基于主给水泵运行可靠性的装置研究及应用

曾博文，陈坚刚，秦 川，章鹏华，黄贤华

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

随着核电的发展，尤其是在日本福岛核事故后，人们对核电系统的可靠运行提出了更高的要求。主给水泵系统是核电站的一个重要系统，其功能主要是在各种工况下持续向蒸汽发生器供应品质合格的给水。国内多个核电站都曾出现过因主给水泵紧急切换造成机组瞬态扰动、导致停机停堆的事件，同时，备用的主给水泵泵体及管道中的流体长期不循环，冷态切换瞬间也会容易造成机组瞬态，冷水和热水瞬间转变对于主给水泵的热冲击等问题也亟待解决。

1 压水堆核电站主给水泵系统运行存在的问题

目前，国内核电站在设计以及运行中,均忽略了储存在备用主给水泵本体及其回路中低温水对系统乃至整个机组运行的影响。当正常运行的主给水泵出现故障或者需要切换备用主给水泵时，紧急启动的备用主给水泵将大量的低温给水瞬间泵入高加，导致高加解列、机组超功率，甚至停机停堆。部分核电站通过技术改造给主给水泵系统单独增加了暖泵系统，其目的也仅是防止备用泵启动时泵本体遭受过大的热冲击,并没有通过分析和计算主给水泵紧急切换对核电机组的瞬态影响，无法提出更加合理、可行的方案。

2 压水堆主给水泵运行可靠性装置的方案设计

2.1 整体方案介绍

本研究的目的在于提升主给水泵运行可靠性，开发出一种降低其切换对核电机组瞬态影响的新型装置：可持续维持备用主给水泵及其管道中的流体温度与运行主给水泵一致，避免系统管路中长期不循环的低温水流经高加导致高加解列、机组超功率；防止备用给水泵启动的时候遭受热冲击；减少主给水泵启动时的暖管时间；改善备用主给水泵泵体及管道中的水质，防止泵启动后蒸汽发生器水质变差。

本装置在缓解核电机组瞬态的同时，尽可能将装置使用带来的负面影响，如流体长期冲刷对新增管线及关键设备的影响，降到可接受的水平，提高核电站运行的安全稳定性。

本装置主要包括第一引压管线、第二引压管线、第三引压管线、第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第一隔离阀、第二隔离阀、第三隔离阀和连通管线（图1）。其中，第一引压管线的一端与第一主给水泵的第一中压给水管线连接，第二引压管线的一端与第二主给水泵的第二中压给水管线连接，第三引压管线的一端与第三主给水泵的第三中压给水管线连接；第一引压管线、第二引压管线和第三引压管线的另一端通过连通管线连接在一起；第一引压管线上依次设置有第一调节阀和第一隔离阀，第二引压管线上依次设置有第二调节阀和第二隔离阀，第三引压管线上依次设置有第三调节阀和第三隔离阀。

图1 主给水泵运行可靠性装置结构

由于管道内的介质的流速高、流量大，长期运行易产生流动加速腐蚀（Flow-Accelerated Corrosion，FAC），上述的第一引压管线、第二引压管线、第三引压管线的材料均选用304L 不锈钢，规格尺寸为Φ42.2 mm×4.85 mm；第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第一隔离阀、第二隔离阀、第三隔离阀均为手动截止阀，规格型号为PN4.0 DN32。

假设某核电机组处于正常功率运行，第一主给水泵及第二主给水泵运行，第三主给水泵备用。此时第一中压给水管线、第二中压给水管线中的压力明显高于第三中压给水管线，于是主给水泵系统中的高温给水（140 ℃左右）分别经过第一引压管线及第二引压管线流向第三引压管线，然后进入第三中压给水管线，进入第三中压给水管线的高温给水分成两路对第三主给水泵前置泵、主给水泵压力级泵及其附属管线中。按照此运行原理，长期保持备用的主给水泵及其附属的管线中给水温度与运行泵的给水温度保持一致，降低主给水泵紧急切换带给系统的瞬态影响（图2）。

图2 主给水泵系统简图

2.2 方案创新点

（1）巧妙地选取引压点。采用从主给水泵中压管线引压的方式，有效地减少了节流损失和对管道冲蚀影响。若从低压管线引压，由于压力低无法顺利建立水循环；若从高压管线引压，由于水流从高压侧向低压侧流动，需在截止阀后增加节流孔板，孔板下游管道及阀门很容易受到冲蚀。国内某核电站站采用从高压管线引压的方案，长期运行造成暖泵管线穿孔漏水，根本原因就是因孔板前后压降过大，造成汽蚀所致。

（2）装置选材优化。因主给水泵中压给水管线材料是碳钢，内部介质流速高、流量大，长期运行易产生流动加速腐蚀（FAC）。该实用装置选择耐蚀性和力学性能兼优的304L 不锈钢作为管线材料，管壁厚度4.85 mm，三列引出管线汇成一条母管进行相互暖泵暖管，有效减少了设备腐蚀，避免了管道堵塞。

（3）便于系统隔离及流量调节。本装置巧妙地设置了6 个不锈钢材料的截止阀，其中每条引压管线上设置两道阀门：阀门（4#、5#、6#）作为调节阀，便于新增装置安装后，根据系统实际运行情况调节流量，节流运行；阀门（7#、8#、9#）作为隔离阀，便于原系统或者装置隔离检修，即在任意一列主给水泵出现故障，可以通过关闭该阀对故障列进行隔离检修，而不影响其他列主给水管线的运行。

（4）装置简单可靠，安全实用，且兼具多重功能。整个装置主要部件仅采用了6 个阀门及4 段管线，大大节约了改造成本，不仅可以防止备用主给水泵回路中的冷水流经高加导致高加解列瞬态，还减少了备用主给水泵启动时受到的热冲击，缩短主给水泵正常启动时的暖管时间，防止泵启动后蒸汽发生器水质变差。

3 压水堆主给水泵运行可靠性装置应用效果

本装置充分利用了原系统运行期间各部件之间存在的压差，采用主给水泵中压管线引压的方式，有效减少了节流损失和对管道冲蚀影响。目前该装置已在国内某核电站应用多年，根据其长期投运积累的运行数据来看，相关性能完全满足设计要求，效果良好，有效降低了主给水泵紧急切换对机组的瞬态影响。

4 结论

核电站主给水系统的安全稳定运行是保证整个核电站安全稳定运行的重要条件之一。本文通过原因分析，找到了核电站主给水泵系统设计存在的薄弱环节，最后介绍了一种基于核电站主给水泵运行可靠性的实用新型装置。该装置有效提高了核电机组应对一般瞬态的响应能力，提高了机组的安全稳定性和重要设备的可靠性，延长了重要设备的使用周期，节约了设备成本，减少了主给水泵正常启动时的暖管时间，即缩短了机组启机的总体时间，提高了机组经济性。该装置具有良好的经济和社会效益，可以给新建核电站主给水泵系统的优化设计及主给水泵技术改造提供参考。