HTR-PM主氦風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性研究

嚴(yán)義杰，石清鑫，王天柱，龐順，陳光建，敬小磊，趙峰，葉林

（1.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264300；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710049）

HTR-PM主氦風(fēng)機(jī)為立式單級(jí)離心風(fēng)機(jī)，位于蒸汽發(fā)生器頂端的壓力容器內(nèi)部，其周圍工作環(huán)境為一回路介質(zhì)。葉輪懸臂安裝于驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸端，穿軸處設(shè)有迷宮密封裝置阻止下側(cè)風(fēng)機(jī)腔250℃氦氣直接流入電機(jī)腔。主氦風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為大型、立式、高速變頻調(diào)節(jié)，采用了大量的創(chuàng)新技術(shù)，突破了大型立式機(jī)組的轉(zhuǎn)速范圍和結(jié)構(gòu)型式，在國(guó)際上還沒有容量相當(dāng)、結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品，屬于國(guó)際首臺(tái)套采用電磁懸浮軸承的反應(yīng)堆設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫氣冷堆技術(shù)都非常重視，各自均針對(duì)自身堆型的特點(diǎn)開展了一回路風(fēng)機(jī)的研發(fā)。陳卓采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法對(duì)HTR-PM主氦風(fēng)機(jī)葉輪的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究，分析總結(jié)了主氦風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)的改變對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，并對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。陳志先采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)主氦風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉入口安裝角的幾何優(yōu)化進(jìn)行了研究，并開展了設(shè)計(jì)流量下的非定常流計(jì)算，分析了流道內(nèi)壓力脈動(dòng)的變化規(guī)律。趙欣等人利用數(shù)值模擬方法對(duì)主氦風(fēng)機(jī)試驗(yàn)回路氦氣流動(dòng)特性開展研究，分析了不同彎徑比90°彎頭的流動(dòng)特性。本文結(jié)合高溫氣冷堆現(xiàn)場(chǎng)開展了主氦風(fēng)機(jī)的冷態(tài)及熱態(tài)性能試驗(yàn)研究，確定導(dǎo)致主氦風(fēng)機(jī)實(shí)際特性發(fā)生偏離的主要原因，并給出了獲得主氦風(fēng)機(jī)實(shí)際性能曲線與經(jīng)驗(yàn)公式的方法，為HTR-PM的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。

1 主氦風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)特性分析

根據(jù)HTR-PM的運(yùn)行需求，一回路氦氣流量需根據(jù)反應(yīng)堆功率調(diào)整。受一回路內(nèi)高溫高壓高輻照環(huán)境影響，無法在主氦風(fēng)機(jī)進(jìn)出口安裝調(diào)節(jié)閥門，故采用變頻調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)一回路流量可調(diào)，因此主氦風(fēng)機(jī)主要特性為不同轉(zhuǎn)速下的流量與壓升。同時(shí)考慮到實(shí)際運(yùn)行時(shí)工質(zhì)受溫度與壓力的影響會(huì)發(fā)生變化，通過理想氣體狀態(tài)方程將工質(zhì)密度進(jìn)行換算，可得到主氦風(fēng)機(jī)理論特性公式。

式中，a1為理論體積流量系數(shù)；b1為理論質(zhì)量流量系數(shù)；d1為理論壓力升系數(shù)；e1為理論功率系數(shù)。從公式（1）、（2）、（3）、（4）可以看出，主氦風(fēng)機(jī)的理論流量、壓力升、功率分別與轉(zhuǎn)速的一次方、二次方、三次方成正比。在工廠試驗(yàn)平臺(tái)開展了主氦風(fēng)機(jī)樣機(jī)的性能試驗(yàn)，基于主氦風(fēng)機(jī)流量、壓力升、功率分別與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，獲取得到主氦風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)性能曲線及風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)在其上的分布，如圖1所示。

圖1 主氦風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)特性曲線

2 主氦風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

在示范工程的主氦風(fēng)機(jī)及其管路系統(tǒng)上開展相關(guān)試驗(yàn)。風(fēng)機(jī)入口流量通過在一回路的冷氦氣上升管中安裝核安全級(jí)彎管流量傳感器進(jìn)行測(cè)量。風(fēng)機(jī)入口溫度通過安裝于風(fēng)機(jī)入口管道內(nèi)的溫度傳感器測(cè)量，風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道處安裝壓力傳感器測(cè)量入口處靜壓，并通過進(jìn)出口差壓變送器測(cè)量風(fēng)機(jī)進(jìn)出口之間的靜壓差。通過電機(jī)綜合保護(hù)測(cè)量裝置測(cè)量電機(jī)輸出軸功率。

2.2 試驗(yàn)主要內(nèi)容

（1）冷態(tài)試驗(yàn)。介質(zhì)為空氣，進(jìn)氣溫度為室溫，驗(yàn)證主氦風(fēng)機(jī)在空氣氛圍下的性能。根據(jù)不同轉(zhuǎn)速區(qū)分工況，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為400～4000r/min。每個(gè)工況處于穩(wěn)定后記錄測(cè)試參數(shù)。

（2）熱態(tài)試驗(yàn)。介質(zhì)為氦氣，在起機(jī)過程中，用主氦風(fēng)機(jī)功率使一回路氦氣介質(zhì)升溫，使一回路介質(zhì)達(dá)到熱態(tài)工況，進(jìn)行主氦風(fēng)機(jī)的熱態(tài)性能試驗(yàn)。風(fēng)機(jī)進(jìn)口介質(zhì)溫度穩(wěn)定在225℃左右，進(jìn)口壓力根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況維持在5.26MPa,根據(jù)不同轉(zhuǎn)速區(qū)分工況，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為400～4000r/min。每個(gè)工況處于穩(wěn)定后記錄測(cè)試參數(shù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

（1)冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析。主氦風(fēng)機(jī)冷態(tài)試驗(yàn)主要測(cè)試結(jié)果如表1所示。為了對(duì)比說明風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)性能與實(shí)際性能的偏差，將冷態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果示于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)變速性能曲線上。

表1 冷態(tài)性能試驗(yàn)主要測(cè)試結(jié)果

根據(jù)冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際管網(wǎng)系統(tǒng)阻力偏離設(shè)計(jì)工況，而風(fēng)機(jī)實(shí)際性能與樣機(jī)性能基本吻合。

（2）熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析。主氦風(fēng)機(jī)熱態(tài)試驗(yàn)主要測(cè)試結(jié)果如表2所示。為了對(duì)比說明風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)性能與實(shí)際性能的偏差，將熱態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)示于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)變速性能曲線上，在熱態(tài)性能試驗(yàn)過程中，風(fēng)機(jī)管網(wǎng)阻力曲線偏離設(shè)計(jì)工況，且未通過風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行區(qū)。根據(jù)運(yùn)行點(diǎn)的分布對(duì)比可知，風(fēng)機(jī)實(shí)際出力與樣機(jī)性能試驗(yàn)基本吻合。

表2 熱態(tài)性能試驗(yàn)主要測(cè)試結(jié)果

（3）各性能參數(shù)與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系分析。經(jīng)過HTR-PM現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試，得到主氦風(fēng)機(jī)各主要性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，如圖2所示。

圖2 主氦風(fēng)機(jī)實(shí)際特性曲線

經(jīng)過對(duì)曲線進(jìn)行擬合，可以得到HTR-PM主氦風(fēng)機(jī)實(shí)際特性公式。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比主氦風(fēng)機(jī)理論特性曲線與實(shí)測(cè)特性曲線，可以得出以下結(jié)論：

（1）受HTR-PM物理特性影響，在主氦風(fēng)機(jī)性能測(cè)試期間，一回路燃料安裝高度僅為6m左右，與堆芯滿裝載時(shí)的堆芯高度（11m）差距較大，導(dǎo)致一回路阻力低于設(shè)計(jì)工況，使得主氦風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)發(fā)生偏移，往高流量及低壓力區(qū)域偏移；即在4000r/min額定設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機(jī)流量較設(shè)計(jì)值偏大，而風(fēng)機(jī)靜壓升與功率較設(shè)計(jì)值偏小；（2）由于主氦風(fēng)機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況，氦氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)與設(shè)計(jì)工況發(fā)生偏離，導(dǎo)致其壓力升-轉(zhuǎn)速、功率-轉(zhuǎn)速的公式不在嚴(yán)格遵循二次方與三次方的關(guān)系，而是體現(xiàn)為多項(xiàng)式的形式；（3）主氦風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，流量的線性關(guān)系保持的較好，但由于主氦風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板的影響，在低轉(zhuǎn)速（＜1000rpm）工況下，主氦風(fēng)機(jī)提供的壓頭未能克服進(jìn)口擋板的重力，導(dǎo)致進(jìn)口擋板未能完全開啟，流量-轉(zhuǎn)速曲線存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且在該工況下，流量存在一定幅度波動(dòng)。

3 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)HTR-PM主氦風(fēng)機(jī)理論特性與實(shí)際性能比較分析，可以確定主氦風(fēng)機(jī)的能力能夠滿足HTR-PM的運(yùn)行需求，且使用線性方程式、二次多項(xiàng)式與三次多項(xiàng)式對(duì)主氦風(fēng)機(jī)實(shí)際測(cè)得的流量-轉(zhuǎn)速、壓力升-轉(zhuǎn)速、功率-轉(zhuǎn)速結(jié)果進(jìn)行擬合，可以獲得精度很高的性能公式，以滿足HTR-PM一回路流量自動(dòng)控制與全場(chǎng)功率協(xié)調(diào)控制的相關(guān)需求。

但一回路阻力偏離設(shè)計(jì)值會(huì)對(duì)主氦風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能造成影響，需要對(duì)主氦風(fēng)機(jī)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行以下調(diào)整：

（1）一回路阻力偏小，為避免主氦風(fēng)機(jī)超功率運(yùn)行，同時(shí)滿足堆芯冷卻流量的需求，需要適當(dāng)降低主氦風(fēng)機(jī)額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速，預(yù)計(jì)正常運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速約為3600rpm。（2）受主氦風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板的影響，主氦風(fēng)機(jī)的最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速需大于1000rpm，否則，風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板無法穩(wěn)定開啟，導(dǎo)致主氦風(fēng)機(jī)入口流量波動(dòng)較大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痫L(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行。

HTR-PM主氦風(fēng)機(jī)將長(zhǎng)期偏離理論工況點(diǎn)，實(shí)際進(jìn)出口角與理論進(jìn)出口角存在較大偏差，氣流對(duì)葉輪的沖擊變大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的振動(dòng)變大，葉片工作效率降低，對(duì)設(shè)備的性能會(huì)造成不利影響。