湿绕组泵与屏蔽泵在核电机组调试时的差异性分析1)

刘 洋1,纳红卫,黄 勇

(国核工程有限公司调试中心,上海 200233)

1 主泵调试简介

主泵作为反应堆冷却剂动力源,在正常运行期间,提供一回路冷却剂强制循环动力。在失去强制循环时,主泵需有足够的转动惯量,确保冷却剂循环并移出衰变热,保证堆芯不发生偏离泡核沸腾。另外,主泵的设计要求能够防止其转动部件形成飞射物,避免影响其他安全相关物项。主泵选型可分为两大类：屏蔽泵和轴密封泵。但由于屏蔽泵的弊端,近年提出采用湿绕组泵作为核电主泵。

在调试期间,需对主泵各项性能参数进行验证,保证主泵可以按照设计要求实现功能,并安全稳定运行。根据核电厂调试程序HAD103/02,调试期间主泵试验中需要验证以下内容：过载保护和短路保护,整定值和满负荷运行电流之间的裕量,绝缘试验,电源电压,相序检验,中线电流(湿绕组主泵基础电气检查、绝缘试验),旋转方向,带负荷下加速度,瞬态工况(泵启动)对管道的影响,振动,在规定的冷态和热态启动条件下的温升,相电流,承载能力与时间及负荷(发电机)的特性曲线,密封冷却,流量特性和压力特性,带负荷下加速度,润滑,反应堆冷却剂流量,通过满载堆芯和冷却剂系统主要部件时的压差,瞬态工况(泵停止)对管道的影响,断流试验(测量惯性流量),单个或可行的多个反应堆冷却剂泵脱扣引起的核电厂动态响应和随后的稳态工况,密封或密封压盖泄露。调试期间主泵的相关试验可分为：安装后检查,启动准备及检查,首次启动,正常运行状态监测及流量测量,惰转流量测量等。

2 湿绕组泵及屏蔽泵结构差异性

2.1 电动机差异性分析

湿绕组泵电动机转子和定子浸没于水中,定子由硅钢片构成,使用特制交联聚乙烯绝缘绕组,使电动机内的水可在绕组线圈间循环,从而辅助冷却。

屏蔽泵电动机定子和转子装有屏蔽套,隔离水与绕组。

2.2 冷却方式差异性分析

湿绕组泵与屏蔽泵均采用外置热交换器冷却。湿绕组泵外置热交换器对电机转子和定子等进行冷却,外接冷却水对热屏进行冷却,飞轮冷却水流经热屏进入飞轮腔室,带走飞轮的热量；屏蔽泵外置热交换器对电机转子及飞轮和热屏进行冷却,外接冷却水对定子进行冷却。

图1 湿绕组泵及屏蔽泵冷却回路Fig.1 Cooling circuit of wet winding pump and canned pump

2.3 结构差异

屏蔽泵与湿绕组泵在结构上存在很多差异,但两种主泵均属于立式,单级,无轴封离心泵,其电机和所有转动部件均包含在同一压力边界,正常工况下无泄漏。两种主泵均采用水润滑轴承,热屏和电机的热量通过冷却水带走,转子组件由电机内水润滑轴承支撑。其主要差异见表1。

表1 湿绕组泵与屏蔽泵结构差异

3 湿绕组泵及屏蔽泵调试差异性

3.1 电动机差异性对调试方法的影响

湿绕组电机与屏蔽电机结构上的差异,导致主泵充水过程中,为保证泵的安全,湿绕组泵及屏蔽泵需执行不同的试验。

3.1.1 屏蔽电机定子腔抽真空及氮气回填

屏蔽电机泵定子和转子电气部分通过屏蔽套与一回路冷却剂隔离,为保护定子,在屏蔽电机运行期间,需对屏蔽电机定子腔抽真空并氮气回填。部分核电机组一回路充水时,为减少一回路充水后气体含量,在一回路充水期间,对一回路进行抽真空处理,定子腔抽真空应在一回路抽真空前完成,氮气回填在一回路充水完成后完成。

定子腔抽真空前,为验证主泵定子抽真空泵的性能以及抽真空管道阀门的密封性,需执行定子腔抽真空预试验。

预试验成功后,进行定子腔抽真空。主泵定子腔室必须单独抽真空,以确保主泵定子腔密封性；如果定子腔密封不严,在定子腔与一回路联合抽真空过程中,会导致定子腔压力高于一回路,造成定子屏蔽套鼓包。将定子腔抽真空接头与泵定子腔抽真空法兰接头连接,就地启动主泵定子抽真空泵,确认所有主泵定子腔的压力下降速率一致；就地确保反应堆冷却剂泵定子腔压力小于等于设定值,如有必要,间断启动或停运真空泵以维持主泵定子腔压力。

定子腔抽真空完成后,方可执行一回路抽真空,抽真空过程中,一回路压力低于主泵定子腔压力时,可能会导致主泵定子腔内壁弯曲,造成定子腔壁面和转子轴碰触,为避免一回路压力低于定子腔压力导致定子腔内壁弯曲,造成定子腔内壁碰触转子轴造成屏蔽套损坏,一回路压力需低于定子腔压力。

一回路抽真空充水完成后,对定子腔进行氮气回填,回填压力应小于泵所处位置水的静压。

3.1.2 湿绕组电机充水后检查

由于湿绕组电机定子全过程浸没于水中,为防止充水后定子所处环境变化引起的绝缘降低导致设备损伤,湿绕组泵需在充水完成后启动前,执行电阻温度计试验,电机定子绕组相间直流电阻试验,一分钟相对地绝缘电阻试验和极化指数检查等,以确保湿绕组泵安全启动。

3.2 冷却方式差异性对调试方法的影响

由于冷却方式差异,核电机组冷却系统布置将产生差异,外接主泵冷却系统与主泵之间连接方式存在差异。在监测外置冷却器温度的同时,湿绕组泵需监测热屏温度,保证飞轮可以正常冷却；屏蔽泵则需额外监测定子温度,验证泵可以可靠运行。

3.3 转子差异性对调试方法的影响

浸水绕组、无屏蔽套、两段轴式及Hirth齿轮连接是湿绕组泵的几大特色,但是相对于屏蔽泵,这些设计需要在现场试验工况下接受真正的检验,相比之下屏蔽泵有相对丰富的核电厂调试经验和运行经验可供参考,而湿绕组泵则需要进一步的验证,因此在调试试验阶段湿绕组泵要更要做好风险分析与应急响应预案,试验的准备过程中审慎决策。而屏蔽泵虽然有较为成熟的运行经验和调试经验,但新的泵调试依然要以全新的视角去进行全面细致的风险分析与试验准备,以期安全稳定的完成主泵的调试。

3.4 能源利用率差异性分析

在核电机组调试及运行期间,主泵长时间运行。屏蔽泵结构上存在屏蔽套,由于电磁感应现象,造成屏蔽套内会由于交变的电场产生阻抗电势,产生涡流,导致电能利用效率降低。根据经验,湿绕组泵效率较屏蔽泵效率高大约10个百分点,影响调试成本。

4 结 论

以上列举了湿绕组泵与屏蔽泵调试相关差异性,在性能上,两种泵均能完成应用于核电机组的需求,但由于结构及性能的不同导致调试阶段存在不同情况。在调试不同阶段及工况下,湿绕组泵与屏蔽泵在风险性、效率性等方面各有优劣势,本文对湿绕组泵与屏蔽泵调试相关差异性进行描述,以在泵型选择及工作时提供参考。