shè)定值；如果除氧器壓力下降速率小于定值，則為即時(shí)的除氧器壓力值）與瞬態(tài)前整定值的差的絕對值小于0.002MPa。

在汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，除氧器壓力控制NPSH模式可有效限制除氧器壓力下降速率。當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷至跳機(jī)時(shí)，由于凝結(jié)水二級限流動(dòng)作，凝結(jié)水不會進(jìn)入除氧器，除氧器由于自然散熱導(dǎo)致的壓力降低十分緩慢，因此可以退出除氧器壓力控制NPSH模式。

3 三門核電廠主給水泵NPSH控制中存在的問題

在汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，尤其是甩負(fù)荷至停機(jī)時(shí)，二級限流導(dǎo)致凝結(jié)水流量為零，但是此時(shí)反應(yīng)堆由于存在衰變熱或者沒有停堆，蒸汽發(fā)生器還需要給水供應(yīng)，這樣除氧器液位會快速下降。當(dāng)除氧器液位下降至報(bào)警值時(shí)在主控室觸發(fā)報(bào)警，這對于主控室操縱員處理故障以及分析事故原因是不利的，因?yàn)楫惓９r時(shí)，主控室報(bào)警過多會增加操縱員工作量，占用操縱員對優(yōu)先級高的報(bào)警的處理時(shí)間。

對于凝結(jié)水限流模式和除氧器壓力控制NPSH模式可以通過以下方法進(jìn)行改進(jìn)：

當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷至跳機(jī)時(shí)，輔助蒸汽通常是可用的，此時(shí)可以將除氧器壓力控制NPSH模式更改為：在更高的除氧器壓力下投入輔助蒸汽，使除氧器保持較高的壓力，凝結(jié)水可以以小流量向除氧器供水，避免除氧器液位低觸發(fā)報(bào)警。另外，在電廠正常運(yùn)行過程中，操縱員應(yīng)關(guān)注除氧器液位，使其維持在程序液位，避免在甩負(fù)荷時(shí)過早出現(xiàn)除氧器液位低復(fù)位凝結(jié)水限流模式。

4 結(jié)語

主給水泵是核電廠常規(guī)島重要設(shè)備，對于保持蒸發(fā)器液位，導(dǎo)出一回路熱量具有重要作用。通過以上的描述分析，本文得出以下結(jié)論：

（1）汽輪機(jī)甩負(fù)荷工況時(shí)，由于除氧器壓力下降，且工質(zhì)溫度變化較壓力變化存在滯后，主給水泵存在氣蝕的可能。

（2）三門核電廠在汽機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，為了避免主給水泵氣蝕，設(shè)置有凝結(jié)水限流模式和除氧器壓力控制NPSH模式。

（3）三門核電廠甩負(fù)荷工況下的凝結(jié)水限流模式解決了除氧器液位單沖量調(diào)節(jié)的滯后問題。

（4）在異常工況下，為了給操縱員提供更好的操作環(huán)境，減少不必要的報(bào)警，凝結(jié)水限流模式和除氧器壓力控制NPSH模式還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

［1］閆克智.核電廠通用機(jī)械設(shè)備[M].原子能出版社.

［2］朱衛(wèi)東.關(guān)于氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生因素和避免方法的討論[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì).

［3］MHI SMG-GJ-J3-M00003 CI&BOP 控制圖 Rev 5[Z].

［4］郭萬青.甩負(fù)荷工況主給水泵NPSH控制分析[C]//中國核學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集第2冊.