核主泵试验台工艺系统分析

陈波

（天台县基础设施投资有限公司，浙江 台州 317200）

1 引言

核主泵也叫冷却剂循环泵（RCP），是核岛一回路系统中实现能量传递的动力源，也是核电站各系统中技术含量最高、设计最复杂、制造最困难的大型设备。其核心要求是安全、可靠、耐久。核主泵试验台是全面考核核主泵整机在各种严苛工况下的响应、机械性能、水力性能、安全性、可靠性及寿命等是否符合要求的最终检测装置系统。

核主泵试验台一般都要求是高温、高压全流量试验系统，能够模拟核主泵在核电站工作时的各种正常和非正常工况，对其整机进行考核验证，特别是对新型泵或大改泵的首台泵试验。试验项目多、工况严苛，要求试验台具备足够的精度和功能，包括大量热负荷快速形成或传递能力，系统压力和温度高精度控制能力，主回路管路大范围流量的高精度调节控制能力，工况动态变化时的高可控性及快速平衡能力，长时间的高负荷运行能力，等等。

本文主要介绍一种新型结构的核主泵试验台系统，其设计上的新思路是将2 种型式（屏蔽和轴封）主泵泵壳同时焊装于台位“口”字形主回路管道两端。轴封泵壳焊装于主管道一端顶部，法兰面水平朝上设置，屏蔽泵壳焊装于主管另一端底部，法兰面水平朝下设置，当一主泵试验时（固定端），另一主泵泵壳（自由端）作为主管管件（泵壳法兰处需用盲法兰封住）使用。这样的设计增加了台位的试验工位，使台位既能够进行2 种完全不同型式主泵的试验，又大大简化和减少了主泵安装工作量。该方案中2 台主泵安装工位中心距为29 m，主管道和其他辅助设备及管道集中而紧凑地布置于2 台主泵安装支撑结构之间12 m×24 m 的公共基础和二层钢平台内。该台位建设于我国北方某企业，于2014 年年初开始设计，2016 年年底调试完成。试验台精度等级：GB1236Ⅰ级精度，为高温、高压多功能全流量闭式试验台，能够进行百万千瓦级的三代商用核电站屏蔽主泵和轴封型主泵首台泵及产品泵试验。

2 试验台主要工艺系统

由于既要满足屏蔽主泵试验又要满足轴封主泵试验，该台位工艺系统和结构相对单型主泵试验台要复杂一些。台位工艺系统从功能上可分为主回路系统、辅助回路系统、加压/灌注系统（含真空除氧系统）、保压/下泄系统、主泵电机冷却水（一次）系统、密封水系统（轴封主泵）、应急排放系统、外部循环冷却水（二次）系统等。其基本工艺系统如图1 所示。

图1 核主泵试验台基本工艺系统图

1）主回路系统作为试验核主泵流量、扬程等主测试管道，设计压力为17.3 MPa，设计温度为350 ℃，流量测量范围1 500～31 000 m3/h（其中精确测量范围为5 000～30 000 m3/h），主要由试验泵、主管道、整流栅、流量计（文丘里管）、主阀和泵壳等组成。主管道材质采用WB36+内部堆焊不锈钢，其主要外径壁厚为φ1 016 mm×55 mm 和φ813 mm×46.5 mm，而与泵壳等设备进、出口连接段的管道壁厚同设备壁厚；主管流量测量采用2 只经典文丘里管流量计，不锈钢材质，单台精确测流范围：2 500～15 000 m3/h；主回路流量调节，采用2 只角式调节阀，名义通径为DN800 mm，最大可调开度流量为15 000 m3/h时，阀门进、出口压差不大于0.1 MPa。

2）辅助循环回路系统主要有2 方面功能。一是主泵停机状态下为主回路管道介质循环流动提供动力；二是作为试验台位冷却、加热和过滤系统，主要用于保持主回路工作介质热量平衡（升/降温时控制升/降温速率，稳定运行时保持温度稳定）和长期试验时保持工作介质无杂质颗粒。辅助循环系统主要由1 台辅助循环泵(流量：450 m3/h，扬程：37 m)、1 只电加热器（1 500 kW）、2 只回路换热器（单只80 m2）、1 只下泄换热器（36 m2）、2 只过滤器和管道阀门等组成。其介质最高工作压力和温度同主回路系统。辅助管道材质采用不锈钢。

3）加压/灌注与保压/下泄系统共同作用组成台位压力控制系统，主要作用包括台位试验前的整个管道系统注水，试验时试验管道的加压、保压以及试验结束后工作介质水的回收等。该系统主要由2 只回路水储存罐、2 台加压泵（变频往复泵）、1 套真空除氧系统、1 台排空/灌注泵、2 只蓄能器及管道阀门等组成。

4）主泵电机冷却水系统，为独立闭式一次冷却水系统，用于试验时主泵电机及其换热器的冷却。其工作介质为软化水，工作压力＜1.0 MPa，主要由1 个循环水箱、2 台（1 用1 备）循环水泵、1 只过滤器、1 只板式换热器及管道阀门等组成。该系统热量由外部循环冷却水（二次）带走。考虑到紧急断电情况下屏蔽泵主电机需一段时间继续冷却，因此，该系统循环水泵需设置双电源或备用电源，外部冷却应提供应急冷却水。

5）轴封主泵密封水系统，用于轴封主泵试验时为主泵轴封提供密封水。其工作介质为软化水，主要由1 个循环水箱、1 台高压变频往复泵、1 台离心循环水泵、1 只板式换热器及管道阀门等组成。该系统热量由外部循环冷却水（二次）带走。

6）应急排放系统是整个试验台的安全卸压系统，用于系统安全阀起跳或回路换热器高压侧泄漏等应急状况时的安全卸压排水（蒸汽）。由应急减压罐、安全排放管和其他管道等组成。

3 试验台的主要功能要求

回路压力平衡性能、回路热负荷平衡性能和主回路流动性能（阻力）是核主泵试验台系统设计中最基本，也是最重要的3 项功能，前2 项决定了主回路压力、温度的可调性、稳定性和可靠性，后1 项决定了主回路“最大允许通过流量”的能力。

3.1 回路压力平衡性能

台位由2 台流量范围0.8～4.2 m3/h 的加压泵（变频往复柱塞泵）和1 只高精度减压调节阀（下泄阀）及管道等组成回路压力保持系统，该系统为动态平衡压力保持系统。加压泵流量的细微可调性和下泄阀的高精度调节性可以确保回路在设计压力及以下的几乎任何正压力保持高精度平稳运行，在工况动态变化过程中可实现压力快速平衡、稳定。另外，该系统中还设有2 只名义容积为150 L 的蓄能器，该配置一方面能削弱系统加压过程中因往复加压产生的压力脉动，另一方面是在一些必须停加压泵的特定工况，在规定范围时间内维持系统压力基本恒定，以确保该特定工况试验完成。

3.2 回路热负荷平衡性能

台位正常运行温度范围21～350 ℃，最高升/降温速率为55 ℃/h。台位运行时，主管道内流体的散热通过辅助循环回路中的冷却模块（由阀组、回路换热器及管道等组成）实现，其散热能力主要取决于：（1）回路换热器面积；（2）外部循环冷却水（二次）供给状况；（3）回路换热器管侧热工质的最大流量。增加换热器面积或增大外部冷却水供应量（进、出温差减小）或增大热工质流量（增大管径）均可增加散热能力，经多方案核算、综合比较，确定流经冷却器热侧的辅助循环管径为DN250 mm，换热器器总面积160 m2，外部循环冷却水最大供给量1 450 t/h，台位最大散热负荷约13 600 kW。系统温度的调节精度或热负荷平衡性能主要通过回路换热器热侧管道（辅助回路管）的调节阀组来保证，经多工况核算，管路设置DN250 mm 和DN50 mm 2 个调节阀组成调节阀组，能够满足精确调节热侧管路流量以控制系统温度精度的要求。主管道内流体的加热，一般工况下都由主泵做功来获得，特殊试验工况如“失电试验”或“丧失外部冷却水试验”等试验中，停主泵后要继续维持回路温度时，需启动辅助循环泵并开启辅助循环回路中的加热模块（由阀组、加热器及管道等组成）来进行回路保温。加热模块的另一作用是某些特定工况下与冷却模块一起按程序协同工作，以确保主回路温度调节的精度和可操作性。

3.3 主回路流动性能

主回路管道的流动能力或管道阻力特性将直接影响试验台“最大流量”的试验范围。当主回路各构件和设备尺寸基本确定后应整体进行CFD 流场分析，模拟计算管道内的流动、压力分布情况，分析不同工况下，主管道内压力降的变化情况，以确定主回路的流动能力是否满足主泵的试验要求。该台位设计中主管道上设置了2 个主泵安装工位，分别为下装工位（屏蔽泵）和上装工位（轴封泵），2 种泵壳作为主管管件均焊装于主管道上，由于2 种泵壳进、出口尺寸和内腔尺寸都有较大差异，2 个工位上主管道阻力特性也有较大差异，应分别进行模拟计算。经多工况计算分析，2 个工位上的流动能力均能满足相应主泵的试验。

4 试验台设计和制造中还需注意的几个问题

1）2 个工位泵壳下的支撑均应设计成可锁定的定向滑动支撑结构，其他主管段或主管设备的支撑应设计为（定向）滑动弹簧支/吊架，以确保一个工位主泵（固定位置）热态试验时，主回路其他任何构件可以自由（定向）热膨胀。

2）根据CFD 流场分析，主回路流量计前段应设置整流栅，以确保流量测量的精度。

3）保压/下泄系统中应设置下泄冷却器，确保主回路升温过程中，下泄到回路水存储罐中的水为常温状态。

4）最大散/加热负荷计算时，除了计算运行介质热负荷外还应考虑主管道和设备的热负荷及管道保温漏热。

5）主管道宜采用锻件分段制作再拼装焊接。

6）主管制作完成后应进行管内壁人工打磨，避免内壁出现任何突变和凸点。

5 结语

核主泵试验台系统复杂、投资大、建造周期长（从设计开始到调试完成一般要2 年以上），特别是主管道的制造，比较困难，应在方案设计阶段后期，基本确定其制造工艺；主管道设备如主阀和流量计等也应在方案设计阶段确定其基本参数和采购要求，以便尽快开展详细设计。另外，设计核主泵试验台时，各系统配置均应考虑一定富余量并加强调节控制能力，以增大试验台的测试范围，在满足目前泵型测试要求的同时，为将来更大泵型测试留有一定空间。