主泵换型对管线布置的影响分析及对策研究

文 超 滕 扬

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610000）

0 引言

反应堆冷却剂泵（以下简称主泵）是核电站最重要的设备之一，它的可靠性直接影响到反应堆的安全运行。在以往核电站中多采用100D 型主泵，福清核电站主泵由奥地利ANDRITZ 公司设计（简称ANDRITZ主泵），在国内属首次应用。

本文通过对比ANDRITZ 主泵和100D 型主泵，针对主泵系统结构变化对布置的影响进行分析，为后续核电站主泵辅助系统布置的设计提供参考。

1 主泵换型对布置方式的影响分析

与参考电站100D 型主泵（见图1）相比，ANDRITZ主泵（见图2）结构原理改变导致在系统管线布置时有以下影响：

图1 100D 型主泵流程图

图2 ANDRITZ 主泵流程图

1.1 供油系统内置于主泵泵体

在100D 型主泵中，主泵轴承的冷却、润滑是由外部供油系统供应的， 油泵设置在反应堆+0m 层厂房外。 与其相连的供排油系统需要穿过+4.65 层土建结构及安全壳环廊，管线系统内的介质是油脂，介质泄漏易造成火灾，对于反应堆厂房防火存在安全隐患。

ANDRITZ 主泵中供油系统内置在主泵泵体上，整个供油系统没有阀门，没有设置外部油管，泵体结构变大了。 从布置上来看取消了供排油系统，相应部分的消防系统也取消了，降低了布置房间内的火灾风险以及布置难度。

1.2 增加高压冷却器

热屏的主要作用是阻止反应堆冷却剂的热量向泵的上部传导，热屏组件安装在泵壳内部的叶轮上方，100D 型主泵的热屏蔽采用不锈钢盘管式热交换组件，通过设备冷却水冷却，保证一回路冷却剂热量不向上传递给轴承和轴封。 而ANDRITZ 主泵在泵体外部新增高压冷却器，设备冷却水冷却高压冷却器的密封注入水进入主泵隔热体和轴承间的间隙，来避免反应堆冷却剂的热量传递给轴。

安装在泵体外部的高压冷却器取代了参考电站中不锈钢盘管热交换组件的功能，需要对高压冷却器接口重新布置，泵体结构也就变大了。

1.3 增加停车密封管线

停车密封安装机械密封上面，主要目的是当主泵停车时，依靠外部有一定压力的氮气对主泵密封。 主泵运行时，停车密封管线自动将氮气排空排出。 同时当主泵轴密封发生故障失去密封功能的情况下，停车密封将成为防止反应堆冷却剂泄漏的最后一道屏障。停车密封系统布置需要增加一条新的氮气供应管线，通过电磁阀对氮气供应的控制满足系统的功能要求。对于布置设计无大的影响。

1.4 增加高、低压泄漏管线

100D 型主泵第1 级密封设计为全压， 后两级低压设计，第二级轴封的主要作用是作为1 号轴封损坏时的备用轴封，第三级轴封的主要作用是引导2 号轴封的泄漏水到泄漏水收集罐中。

而ANDRITZ 主泵的轴密封为3 级流体动压密封，各级均为全压设计，各密封内压力占比均为33%。通过轴密封注入，注入水分成三股，第一股冷却和润滑径向轴承后汇入反应堆主冷却剂，注入水的第二股和第三股通过节流管路压力降低后，分别冷却第二级密封和第三级密封，形成高压泄漏。 每级密封自身的泄漏是非常小的，第一级密封的泄漏水与冷却第二级密封的注入水汇合。 同样，第二级密封的泄漏水与冷却第三级密封的注入水汇合。 第三级密封的泄漏水单独离开密封室，称为低压泄漏（见图3）。

从布置的角度上看，高、低压管线在主泵房间有限的空间中连接，对两条管线布置设计相互形成了制约。

1.5 对布置方式的影响

虽然ANDRITZ 主泵取消了一些管线， 但取消的部分都通过各种方式安装在主泵泵体上，导致主泵整体尺寸变大了，接口位置也有很大的变化，承载着主泵相关载荷的钢结构也就变大。 周围布置空间相对紧凑。 下面将着重介绍受主泵换型影响最大的高、低压泄漏管线布置，以核电站布置原则为导向，针对布置难点进行分析，并提出设计对策。

图3 高、低压泄漏管线系统原理

2 辅助系统的布置原则

（1）管线布置依据反应堆冷却剂系统流程图进行布置，符合相关法规、标准和规范，满足了正常或事故工况下的功能要求，确保系统安全可靠。

（2）管道走向宜与厂房轴线一致。 管道布置要合理，尽量减少交叉、返弯等现象，尽量减少焊缝，合理布置焊缝位置。 并尽可能从设计上减少检修人员受到的辐射。

（3）起止点尽可能短，对于热位移较大的管线使用自然补偿的方式满足管道的柔性要求。

（4）管线及其附属设备应留有设备维修、操作、在役检查等所需空间，不应妨碍设备、其他物项的安装、检修。

（5）管道规格型号应与主泵接口属性保持一致，如压力等级、材料、RCCM 级别、管径、连接形式等。

（6）管道直径不满足温度计测温深度时，需要将温度测量集管扩孔。

（7）压力测量装置与流量测量装置布置在同一管线上时，应安装在流量测量装置的上游侧，避免流体经过流量计后产生的压差造成压力测量不准。

（8）为使测量的参数准确，流量、压力、温度测量装置宜布置在管线水平方向流体流动稳定处。

（9）管线布置需要一定的坡度，有利于管道内流体自然流动和疏排。

3 辅助系统管线布置的难点及对策研究

3.1 高、低压管线布置的难点

3.1.1 布置空间不足

主泵房间涉及专业较多， 如土建钢结构、RCP 测温旁路管线、设备冷却水管线、主泵设备的保温层等，高、低压管线接口起止点之间就是土建钢结构，布置设计空间严重不足（见图4）。

图4 高、低压泄漏管线布置环

3.1.2 主泵的热位移较大

管线起止点间距较短，而主泵热位移较大，需要管线在最短的长度内有足够的柔性吸收主泵的热位移及管线的热膨胀。

3.1.3 无法满足设备操作、检修的要求

高、低压泄漏管线包含若干管道、两个电动隔离阀、三个手动截止阀、温度和流量测量装置各一个。 在设计时既要满足本专业的安装、 操作及检修可行性，又要满足其他物项的安装、操作及检修要求。

3.2 布置问题的对策研究

3.2.1 布置空间不足

采用计算机三维设计模型软件PDMS 设计，依据布置要求中的第（1）（2）点，与其他相关专业设计人员密切配合及沟通协调，确定该管线及其他物项的布置和功能要求。 统一规划，将布置区域纵向、横向分层次设计，提高该区域的空间使用效率。

3.2.2 主泵的热位移较大

依据布置要求（3）的设计原则，分别将高、低压泄漏管线设计成π 型和L 型膨胀弯，依靠管线的自然补偿方式，增大管线的柔性来吸收主泵的热位移以及管线的热膨胀。

3.2.3 无法满足设备操作、检修的要求

根据布置要求（4）（6）（7）（8）的原则，纵向上将电动阀及测量装置分别分在三个不同的标高。 在横向上按照错开、平行的方法布置，尤其是将占用空间较大的两个电动阀门与温度、 流量测量装置相互错开，尽量减少空间的浪费。 方便设备的操作、检修，以及不影响其他物项的操作、检修要求。 通过设计合理的管道走向将管件连接起来组成管线系统。

3.3 最终设计方案

使用PDMS 三维软件对已设计完毕的布置进行碰撞检查，如发现干涉情况，可按照以上解决措施进行调整和优化。

依据以上针对辅助系统的布置措施，高低压泄漏管线的最终设计如图5 所示。

图5 高、低压管线设计方案

4 结语

本文通过分析研究福清主泵换型所导致的布置问题，从设计规范和原理角度提出了一套完整的优化设计策略和思路，并给出了科学合理的设计方案。 从福清核电站1~4 号机组运行的反馈经验来看，主泵辅助系统的压力、温度等参数符合设计要求，确保了主泵运行的可靠性。 为后续华龙一号项目的主泵辅助系统设计提供了参考。