三門核電屏蔽主泵定子腔室氮氣填充工藝改進

摘 要：三門核電有限公司采用了屏蔽主泵，與傳統的壓水堆軸封主泵相比具有諸多優點。文章通過介紹三門核電屏蔽主泵定子腔室氮氣填充工藝，分析該工藝存在的問題，提出定子腔室氮氣填充改進工藝，并分析了該工藝的可行性。通過三門核電冷試和熱試期間的實際應用，確定改進后的工藝具有明顯的優勢，從而為三門核電屏蔽主泵定子腔室氮氣填充工藝改進提供參考。

關鍵詞：屏蔽主泵；定子腔室；氮氣填充工藝

1 屏蔽主泵簡介

1.1 概述

三門核電有限公司（以下簡稱三門核電）2個環路共設置4臺屏蔽主泵（以下簡稱主泵），用于輸送反應堆冷卻劑，使其完成在堆芯、一回路環路以及蒸汽發生器之間的循環。每個環路的1臺蒸汽發生器底部懸掛2臺主泵，泵殼的進、出口分別與蒸汽發生器底封頭出口接管和主管道冷管段焊接，主泵的重量由蒸汽發生器支撐。這種結構設計取消了主泵與蒸汽發生器之間的冷卻劑管道，減小了環路壓降，簡化了蒸汽發生器、主泵和管道支撐系統。

1.2 結構特點

三門核電的主泵是由美國柯蒂斯懷特EMD公司設計的單級、全密封、高轉動慣量、電動屏蔽泵。與泵聯為一體的電機為N-10086-A1系列，為單繞組、四極、三相、屏蔽套式感應電機。主泵由變頻器驅動和維持運行，并通過外置熱交換器和定子冷卻夾套對軸承、飛輪、電機等部件進行冷卻。主泵葉輪布置在電機單元上部，并與電機共用一根軸，取消了聯軸器裝置。轉子組件（包括水力部件和電機轉子）由位于電機上部/下部的徑向軸承以及推力軸承支撐。主泵在其承壓殼體內包容定子組件和轉子組件，承壓邊界包括泵殼、熱屏、定子殼體和定子端蓋等部件，承受一回路介質的全部壓力。電機定子和轉子均設置了密閉耐腐蝕的屏蔽套，避免了定子繞組和轉子繞組與一回路介質接觸。由于葉輪和泵軸包容在壓力邊界內，因此，不需要考慮軸封的泄漏，從而消除了由密封失效引發失水事故的可能性。主泵定子腔室設置有充/排氣孔，用于定子腔室的抽真空與氮氣填充工作。

2 主泵氮氣填充工藝改進的必要性

2.1 主泵氮氣填充工藝概述

主泵定子腔室氮氣的填充工作在每個換料周期均需要實施，目的是為主泵電機定子繞組建立一個良好的運行環境，減少定子繞組在運行過程中與氧氣等氧化物質的直接接觸。在初次氮氣填充操作中，定子腔室內所填充氮氣壓力略高于1個標準大氣壓。

2.2 主泵氮氣填充工藝流程

主泵定子腔室填充氮氣工藝過程為：拆下主泵定子腔室抽真空/氮氣填充法蘭盲板→連接抽真空/氮氣填充管線→便攜式真空泵對定子腔室抽真空→一回路抽真空→一回路充水→氮氣源填充氮氣（0.007MPa～0.01MPa之間且維持10分鐘）→拆下氮氣源并打開定子腔室與大氣連通閥門，定子腔室氮氣壓力與大氣壓接近相同→關閉定子腔室與大氣連通閥門→拆除抽真空/氮氣填充管線→回裝主泵定子腔室抽真空/氮氣填充法蘭盲板。定子腔室氮氣填充流程如圖1所示。

所供氮氣源為15MPa/40L標準氮氣瓶，氮氣填充管路上設置的調節閥為自勵式壓力調節閥（設計壓力為20.6Mpa，整定值為0～0.034Mpa），根據閥門出口壓力調節閥門開度。同時，管路上設置的安全閥用于對定子腔室中氮氣填充提供超壓保護。

2.3 原主泵氮氣填充工藝風險

按照西屋設計，主系統每次充水前都要進行主泵定子腔的抽真空和氮氣填充作業。目前的氮氣填充工藝是從高壓氮氣瓶經過兩道減壓閥，直接對主泵定子腔填充氮氣。此過程中如果壓力調節出現失誤、減壓閥失靈超壓或者人員操作失誤導致主泵定子腔室壓力高于一回路冷卻劑側1psi，會造成主泵定子屏蔽套向轉子腔室側鼓包。定子腔室超壓后，在不解體主泵的情況下無法檢查定子屏蔽套是否鼓包，一旦定子屏蔽套出現鼓包損壞，需要主泵解體才能進行屏蔽套的更換。

主泵屏蔽套更換的主要過程為：拆除主泵吊裝通道的大宗材料→拆除主泵→吊運主泵至熱檢修車間→主泵去污→主泵解體→主泵定子屏蔽套更換→主泵定子屏蔽套試驗→主泵組裝→吊運主泵至蒸發器隔間→回裝主泵→回裝主泵通道的大宗材料。從以上工序可以看出，主泵屏蔽套的更換不僅復雜且維修難度大，將會給核電廠帶來嚴重的影響。

3 主泵定子腔室氮氣填充工藝改進

為了避免出現主泵定子屏蔽套向轉子腔室側鼓包的風險，確保主泵氮氣填充的順利進行，縮短核電廠停堆時間，減少主泵故障對核電廠造成的經濟性影響，本文提出采用中間過渡的方式對目前的氮氣回填工藝進行改進。

3.1 改進后主泵定子腔室氮氣填充工藝路徑

改進后氮氣填充工藝在高壓氮氣瓶和氮氣填充管線間增加緩沖罐裝置，緩沖罐作為一種中間過渡的安全裝置，避免主泵定子腔室壓力意外快速上升。緩沖罐設計壓力為1.05MPa，并設置有壓力表，用于檢測充入緩沖罐內的壓力。

改進后的定子腔室氮氣填充工藝過程為：拆下主泵定子腔室抽真空/氮氣填充法蘭盲板→連接抽真空/氮氣填充管線→便攜式真空泵對定子腔室抽真空→一回路抽真空→一回路充水→將高壓氮氣瓶、緩沖罐裝置連接至抽真空/氮氣填充管線→氮氣源填充氮氣（0.007MPa～0.01MPa）之間且維持10分鐘）→拆下氮氣源并打開定子腔室與大氣連通閥門，定子腔室氮氣壓力與大氣壓相同→關閉定子腔室與大氣連通閥門→拆除抽真空/氮氣填充管線→回裝主泵定子腔室抽真空/氮氣填充法蘭盲板。改進后定子腔室氮氣填充流程如圖2所示。

3.2 改進后主泵定子腔室氮氣填充工藝實施過程

試驗過程中，先進行一個環路兩臺主泵定子腔室的氮氣回填，再進行第二環路兩臺主泵的氮氣回填。氮氣填充工藝實施步驟：

（1）完成氮氣填充在線，并準備兩瓶高壓氮氣瓶；

（2）利用氮氣瓶內高壓氮氣對緩沖罐進行吹掃；

（3）連接好緩沖罐與系統快速接頭；

（4）控制氮氣瓶減壓閥，觀察緩沖罐上壓力表，將緩沖罐內氮氣壓力控制在 0.2MPa左右；

（5）慢慢打開氮氣供應調節閥調節氮氣回填速度，同時密切監視主泵定子腔室壓力，確認氮氣壓力升高速度可控；

（6）將主泵定子腔室壓力升至0.007MPa～0.01MPa，停止氮氣回填。

3.3 主泵定子腔室氮氣填充過程經驗反饋

在三門核電一號機組冷試和熱試期間，均出現過氮氣填充管路的調節閥不能實現背壓控制功能（不能將閥后壓力控制在0.034MPa以內），故必須采用其他的減壓措施來防止設備超壓。增加緩沖罐以后，為氮氣瓶出口的高壓氮氣提供了足夠的膨脹空間，以更加可控的方式進行氮氣回填，即使出現意外情況，也不會導致主泵定子屏蔽套的損壞。

系統運行規程規定在一回路充水后，壓力在0MPa時進行氮氣回填工作，為了進一步降低氮氣回填的風險，規程將氮氣回填步驟放在一回路壓力升至2.2MPa時進行。氮氣回填工作時間延后執行，期間如果主泵定子腔室真空度出現降低現象，可重新對定子腔室抽真空。

3.4 主泵定子腔室氮氣填充工藝建議

由于調試工期緊迫，前期采購的緩沖罐為廠家標準容器，容積為1m3，重量達200kg，不便于現場運輸及儲存。后續可考慮將緩沖罐更換成柔性的氮氣包，氮氣填充時先將高壓氮氣瓶內的氮氣充入柔性材料制作的氮氣包內，充填壓力略高于大氣壓力，氮氣包的容積略大于主泵定子腔與管路總的容積。后續，氮氣包接入主泵抽真空/氮氣填充管線向主泵定子腔室充入氮氣。由于氮氣包外部一直受大氣壓作用，氮氣填充過程是一個恒壓過程，不會出現超壓情況。另外，柔性氮氣包可以折疊，運輸和儲存都很方便。

氮氣回填工藝增加的緩沖罐是調試期間使用的工器具，不屬于電廠正式設計的設備，不利于電站運行期間的正常使用。建議后續機組改進電站系統設計，在高壓氮氣瓶和氮氣填充管線間增加緩沖裝置，避免出現主泵定子屏蔽套向定子腔室側鼓包風險。

主泵定子腔室上部氮氣填充法蘭空間狹窄，法蘭安裝質量不穩定，并且頻繁拆裝容易造成主泵本體上螺紋底孔的損傷。建議在主泵定子腔室抽氮氣填充法蘭后增加一段帶有法蘭的直管。

4 結束語

通過本文分析可以看出，三門核電屏蔽主泵定子腔室氮氣填充工藝改進是必要的，并在一號機組冷試和熱試期間驗證后是可行的。通過在高壓氮氣瓶和抽真空/氮氣填充管線間增加緩沖罐裝置，大大降低在壓力調節出現失誤、減壓閥失靈超壓或者人員操作失誤導致主泵定子屏蔽套向定子腔室側鼓包的風險，為主泵氮氣填充工藝的順利進行提供了可靠的保障，從而減少主泵故障對核電廠造成的經濟性影響。

另外，后續類似核電項目的屏蔽主泵，建議在定子腔室氮氣填充工藝設計階段增加中間緩沖裝置，避免出現主泵定子屏蔽套鼓包風險，確保屏蔽主泵氮氣填充工藝的順利進行。

參考文獻

[1]美國西屋公司.AP1000反應堆冷卻劑泵[J].黃成銘譯.國外核動力，2007（6）.

[2]李松，董寶澤.淺談三門核電廠屏蔽主泵維修方案規劃[M].核電，2014.