M310 核電站機組主給水泵暖泵的完善措施探討

張 赟

（海南核電有限公司，海南昌江 572733）

0 引言

國內某核電廠每臺機組設有3 臺主給水泵（APA），當出現異常突發情況時，備用泵自動啟動。由于泵出口到高壓加熱器系統入口之間管道存在一部分給水沒有被充分加熱，這部分給水進入高壓加熱系統后，將會導致高壓加熱器殼側蒸汽被大量冷凝，極有可能觸發高壓加熱器水位三高信號，致使高壓加熱器解列，嚴重情況下還可能導致停機停堆。

1 主給水泵結構和回路系統概述

1.1 電動給水泵的結構

電動給水泵組由吸入級泵（前置泵）、壓力級泵、電機、液力耦合器以及增速齒輪箱等主要部件組成。電機軸的一端直接驅動前置泵，軸的另一端通過液力耦合器和增速齒輪箱帶動壓力級泵。前置泵由一臺功率為7700 kW 的鼠籠式異步電機直接驅動，額定轉速為1495 r/min；壓力級泵由電機軸的另一端通過增速齒輪及渦輪液力聯軸器驅動，額定轉速為5780 r/min。APA 泵系統流程如圖1 所示。

圖1 APA 泵系統流程

1.2 給水泵的給水主回路系統

電動給水泵的前置泵和壓力級泵均屬臥式、單級雙吸泵。除氧器來的水經過三條降水管、前置泵入口電動隔離閥（APA101/201/301VL）、異徑接頭，進入前置泵（APA101/201/301PO），再從前置泵出口經裝有異徑接頭，流量測量孔板的泵間聯絡管（聯絡管上安裝有過濾器APA101/201/301FI，此管與前置泵為法蘭連接，與壓力級泵為焊接）進入壓力級泵（APA102/202/302PO），然后經出口逆止閥和電動隔離閥送往高壓給水加熱器。在壓力級泵與出口逆止閥之間設有再循環管線以保證泵的安全運行，每條再循環管線上有一只再循環流量調節閥（APA106/206/306VL）。

2 正常備用狀態下備用泵的暖泵

2.1 在正常備用情況下暖泵操作

備用泵暖泵情況如圖2 所示（以1APA101/102PO 為例）根據操作票要求如下：

圖2 主給水泵暖泵系統流程

（1）確認泵處于啟動前的停運狀態，已完成沖水、排氣操作。

（2）開啟1APA101VL。

（3）開啟1APA121/131/123/124/132/125/126VL。

（4）1APA121VL 下游溫度達到60 ℃時，關閉1APA121VL。

（5）1APA124VL 下游溫度達到約60 ℃時，關閉1APA123/124VL。

（6）1APA126VL 下游溫度上升高到約90 ℃時，關閉1APA125/126VL。

（7）關閉1APA131/132VL，如果不立即啟動1APA102PO，則保持1APA132VL 一小開度，保證有水持續流過泵體。

在該工況下，備用泵主要通過1APA131/132VL 進行暖泵，使其處于熱備用狀態。

2.2 針對除氧器到給水泵入口的技改措施及效果

根據某核電變更改造設計方案：APA 泵增加暖泵管（HNJD315-2015-APA-001），在每臺電動給水泵中壓管線上開孔，引出一列Ф42.2×4.85 mm 的管線，三列引出管線匯成一條母管進行暖泵。每列引出的支管上增加兩個閥門，分別為1APA401/402/403/404/405/406VL，整個管線共安裝12 個支吊架。

主給水泵暖泵技改流程如圖3 所示：以3#泵備用為例，正常運行情況下，來自1APA101PO/201PO 的給水經過跨接管線，通過閥門1APA401/402/403/404VL 到達匯流母管，到達匯流母管的給水有兩條路徑可以返回除氧器，其中之一是經過1APA301PO反向回流到除氧器（以下稱之為路徑一），以此來加熱除氧器到備用主給水泵入口管道內的水，從而實現暖泵的目的。經現場測量，該段管道上溫度基本維持在130 ℃左右，暖泵效果充分。另一個路徑為經過過濾器、跨接管線和壓力級泵，從小流量管線返回除氧器（以下稱之為路徑二）。經過現場實地查看小流量管線的布置得知，小流量管線返回到除氧器水箱上部，與路徑一中的返回點（除氧器底部）存在一定的高度差，同時由于過濾器、跨接管線、壓力級泵以及小流量管線上的閥門彎管等存在較大的沿程阻力、局部阻力和摩擦阻力，使得流體沿路徑二的阻力損失大大增加。在同等的情況下，給水必定流向阻力損失較小的一面，因此可以判斷出到達回流母管的給水首先經過前置泵反向流到除氧器，而路徑二當中的給水基本處于不流動狀態，因此路徑二達不到良好地暖泵效果，這也就是在就地測量壓力級泵出口水溫僅30 ℃左右的原因。針對這一不良狀況，將提出應對策略。

圖3 主給水泵暖泵技改流程

2.3 系統中沒有被充分加熱的部分

雖然主給水泵存在正常暖泵管線，但在系統中仍存在一部分水路是無法加熱的（主給水泵出口逆止閥到高壓加熱器入口母管），這部分管道直徑為406 mm，從常規島廠房-7.2 m 連接到高加入口母管，管道中存在大量的冷水，當機組出現異常情況，如正常運行泵出現重大安全隱患或是故障跳閘時，這部分冷水將會被直接打入到高壓加熱器中，由于冷水進入傳熱管內，將致使高壓加熱器的抽汽大量冷凝，使得高加水位迅速上升，當高加水位快速上漲達到三高液位時，將導致高壓加熱器系統解列，使機組效率大幅下降，核功率上漲，根據G03 規程要求，一列高壓加熱器停運，汽輪發電機降功率至70%額定功率以下運行。

另外，經過實地測量主給水泵出口到高壓加熱器入口母管這一段水溫僅30 ℃左右，這一段冷水進入高加傳熱管，由于溫差較大，將會導致傳熱管受熱不均勻，產生應力，經過多次的應力效果之后將存在致使傳熱管應力破裂或斷裂的風險。

3 根據實地數據進行粗略計算

根據實地測量數據和主控數據對暖泵過程中無法實現暖泵的那一部分管道中的冷水進入高加的這一過程進行簡單粗略的計算。計算過程中作如下4 點假設：

（1）整個熱力計算過程中沒有熱量散失。

（2）管道內的流體都是理想流體。

（3）忽略管道的沿程阻力和局部阻力損失。

（4）假定沒有被加熱的冷水溫度升高所需的能量全部來自于高加抽氣的水蒸氣的凝結潛熱。

3.1 數據采集

本次采集的數據來自海南昌江核電一號機組75%功率運行時的數據。5A 高加抽氣溫度為170.9 ℃，抽氣壓力為0.73 MPa.g；5A 高加給水出口溫度169.6 ℃，壓力7.74 MPa.g；經過現場采集得到備用主給水泵壓力級泵出口給水溫度約為30 ℃左右。主給水管道直徑D 為406 mm，沒有被加熱的那段主給水管道長度L為40 m 左右。

3.2 理論計算

沒有被加熱的主給水管道中的總水量：

其中π 取3.14，D 為主給水管道直徑，L 為主給水管道長度，P 為給水密度，取1000 kg/m3。

依次將數據帶入公式（1）中可以得到主給水總量為：M1=3.14×0.406×0.406×40×1000/4=5176 kg

假定這部分水全部在5A 和5B 高加中加熱到169.6 ℃，則加熱這部分水所需能量為：

其中M1為總水量，H1為水的初始比焓（40 ℃），H2為水加熱后的比焓（169.6 ℃）

經過水和水蒸氣物性參數表或經軟件測算得到H1=132.9 kJ/kg，H2=721.4 kJ/kg，水和水蒸氣物性參數如圖4 所示。

圖4 水和水蒸氣物性參數

將上述數據帶入公式（2）中可以得到所需吸收的熱量Q1=5176×（721.4-132.9）=3 046 076 kJ。

假定這一部分給水所吸收的熱量全部來自于蒸汽的凝結潛熱Q2，同時由于蒸汽在汽輪機內做功之后再被抽到高加進行加熱給水，因此蒸汽存在一定的濕度，取蒸汽濕度為14%，因此便可以得到由于加熱給水而產生冷凝的蒸汽質量M2，如公式（3）所示：

其中Q1為水加熱到169.6℃吸收的總熱量，Q2為蒸汽冷凝時的凝結潛熱，經過水和水蒸氣物性參數表或軟件計算可以得到Q2=1854.2kJ/kg，水和水蒸氣物性參數如圖5 所示。

圖5 水和水蒸氣物性參數

將上述數據代入公式（3）可以得到被凝結的蒸汽質量M2=3 046 076/（1854.2×0.86）=1910.2 kg。由于某核電高加分為兩列（A/B），所以針對每一列高加，在5A 和5B 高加中將會多產生955.1 kg 的冷凝水。

由于高加體積較小，且其中含有大量的傳熱管占去了大量體積，瞬時產生的大量凝結水會造成高加水位上升，使水位產生大的波動，可能觸發高加水位三高信號致使高加隔離，另一方面由于大量的溫度低的冷水快速進入到高加傳熱管內，造成傳熱管內外溫度偏差過大，使得其內外表面受熱不均勻，從而產生較大的熱應力，長期以往將會使材料產生應力疲勞損壞，最終致使高加傳熱管破裂或者斷裂，從而使得高加滿水解列，甚至機組停機停堆。

4 主給水泵切換時的完善措施（結合實例）

由于在主給水泵暖泵期間，存在主給水泵出口到高加入口管道無法實現暖管，因此，下面結合實例分析主給水泵切換時的完善措施。

2016 年2 月12 日，1 號機組正處于功率運行狀態，現場反饋在1APA301PO 聯軸器回油管處有大量漏油現象，油位計已接近低限。機械人員對現場進行緊急處理的同時，主控操縱員按照運行規程對1APA201PO 進行暖泵工作，做好將1APA301PO 切換至1APA201PO 運行的準備。現場確認1AP201PO 暖泵時發現1APA232VL 處于開啟狀態，壓力級泵出口溫度為79.3 ℃，主控關閉1APA203VL 后啟動1APA201PO 進行小流量循環暖泵，并下令讓現場手動打開1APA227/228VL，壓力級泵出口溫度緩慢上漲到85 ℃平穩后關閉，為了進行小流量管道引出處到高加進口這段給水管道的暖管，下令現場將1APA203VL 切到就地，手動打開1APA203VL 到5%左右開度，主控緩慢提高勺管輸出至1APA201PO 有出力，此時壓力級泵出口溫度緩慢上漲，最終穩定在139.3 ℃，此時暖泵工作已完成充分，主控逐漸減小勺管輸出至1APA201PO 沒有出力，并讓現場手動關閉1APA203VL 后將閥門控制切至遠方。主控將1APA203VL 手動打開并放自動。同時考慮到冷水進入高加會觸發高加水位高三信號而隔離高加，使進入SG 水變冷引起SG 水位波動，實施TCA 閉鎖高加水位高三信號。

機械檢查現場后反饋現場漏油點無法在線緊固，需要停運油系統，主控決策將1APA301PO 切換至1APA201PO 運行。主控操縱員執行運行規程，提高1APA201PO 出力，同時減小1APA301PO 出力，逐漸將1APA301PO 退出運行并停運，期間蒸汽發生器水位穩定，機組各參數均穩定。

通過暖泵實例，結合某核電對于主給水泵暖泵措施的技改，可以對目前運行處生效使用的暖泵操作票進行如下3 點完善：

（1）由于某核電主給水泵在正暖的基礎之上還采取了倒暖的設計更改，使得處于運行狀態的主給水泵的一部分熱水可以經過技改之后的跨接管線反向流經處于備用狀態的主給水泵，然后回流到除氧器，如圖3 所示，這一設計可以使備用主給水泵前置泵到除氧器這一段管線中有熱水流動，保證了水的溫度提升和水溫的均勻性，經過實地測量，這一段管線水溫125 ℃左右，已經達到良好的暖泵效果。因此暖泵操作票中1APA121VL 和1APA131VL其實不必要再進行開啟措施。

（2）經過實地查看和測量，從前置泵到壓力級泵之間的跨接管線線路較短，如圖3 所示，存水量較小，且可以從過濾器處獲得反向傳熱，當泵啟動時，首先進行小流量循環到除氧器，由于除氧器是臥式布置，且容積較大，這一部分水進入除氧器，對除氧器的液位和溫度的影響可以忽略不計，因此這一段管線不需要開閥進行暖泵，所以暖泵操作票中的開啟1APA123/124VL 其實是不必要的。再者如果事先開閥對該管段進行了暖管，由于不啟動，管道內的水也會逐漸冷卻下來，所以暖泵效果不盡如人意。

（3）通過上述實例可以看出，2#主給水泵流程如圖6 所示，當進行1AP201PO 暖泵時發現1APA232VL 處于開啟狀態，壓力級泵出口溫度為79.3 ℃，主控關閉1APA203VL 后啟動1APA201PO 進行小流量循環暖泵，并下令讓現場手動打開1APA225/226/227/228VL，壓力級泵出口溫度緩慢上漲到85 ℃（1APA252KT）平穩后關閉，為了進行小流量管道引出處到高加進口這段給水管道的暖管，下令現場將1APA203VL 切到就地，手動打開1APA203VL 到5%左右開度，主控緩慢提高勺管輸出至1APA201PO 有出力，此時壓力級泵出口溫度緩慢上漲，最終穩定在139.3 ℃，此時暖泵工作已完成充分。從中可以看出，雖然啟泵進行小流量循環，同時開啟疏水閥，但暖泵效果并不好，溫度僅僅只是上升了5 ℃左右，壓力級泵出口水溫和主給水泵出口母管的溫差還有55 ℃之多，這大量的冷水進入勢必會導致高加傳熱管產生熱應力同時造成水溫波動。因此在暖泵操作中可以加入如下內容：將1APA203VL 切到就地，手動打開1APA203VL 到5%左右開度，主控緩慢提高勺管輸出至1APA201PO有出力，此時壓力級泵出口溫度緩慢上漲，最終穩定后主控主給水泵勺管壓力降低至不出力，現場將1APA203VL 開至全開然后將控制方式切至遠方，主控進行啟泵操作。

圖6 2#主給水泵流程

通過上述論證，本著提高暖泵效率同時減少現場工作的原則，主給水泵暖泵措施可以更改和完善成：

（1）確認泵處于啟動前的停運狀態，已完成沖水排氣操作。

（2）關閉1APA131/132VL，啟動主給水泵進行小流量循環，監測泵出口溫度。

（3）待泵出口溫度穩定后，開啟1APA125/126VL，監測泵出口溫度穩定后關閉。

（4）下令現場將1APA103VL（以1#泵為例）切至手動，并開啟到5%左右開度。

（5）主控逐漸提高主給水泵勺管輸出，使主給水泵有給水輸出，并監測主給水泵出口管道溫度，當溫度穩定后，逐漸減少勺管輸出，使主給水泵不出力。

（6）下令現場將1APA103VL 手動全開，并將控制方式切至遠方。

（7）主控根據規程進行切泵操作。

（8）如果不立即啟動1APA102PO，則保持1APA132VL 一小開度，保證有水持續流過泵體。

經過機組上的真實事例，在正暖和倒暖[1]基礎上進行完善后，采用上述方法進行暖泵能達到比較理想的效果，在暖泵結束后切換主給水泵期間，高壓加熱系統水位穩定，沒有出現大幅波動，蒸汽發生器水位也穩定在-0.02 m 到+0.02 m 之間。不論在緊急情況還是正常切換泵，只要時間允許，采用該方法進行主給水泵的暖泵，均能收到良好效果。

5 緊急情況下備用泵自動啟動工況的暖泵的一種設想

上述探究得出的結果主要適用于切泵時間充沛的情況，對于核電站中出現的一些電廠瞬態，導致主給水泵自動啟動向蒸汽發生器供水的異常情況來說，這些措施達不到暖泵的效果，從緊急情況出發，探究并提出緊急情況下主給水泵暖泵措施和設想，該設想僅限于理論可行階段。

從最根本出發進行分析，導致主給水泵暖泵效果不好的原因主要在于管道內的水沒有產生流動，所以研究的方向是如何才能使管道內的水合理的流動起來，同時對泵和其他設備不產生損害和影響。借鑒某核電主給水泵暖泵的技改措施，提出了如下兩個設想。

第一是應對某核電主給水泵暖泵的技改措施中給水只能經過路徑一進行流動而不能實現由路徑二流動的設想。存在此類現狀的原因主要是由于技改管線的壓力較低，使到達備用泵前置泵出口的給水沒有足夠的壓力克服路徑二中的壓力損失以及路徑一的分流作用。要解決上述問題可以從提高給水壓力和限制分流兩方面著手。由于給水來自于運行泵的前置泵出口，要提高壓力就必須增加取水管線的直徑，抽取足夠多的給水，但這樣做會大大增加前置泵的負擔，影響正常給水泵的運行，顯然不可取。如此可從限制路徑一的分流方面考慮，在此種情況下，可在除氧器到主給水泵前置泵入口的管道上安裝一個逆止閥，設想一流程如圖7 所示，由此來限制給水經過路徑一倒流的情況，同時保證到達匯流母管的給水壓力足以克服跨接管線和小流量管線的沿程阻力損失、摩擦阻力損失、局部阻力損失和位差損失，這樣便可使給水通過路徑二成功流到除氧器，從而實現對管道和泵體內流體的預暖效果，采用該種方案還可以避免由于給水倒流造成前置泵反轉。但采用該種暖泵措施還存在一定的不足，采用該種措施不能實現主給水泵出口到高壓加熱器入口母管之間流體的預暖。

圖7 設想一流程

第二是通過改變現有的主給水泵暖泵技改措施，實現主給水泵出口到高壓加熱器入口母管之間流體的預暖的設想。如在第一種設想中所提到的，由于取水點來自于前置泵出口，壓力較低而存在的不足，可以將之前某核電主給水泵暖泵的技改措施中取水點從運行泵的前置泵出口改為備用泵壓力級泵出口逆止閥后的管道。從該管道上引出一路水源代替某核電主給水泵暖泵的技改措施中的水源。類似于小流量循環，同時在引出線上增加兩道手動隔離閥，泵正常備用時手動隔離閥打開，泵啟動后關閉，設想二流程如圖8 所示。

圖8 設想二流程

該設想采用的是倒暖[1]方式。采用該種暖泵方式，備用主給水泵出口到高壓加熱器入口管道中的水便可經過“路徑一”和“路徑二”流到除氧器中，同時對沿途的管道和泵體進行加熱，如果“路徑一”的分流影響過大或前置泵反轉，可結合第一種設想中提到的在除氧器到主給水泵前置泵的管道上安裝逆止閥的方法，如此便可使來自主給水泵出口管道和跨接管線內的水流動起來，達到良好的暖泵效果。

但是采用該種方案面臨一個重要的問題就是：來自主給水母管的高壓力會導致主給水泵前置泵倒轉，同時高壓力還會對其他設備造成損害，因此該方案要面臨的一個問題就是降壓。如此便可采用一個降壓裝置對來自主給水母管的給水進行降壓到該壓力范圍，這樣便可保證在不使主給水泵前置泵倒轉的情況下，使整個處于備用狀態的泵的給水管道內水流動起來，從而達到良好的暖泵效果，這樣不論在正常切泵工況還是緊急工況都不需要在進行一系列的暖泵措施，從而避免了緊急工況下備用泵自動啟動導致冷水進入高加造成高加解列或者更嚴重的事件發生。

該方案目前僅限于理論研究階段，對于管路水力模型計算得出合理的壓力范圍以及改造所增加的投資和回報將是接下來要努力探究的方向。

6 結束語

海南昌江核電1 號機組主給水泵系統在暖泵方面即采用了正暖的方式，同時還兼顧了倒暖措施。在正常工況下，采用完善后的暖泵措施進行暖泵，能達到預期的良好效果，但在緊急工況下由于暖泵效果不充分，還存在一定的不足，針對這一情況，提出了一個暖泵設想，希望通過論證和現場實踐能對主給水泵暖泵進行改善。