第三代核电站控制棒驱动机构冷却系统风机设计

翁娜，沈秋平，郝国锋

(上海核工程研究设计院，上海市 200233)

第三代核电站控制棒驱动机构冷却系统风机设计

翁娜，沈秋平，郝国锋

(上海核工程研究设计院，上海市 200233)

为了满足堆顶组件整体吊装和冷却介质流道的要求，第三代核电站控制棒驱动机构(control rod drive mechanism，CRDM)冷却系统风机采用了有别于在传统压水堆核电站中此类风机的结构和布置形式，研究其性能和鉴定方案是设计该类设备的关键点。通过分析CRDM冷却系统和风机的设计要求，采用传统方法计算主要性能参数，确定了风机的类型和主要结构形式，计算结果表明，第三代核电站CRDM冷却系统风机为非标设计，国内暂无同类成熟产品，其设计需经试验和工程实践检验。针对风机设计中的关键考核点，结合工程经验和标准规范要求，拟定了用于质量鉴定的试验要求和型式试验方案，可为研制此类风机产品提供技术指导。

第三代核电站；风机；控制棒驱动机构(CRDM)；性能参数；型式试验

0 引 言

控制棒驱动机构(control rod drive mechanism，CRDM)冷却系统风机是第三代核电站一体化堆顶组件(integrated head package，IHP)的重要组成部分，是第三代核电技术引进设备之一[1]。CRDM冷却系统风机与风阀、围筒、通风围板、风管、风管配件、风机支承、监测仪表及电气部件等组成CRDM冷却系统，为控制棒驱动机构提供强迫冷却空气[2]，使控制棒驱动机构磁轭线圈组件运行在允许温度范围内，确保控制棒驱动机构的正常运行[3]。

目前，我国在役压水堆核电站CRDM冷却系统风机设置在远离反应堆区域，停堆换料期间，需花费人工进行风管拆装和单独存、放操作，属于压力容器顶盖开、合盖操作中的一部分，是核电厂换料大修活动工时中需评估项[4]。第三代核电站CRDM冷却系统风机安装在安全壳内反应堆上方，换料操作时无须拆除，可与IHP、反应堆压力容器顶盖等堆顶其他设备一同吊装和存放[5]。由于第三代核电站的换料周期为18个月，考虑经济性和安全性，该风机的维护间隔时间为24个月[6]。这些结构设计要求和布置特点给该风机的设计和制造带来新的难点和挑战，CRDM冷却系统风机的设计寿命为60年[7]，为抗震II类设备，由于安装在堆顶，该风机需长期连续运行在高温和高辐射剂量环境条件下，并且在反应堆运行期间不能进行维护。此外，该风机的结构外形尺寸也受到堆顶布置和堆顶设备一体化操作的严格限制，与外部及内部设备的接口设计应尽可能简单并易于拆装维护。因此，第三代核电站设计过程中应研究该风机的结构特点和性能参数，以掌握该设备设计和制造中的关键技术，为该设备的研制提供理论基础。

CRDM冷却系统风机由风机本体结构(整流罩，叶轮，导叶，机壳等)、电机、风阀和隔振装置等组成。该风机的性能直接影响控制棒驱动机构的核安全有关功能的执行[8]，同时其可靠性也是电厂运行经济性考虑的重要设备之一。本文通过剖析CRDM冷却系统风机的设计要求，根据反应堆本体工艺布置的需求，结合工程经验，确定风机的类型和主要性能参数。针对该风机的设计特点，本文初步确定关键组成部分——风机本体和电机的设计和制造的解决方案和试验要求。

1 设计要求

1.1 冷却系统设计要求

CRDM冷却系统风机安装在IHP的顶部，通过风管和支承结构与围筒连接。控制棒驱动机构冷却系统的气流路径和风机的布置见图1[9]。冷却空气通过围筒上的风门进入围筒内部，流经控制棒驱动机构磁轭线圈后自下而上经过风管到达风机，并最终排放到安全壳大厅中。

1.2 风机设计要求

CRDM冷却系统风机的设计寿命为60年，应能无故障连续运行24个月并无须维护，其主要设计输入数据和设计要求见表1。CRDM冷却系统风机为非核安全相关设备，抗震Ⅱ类物项，设计应评估地震载荷不会引起不可接受的风机结构失效，但不要求保持其功能。根据核电厂重要系统设计的多重性原则，选用4台相同性能的风机并联安装在控制棒驱动机构冷却系统热源下游，在正常工作时任意2台风机运行，其他2台备用。风机由双电源回路冗余供电，运行过程中其监测信号通过分散控制系统传输至主控制室[10]。由于性能相同的通风机并联运行时，系统流量等于通风机的流量之和，管网阻力由通风机的压力共同克服，即为单台通风机的全压。

图1 控制棒驱动机构冷却系统的气流路径图

表1 CRDM冷却系统风机设计输入数据汇总

2 风机类型及其性能参数

2.1 风机选型

风机的性能参数直接与进气状态相关，描述风机性能时通常采用标准进气状态。我国规定的通风机标准进气状态为：工质为空气，压强为101 325 Pa，温度为293 K，密度为1.2 kg/m3。当通风机在额定转速下运行时，标准进气状态条件下的风机全压与规定温度下的全压存在以下关系式：

(1)

式中：pF0为标准进气状态下的风机全压，Pa；pF为系统运行条件下的风机全压，Pa；ρ0为标准状态下的空气密度，kg/m3；ρ为系统运行条件下的空气密度，kg/m3[11]。由式(1)可得，CRDM冷却系统风机的全压为927.8 Pa(标准进气状态)，属于通风机[12]。

比转速用于表达通风机流量、升压、转速之间的关系，常用于划分通风机的类型。当风机进口状态为非标准或气体种类不同时，比转速的计算应考虑气体密度的变化，即：

(2)

式中：ns为标准状态下的比转速；n为通风机的额定转速，r/min；Q为通风机的额定流量，m3/s；Δp为通风机的额定全压，Pa[11]。

由于CRDM冷却系统风机安装在安全壳内堆顶上方，考虑辐照对传动材料的影响以及维护方便，叶轮与电机之间采用直联型的刚性传动结构，使风机的结构更加紧凑，并能提高传动效率。因此，CRDM冷却系统风机的额定转速与电动机的转子转速相同。CRDM冷却系统风机的电动机采用三相异步电机，同步转速为1 500 r/min，转子转速满足以下关系式：

nm=(1-s)nsync

(3)

式中：nm为转子转速，r/min；s为转差率；nsync为同步转速，r/min[13]。其中电动机在额定负载下的转差率为0.013。

根据式(2)、(3)，得到CRDM冷却系统风机的比转速为31。由于轴流式通风机的比转速为18～36，并且高压轴流式通风机的升压一般大于490 Pa、小于4 900 Pa[11]，可知CRDM冷却系统风机为高压式轴流式通风机。

2.2 性能参数计算

2.2.1 轴功率

图2为各种通风机的效率曲线[11]，可利用该图选择最合适的通风机模拟出风机的最高效率。图中：δ为直径系数；η为全压效率；σ为转速系数，且满足以下关系式：

(4)

由式(4)可得转速系数为1.25，查图2可知全压效率为0.865。

图2 通风机最高效率曲线

风机的轴功率可表示为

(5)

式中：ps为轴功率，kW；ηm为传动效率[11]。取传动效率为0.98，由式(4)、(5)可得风机的轴功率为17.5 kW。与风机选配的电动机功率满足：

(6)

式中：pM为电机的额定功率，kW；k为电动机功率储备系数[11]。考虑电机选用1.1功率储备系数，由式(6)得到电机计算功率为18.88 kW。参考GB/T 4772.1—1999《旋转电机尺寸和输出功率等级》[14]，与本风机配合的电动机可采用额定功率为22 kW的三相异步电机。

2.2.2 叶轮外径/圆周速率/压力系数

轴流通风机轮毂比和轴流通风机叶轮外径系数随比转速的变化曲线分别如图3、4[11]所示。由图3、4可得，CRDM冷却系统风机的轮毂比为0.45～0.63，叶轮外径系数为2.02。

图3 轴流通风机轮毂比随比转速的变化曲线

图4 轴流通风机叶轮外径系数随比转速的变化曲线

叶轮的外径需满足以下关系式：

(7)

式中：Dt为叶轮外径，m；Ku为叶轮外径系数[11]。由式(7)得到叶轮外径为1.11 m。由于控制棒驱动机构冷却系统要求风机的外壳内径小于0.915 m，取叶轮外径0.9 m，根据GB/T 3235—2008《通风机基本型式、尺寸参数及性能曲线》[15]的标准尺寸系列选取轮毂比为0.556，轮毂直径为0.5 m。

叶轮外径处的圆周速度满足以下关系式：

(8)

式中：ut为叶轮外径处的圆周速度，m/s[11]。根据式(8)得到叶轮外径处的圆周速度为69.8 m/s，满足要求。

风机的压力系数满足以下关系式：

(9)

式中：ψ为压力系数[11]。根据式(9)得到风机的压力系数为0.188，因此，该风机可考虑采用叶轮加后导叶[11]。CRDM冷却系统风机的设计参数见表2。

表2 CRDM冷却系统风机设计参数

3 试验方案

3.1 总体试验方案

第三代核电站CRDM冷却系统风机为非标设计，在国内无现成成熟产品可用于工程实践，叶轮、轮毂、导叶、匹配电机的结构和性能参数需要重新设计和考核。开发此类新型风机应进行型式试验，以检验产品质量和验证风机的总体性能。由于CRDM冷却系统风机需确保在高温环境条件下连续运行24个月不需维护，因此应制定一套严谨的模拟环境条件的试验方案，考核电机与风机本体组装后的运行寿命。该试验应模拟冷却系统中冷却介质的最高温度，工程实际安装方式和电机的负载。试验前研制单位应确定合适的试验持续时间和试验结束后的复验方案，用于考核轴承温升、电机绕组温升和轴承润滑油脂的性能等。各项试验应满足EJ/T 886—2006《核级通风机设计通则》[16]规定，CRDM冷却系统风机的型式试验内容见图5。

图5 CRDM冷却系统风机型式试验流程

3.2 关键部件试验方案

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CRDM冷却系统风机的机壳尺寸相对标准系列的尺寸偏小，电机冷却外壳的设计需在有限空间内利用结构设计使其冷却最优化。CRDM冷却系统风机的电机冷却介质为空气，通过空气自循环冷却机壳表面，以降低绕组温升。电机设计时应建立数学模型进行内部流场分析，评估机壳的冷却效果。在进行风机性能试验和电机的型式试验时，可使用传感器进行实时测量以验证设计。

常规压水堆核电厂CRDM冷却系统风机正常运行时，电机的环境温度不超过40 ℃，绝缘等级为A至H时，绕组温升为60～125 ℃。第三代核电站CRDM冷却系统风机的电机绝缘系统等级采用F级，在运行环境下最高温度达155 ℃。为验证电机在此高温环境条件下的使用寿命，热老化寿命试验实测和复验是唯一可靠和有效的方法，其热老化性能的考核可按照EJ/T 628—1999《核电厂安全级连续工作制电动机的质量鉴定》[17]的要求执行。

鉴于以上CRDM冷却系统风机电机的使用环境的特殊性，应开展该电机研发。为了检测电机的各项性能及设计参数是否符合技术条件和相关标准的规定，应制定电机的型式试验大纲和检验条款，并满足NEMA MG-1的规定。电机的型式试验内容见图6。

图6 CRDM冷却系统风机电机型式试验流程

3.3 其他试验要求

第三代核电站CRDM冷却系统风机是安全壳内的抗震II类物项，可不用进行抗震试验考核，但风机本体结构和各附属部件的支承和连接件的设计应根据ASME AG-1进行分析评定，确保能承受系统正常运行和地震工况下的载荷。为避免影响周边的核安全有关设备执行安全功能，所有紧固件应确保连接可靠并采用锁紧措施。

风机本体、电机及其附属设备的所有非金属材料，例如绕组线圈、密封材料、电缆应能承受环境条件下的累积辐照剂量。因此，应选用在核电厂同等环境中有成功使用经验的材料或者进行耐辐照试验和材料复验，验证材料的耐辐照特性。

4 结 论

[1]王永峰，杜广波，李浩. AP1000核电关键设备的制造特点及国产化[J]. 能源技术，2010，31(1):28-33.

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[3]丁宗华，刘刚. 核电厂控制棒驱动机构工作线圈温度场分析[J]. 机械研究与应用，2013，26(2):99-101.

[4]卢六平. 核电站换料大修工期分析和进度管理方法[J]. 项目管理技术，2008，6(6):45-50.

[5]郑明光，杜圣华. 压水堆核电站工程设计[M]. 上海:上海科学技术出版社，2013:103-106.

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[13]Chapman S J.电机学[M]. 刘新正译. 北京：电子工业出版社，2012:196-197.

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[17]EJ/T 628—1999 核电厂安全级连续工作制电动机的质量鉴定[S]. 北京：核工业标准化研究所，1999.

(编辑：蒋毅恒)

FanDesignofCoolingSystemforControlRodDriveMechanisminGenerationⅢNuclearPowerPlant

WENG Na, SHEN Qiuping, HAO Guofeng

(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

In order to meet requirements of integrated lifting and cooling air flow path of upper reactor structures in generation Ⅲ nuclear power plant, the structure and arrangement of fan in cooling system of control rod drive mechanism (CRDM)were designed to be different from that in traditional nuclear power plant with pressurized water reactor. The study on its performance and identification scheme was important for the design of this kind of equipment. Through the analysis on the design requirements of CRDM cooling system and fan, as well as the calculation of the main performance data with traditional calculation method, the type and structure of the fan were determined. The result shows that the fan is nonstandard and there is no developed product in China, so its design should be certified by testing and engineering practice. According to the key point in the design of the fan, the testing requirements and type test scheme of the fan were drafted for quality appraisal combined with engineering experience and standards, which could provide references for developing the CRDM cooling system fan.

generation Ⅲ nuclear power plant; fan; control rod drive mechanism (CRDM); performance parameters; type test

国家科技重大专项课题项目(2010ZX06002)。

TL 353+.1；TH 432.1

： A

： 1000-7229(2014)06-0122-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.023

2014-01-22

：2014-02-21

翁娜(1982)，女，本科，工程师，主要从事反应堆本体设备设计及研究工作,E-mail:wengna@snerdi.com.cn；

沈秋平(1962)，男，本科，研究员级高级工程师，主要从事核电设备设计及研究工作；

郝国锋(1977)，男，本科，高级工程师，主要从事反应堆本体设备的设计及研究工作。