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Design Input and Margin Selection Analysis for the Main Feed-water Pump of CPR1000 Nuclear Power Plant

胡有情

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000）

      摘要：根據(jù)CPR1000核電廠的設(shè)計(jì)，對(duì)常規(guī)島主給水泵設(shè)計(jì)輸入選擇和裕量取值選擇進(jìn)行了分析，指出了選擇一回路最佳估算流量下的接口參數(shù)為設(shè)計(jì)輸入，給水泵的流量裕量取5%，陰力裕量取

10%就能夠滿(mǎn)足電廠最大續(xù)出力運(yùn)行的要求并具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

      關(guān)鍵詞：CPR1000；主給水泵；參數(shù)選擇；設(shè)計(jì)裕量

      Abstract:Based on the design of CPR1000 nuclear power plant,the paper analyzes the design input selection and margin selection of the main feed-wate pump of conventional

island,and points out that the used as design input data for the selecton calculation of main feed-water pump parameters ,the 5%margin for flow-rate should be considered and 10%

margin for resistance calculation,The result of selection calculation based on the above conditions can fully meet the long term operaion requirements and is also economical.

      Key words: CPR1000; Main feed-water pump; Parameter selecion; Design margin

0  引言

      核電廠常規(guī)島主給水泵足二回路熱力系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，其設(shè)計(jì)輸入對(duì)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性有著重要影響。然而，對(duì)于核電廠常規(guī)島主給水泵的設(shè)計(jì)，我國(guó)國(guó)內(nèi)日前還沒(méi)有相

應(yīng)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，需要設(shè)計(jì)人員逐個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行專(zhuān)題研究或說(shuō)明。

      對(duì)于核電廠給水泵驅(qū)動(dòng)方式、容量選擇及配置數(shù)量等方面的分析，國(guó)內(nèi)諸多文獻(xiàn)已有研究”「1-2」，但對(duì)核電廠給水泵設(shè)計(jì)輸入選擇及裕量取值方面的分析則鮮有見(jiàn)刊。本文結(jié)合CPRl000核電廠

工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，對(duì)核電廠給水泵設(shè)計(jì)計(jì)算的輸入?yún)?shù)選擇及裕量取值要求進(jìn)行探討和分析。

      對(duì)于CPRl000核電廠而言，主給水系統(tǒng)包括電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)(APA)、高壓給水加熱器系統(tǒng)(AHP)及給水流量控制系統(tǒng)(ARE)3個(gè)部分，足常規(guī)島熱力循環(huán)中的重要組成部分I”。其中，電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)在電廠啟動(dòng)、運(yùn)行及熱備用期間把給水輸送到蒸汽發(fā)生器并維持設(shè)計(jì)水位。因此，主給水泵的設(shè)計(jì)對(duì)核電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。

      在CPRl000核電廠的設(shè)計(jì)中，每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)50％額定容量的電動(dòng)給水泵，2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。正常運(yùn)行工況下，經(jīng)除氧器混合加熱后的飽和除氧水分2路由2臺(tái)給水泵升壓，匯集到給水母管后再次分2路進(jìn)入并聯(lián)的2列高壓加熱器(6號(hào)和7號(hào)功口熱后匯入給水聯(lián)箱，再在給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)分3路支管進(jìn)行調(diào)節(jié)，每條支管都設(shè)有各自的旁路，之后3路給水管線并聯(lián)送入核島，最終進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，其流程見(jiàn)圖1。

      主給水系統(tǒng)核島與常規(guī)島的設(shè)計(jì)分界位于圖中A點(diǎn)處。設(shè)計(jì)分界處的參數(shù)由核島提出要求，常規(guī)島在選定主給水泵參數(shù)時(shí)予以滿(mǎn)足，即在確定常規(guī)島主給水泵設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)應(yīng)將核島側(cè)設(shè)備及管路的運(yùn)行情況做實(shí)時(shí)考慮。

1  給水泵設(shè)計(jì)輸入選擇

      常規(guī)島主給水泵設(shè)計(jì)輸入的選擇很大程度上取決于主給水管道在核島與常規(guī)島設(shè)計(jì)分界處的接口參數(shù)及核島對(duì)常規(guī)島給水泵運(yùn)行的技術(shù)要求。CPRl000核電廠核島一回路反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需考慮最佳估算流量、熱工設(shè)計(jì)流量、機(jī)械設(shè)計(jì)流量3種工況。各工況的具體定義如下：

      (1) 最佳估算流量。最佳估算流量是電廠實(shí)際運(yùn)行條件下最可能的流量。此流量足根據(jù)對(duì)反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器和主管道的流動(dòng)阻力的最佳估算，以及根據(jù)對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑泵揚(yáng)程一流量能力的最佳估算來(lái)確定的。

      (2) 熱工設(shè)計(jì)流量。熱工設(shè)計(jì)流量是用于反應(yīng)堆堆芯熱工性能、蒸汽發(fā)生器熱工性能等總體性能設(shè)計(jì)時(shí)確定電廠額定參數(shù)的依據(jù)。由于設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)阻力和主泵特征的不確定性，為了提供必需的裕度，熱工設(shè)計(jì)流量需計(jì)及反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器和主管道流動(dòng)阻力、反應(yīng)堆冷卻劑泵揚(yáng)程的負(fù)偏差。熱工設(shè)計(jì)流量大約比最佳估算流量小4％，在電廠投入運(yùn)行時(shí)要進(jìn)一步證實(shí)熱工設(shè)計(jì)流量。

      (3) 機(jī)械設(shè)計(jì)流量。機(jī)械設(shè)計(jì)流量是用于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的堆內(nèi)構(gòu)件和燃料組件機(jī)械設(shè)計(jì)的流量。為了確保設(shè)計(jì)的保守性，機(jī)械設(shè)計(jì)流量應(yīng)計(jì)及系統(tǒng)阻力的負(fù)偏差和泵揚(yáng)程的正偏差。機(jī)械設(shè)計(jì)流量比最佳估算流量約大4％。#page#

    對(duì)于CPRl000核電廠，在核島與常規(guī)島設(shè)計(jì)分界處與上述各流量對(duì)應(yīng)工況下的接口參數(shù)(SG零堵管、正常排污)見(jiàn)表1。

此流量為3臺(tái)SC總流量，且包括正常排污量4．77kg／s*3=14．31kg／s(表中3種工況流量相差極小，不足0．2％。)

      在進(jìn)行電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用的一個(gè)通用原則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力、溫度、阻力計(jì)算等采用系統(tǒng)最可能運(yùn)行的值或最可能出現(xiàn)的最大值。遵循這一原則，基于最佳估算流量是一回路系統(tǒng)最有可能的流量，在二回路系統(tǒng)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)時(shí)，選用該流量對(duì)應(yīng)的工況是合理的。熱工設(shè)計(jì)流量足在計(jì)及反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器和主管道的流動(dòng)阻力、反應(yīng)堆冷卻劑泵揚(yáng)程以及用于測(cè)量流量方法的誤差等多項(xiàng)因素的負(fù)偏差后的流量，足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的保守小流量，如果將該流量對(duì)應(yīng)的工況作為二回路主給水泵設(shè)計(jì)輸入的基礎(chǔ)，則會(huì)引起主給水泵揚(yáng)程、流量等與‘回路正常運(yùn)行最可能出現(xiàn)的參數(shù)不匹配；機(jī)械設(shè)計(jì)流量是作為系統(tǒng)部件機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的保守大流量，顯然不應(yīng)作為二回路設(shè)計(jì)輸入。

2  流量及阻力裕量取值分析

      裕量取值優(yōu)化是核電廠提高全廠運(yùn)行效率、節(jié)省廠用電量的重要措施之一。如何使裕量取值既能滿(mǎn)足電廠最大連續(xù)出力運(yùn)行要求，又能達(dá)到節(jié)能降耗的效果，在進(jìn)行給水泵設(shè)計(jì)時(shí)需分析和研究。

      CPRl000核電廠主給水系統(tǒng)在進(jìn)行主給水泵流量、揚(yáng)程等參數(shù)選擇時(shí)，首先要滿(mǎn)足核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)基礎(chǔ)流量及揚(yáng)程的要求，然后再參照有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的需要，另行考慮一定的裕量。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范對(duì)核電廠給水泵選型時(shí)流量及壓力裕量取值予以明確，各CPRl000項(xiàng)目現(xiàn)行參照使用的《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》在編制時(shí)并未對(duì)核電廠的發(fā)電特點(diǎn)作相應(yīng)考慮，故相關(guān)技術(shù)條款在CPRl000核電廠的給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中并不完全適用。下面將根據(jù)CPRl000核電廠的特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)裕量取值作進(jìn)一步分析。

2．1  流量裕量的選擇

      根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》10．3．2條規(guī)定「4」，給水泵出口總?cè)萘繎?yīng)滿(mǎn)足汽包爐為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的110％，直流爐為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的105％。在該規(guī)范相應(yīng)的條文解釋中對(duì)相關(guān)流量裕量考慮的因素作了進(jìn)一步明確(見(jiàn)表2)。

      在CPRl核電廠中，主給水泵在進(jìn)行流量設(shè)計(jì)選擇時(shí)，參照了常規(guī)火電汽包爐的方式，即選擇10％作為流量裕量。

      從表2不難看出，對(duì)核電廠而言，鍋爐連續(xù)排污、汽包水位波動(dòng)2項(xiàng)不宜作為裕量(蒸汽發(fā)生器最大連續(xù)排污量已計(jì)入給水泵基礎(chǔ)流量)，僅需考慮給水泵老化的因素。因此，主給水泵在進(jìn)行流量設(shè)計(jì)時(shí)，選擇5％作為流量裕量是能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的。

2．2 阻力裕量的選擇

      根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》10．3．8條規(guī)定14J，從除氧器給水箱出口到省煤器進(jìn)口介質(zhì)流動(dòng)總阻力(按鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時(shí)的給水量計(jì)算)，對(duì)于汽包爐應(yīng)另加20％裕量，對(duì)于直流爐則另加10％裕量。在CPRl000核電廠中，主給水泵在進(jìn)行阻力設(shè)計(jì)選擇時(shí)，從保守的角度考慮，取值參照常規(guī)火電汽包爐方式，即選擇20％裕量。

      根據(jù)阻力與流量的平方成正比的關(guān)系，對(duì)于常規(guī)火力發(fā)電廠汽包爐而言，當(dāng)給水系統(tǒng)的阻力按鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量計(jì)算，把包括10％裕量的給水泵出口總?cè)萘恳暈榭偨o水量時(shí)，則給水系統(tǒng)阻力增加裕量為：（110%）²-（100%）²=21%， ，實(shí)際取整為20％；對(duì)于直流爐，當(dāng)把包括5％裕量的給水泵出口總?cè)萘恳暈榻o水量時(shí)，給水系統(tǒng)阻力應(yīng)增加裕量為：（105%）²-（100%）²=10.25%，實(shí)際取整為10％。

      顯然，該估算結(jié)果與《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的推薦取值十分吻合。

      對(duì)于CPRl000核電廠給水系統(tǒng)主給水泵選型設(shè)計(jì)，當(dāng)流量裕量取值為5％時(shí)，則阻力裕量按《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中直流爐取值是合理的，即阻力裕量可取值為10％。

3  裕量選取優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)性分析

      下面以廣東某CPRl000核電廠主給水系統(tǒng)為例，對(duì)主給水泵選型時(shí)流量及阻力裕量的選擇結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

      該核電廠在進(jìn)行給水泵選型時(shí)，流量裕量及阻力裕量均參照《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中汽包爐的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行選取，即流量裕量取值為10％，阻力裕量取值為20％。最終訂貨的主給水泵設(shè)備參數(shù)如表3“訂貨參數(shù)”欄所示。#page#

4  結(jié)束語(yǔ)

      (1)基于CPRl000核電廠的特點(diǎn)，根據(jù)電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的通用原則(系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力、溫度、阻力計(jì)算等都應(yīng)采用系統(tǒng)最可能運(yùn)行的值或最可能出現(xiàn)的最大值)，二回路系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)選用核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)最佳估算流量對(duì)應(yīng)工況的參數(shù)是合理的。

      (2)對(duì)CPRl000核電廠而言，主給水泵的流量損失項(xiàng)與常規(guī)火電廠直流爐型時(shí)基本相似，因此，主給水泵在進(jìn)行流量設(shè)計(jì)時(shí)，流量裕量應(yīng)選擇5％，阻力裕量應(yīng)選擇10％。

      (3)對(duì)CPRl000核電廠主給水系統(tǒng)，當(dāng)主給水泵流量和阻力裕量取值作合理優(yōu)化后，主給水泵功率能減少6．1％，每臺(tái)機(jī)組年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約215萬(wàn)元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

      (4)本文針對(duì)核電廠額定功率工況下主給水泵設(shè)計(jì)輸入與核島接口參數(shù)的合理匹配進(jìn)行了探討，但對(duì)部分負(fù)荷工況及特殊瞬態(tài)工況時(shí)主給水泵設(shè)計(jì)輸入與核島運(yùn)行要求的合理匹配未作相應(yīng)分析，還需另行研究。

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    (收稿日期：2010-07-07)