HTR-PM全尺寸氦循环器的耐久性试验研究

张 超，张高剑，杨明晓，覃 捷，徐善宇

(华能山东石岛湾核电有限公司，山东 济南 250011)

高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)是在“863”项目“IOMW高温气冷实验堆”的基础上发展的高温气冷堆核电站示范电站，该核电站是世界第一座具有第4代核电特征的高温气冷堆核电站[1]。两个核反应堆堆芯将产生500 MW时，而发电厂的发电量将达到210 MW。 HTR-PM基于HTR-10，它是由清华大学于2000年设计和建造的。10 MW高温气冷堆(HTR-10)是清华大学核能技术研究所设计的国家高新技术项目之一[2-4]。HTR-10是一个球床式气冷反应堆，包括石墨慢化、氦冷却堆芯和陶瓷涂层燃料颗粒，设计在平均堆芯氦出口温度700 ℃下运行[5-9]。在一回路中，氦冷却剂通过氦循环器循环，将热量从堆芯输送到锅炉。在二次回路中，来自锅炉的蒸汽驱动汽轮机发电。对于HTR-10，反应堆和锅炉容器垂直平行建造，通过水平热气管道容器连接。氦循环器安装在容器内的锅炉顶部。在一回路中，压力为3.0 MPa的氦气冷却剂在堆芯处达到700 ℃左右，然后在锅炉出口处降至250 ℃，即氦气循环器在3.0 MPa、250 ℃的氦气条件下运行[10-13]。

1 HTR-PM氦气循环器技术

氦气循环器是HTR-PM中的关键组件，可将氦气冷却剂从反应堆堆芯循环到蒸汽发生器。由于没有这种循环器的工程经验，因此制作了一个完整的模型来进行测试。样机的整个参数与HTR-PM的实际工厂循环器相同。表1显示了氦循环器和模型的主要设计参数。

表1 氦循环器的主要设计参数及模型Tab.1 Main design parameters and models of helium circulator

该模型的设计具有紧凑的垂直布局。布局有点像反应堆冷却剂泵RUV。电机均密封在压力容器中，并且都具有两个径向轴承和一个推力轴承。与反应堆冷却剂泵不同，模型的转子由主动磁性轴承支撑。叶轮安装在转子外部，没有任何其他零件[14-16]。样机的电机在氦气环境中工作，设计工作压力为7 MPa，设计工作温度为60 ℃。电动机和主动磁性轴承的电缆通过电气穿入组件和压力容器，电机和轴承由氦水冷却器冷却，电机冷却器安装在压力容器的内部上盖上，整个压力容器都支撑在大型水泥基座上。底部容器中心的管道将氦气引导至样机的入口，样机的出口直接安装在中间容器上，容器的下部是用于氦气实验的容器，图1显示了模型的结构。与HTR-10的氦循环器相比，由于模型是一个大型机电系统，与HTR-10的氦循环器相比有许多新部件，因此需要进行大量的试验以确保其安全性和可靠性。

图1 氦循环器结构(带AMB主动磁轴承)Fig.1 Helium circulator structure (with AMB active magnetic bearing)

按照Jiang等的研究，设计了一个氦循环器工程试验装置(ETF-HC)来测试氦循环器。模型和工厂使用的模型都可以在ETC-HC上进行测试。图2显示了ETF-HC的示意图，它是一个闭合回路，氦通过模型、控制阀、流量计和热交换器。两级换热器用于测试大多数操作条件，第1级换热器将氦气中的热量传递给高压纯水，而第2级换热器将高压纯水中的热量传递给低压循环水。该设施有辅助系统来支持模拟操作，如氦气净化系统、真空系统、循环水冷却系统和氦气储存系统。

图2 ETF-HC的布局Fig.2 Layout of ETF-HC

2 HTR-PM全尺寸氦循环器耐久度试验

2.1 工厂试验

氦循环器的高度约为3.9 m，直径为2.9 m；全功率设计为4.5 MW功率，速度为4 000 r/min。氦循环器的设计中首先使用了电磁轴承，4象限变频器和特殊的无源挡板阀。上海鼓风机厂和佳木斯电机制造的全尺寸模型与反应堆中使用的氦循环器完全相同[17]。全尺寸模拟装置是氦循环器的关键部件，其主动磁轴承由清华大学INET团队设计。尽管电磁轴承已在天然气管道行业和石化行业应用了数年，在高温气体反应堆的氦气循环器中的实际应用并不常见[18]。尽管已经对带有AMB的模拟转子进行了测试，但是由于缺乏如此大型，高速，重载转子的操作经验，AMB的测试和调整仍花费了几个月的时间。氮气被用作工厂测试的工作液，以简化测试。测试压力为1 MPa，因此密度将类似于7 MPa时的氦气密度。其他主要参数与表1中列出的设计参数相同，最初的实验测试了氦循环器的功能。解决了一些最初的问题后，该模型在工厂中连续运行了100 h。

图3 显示了用于100 h氮气测试的测试系统，它包括2个氮气回路，水冷却系统和氮气供应系统。样机入口的氮气参数为1.0 MPa和243 ℃。压力上升为204 kPa，流速为97.6 kg/s，在3 750 r/min时满足设计要求。结果表明，模型的空气动力学特性已经满足设计要求，但速度低于额定值。这意味着性能优于设计预测。因此，模型是可靠的，可以提供足够的流量。并通过了在额定负载下，完成了500 h的氮气负载试验。

1-氦循环器模型； 2-1号氮气冷却器； 3-2号氮气储罐；4-电机冷却器；5-AMB冷却器；6-真空泵冷却器；7-氮气循环泵；8-氮气储罐；9-氮气气缸；10-真空泵；11-流量计图3 氮气工厂测试系统流程图Fig.3 Flow chart of the nitrogen plant test system

2.2 氦气耐久度试验

在成功的工厂测试之后，该模型已交付给INET以在ETF-HC上进行测试。 ETF-HC的照片显示如图4所示。在安装和调试后，以氦气为工作液的耐力测试于2018年1月开始，精确模拟了HTR-PM中的工作条件，以验证模型的可靠性。因为氦气比氮气容易泄漏，最初的测试需要对氦气密封进行改进，压力容器使用橡胶O形圈作为密封材料，金属八角形垫片用作管道法兰的密封件[19]。经过几次氦气密封测试后，最终泄漏率降低到小于10-7Pa·m3/s，这在整个测试设施中每天少于氦气量的0.5%。改善轴封后，也可减少从叶轮室到电动机室的内部氦气泄漏。

然后在额定功率下的50 h测试中评估了氦气的模拟性能。图5 图中显示了50 h氦气测试的氦气和冷却水流的流程图。与氮气测试设备不同，它包括主氦回路，防喘振回路，高压水冷却系统和低压水冷却系统，以模拟各种工作条件。

50 h试验期间的转速、电机功率、进口温度和进口压力。所有4个参数在测试期间都保持稳定，这意味着模型可以在额定负荷下以氦气为工质平稳运行。试验开始时，为了测试电磁轴承的稳定性，提高了转速，从曲线的开始部分就出现了波动现象。从中间曲线也可以看出，冷却水系统调整后进口温度变化不大。

图4 ETF-HC照片Fig.4 ETF-HC photo

1-氦循环器模型； 2-真空泵； 3-流量计；4-纯水换热器；5-纯水循环系统；6-循环水换热器；7-氮气储罐；8-纯水泵；9-氮气气缸图5 ETF-HC 50 h氦试验流程图Fig.5 ETF-HC 50-hour helium test flow chart

经过50 h的测试后，对模型进行了一系列50个工作条件的服务周期。每个周期都模拟了一个核电厂在一年内运行条件的变化。每个循环包括3个冷启动和关闭，反应堆负载的3个变化，3个使反应堆停止的热跳闸和3个热启动。 HTR-PM的设计寿命为40年，测试运行了50个周期，因此又增加了10个周期。在每个测试周期中，速度和负载发生了数次变化。首先，模型从冷态开始，然后提高到400 r/min。停机3次后，转速提高到3 000 r/min，并通过模型本身的力量加热氦气。氦气温度升高到设计温度，同时模型的旋转速度逐步提高。

同时，通过适当的模拟功率和操作时间控制升温速率。当工况达到设计要求时，进行了3次快速降负荷和3次热停跳闸,整个循环试验于2019年6月15日至2020年5月27日进行。因此，氦耐久性试验持续了近1年，包括维护期，氦循环器运行超过500 h，经历了500多次启动和关闭。

图6显示了在氦耐久性试验期间，在额定负载下，主动磁轴承的典型轨道。绿色圆圈内的轨道是最小的圆圈，代表良好的振动水平，绿色和黄色圆圈之间的轨道代表可接受的振动水平，红色和黄色圆圈之间的轨道代表危险的振动水平，红色圆圈表示辅助轴承的间隙[20]。该图表明，电磁轴承在轴振动小于0.05 mm的情况下是稳定的。因此，电磁轴承工作良好，轴振动幅度小于设计安全限值。

图6 主动磁轴承的轨道Fig.6 Track of active magnetic bearing

在耐久性试验过程中的经验表明，电磁轴承可以很容易地由非电磁轴承专家的值班人员来控制。因此，INET开发的电磁轴承的性能也在500多个电磁轴承启动和关闭的耐久性试验中得到验证，结果表明，电磁轴承可以为高温气冷堆-永磁氦循环器提供良好的支撑。

3 结语

HTR-PM氦循环器的全尺寸模型在2017年至2020年间通过了多次工厂试验和氦设施试验，模型在额定负荷下氮气稳定工作超600 h，并成功地完成了500多个瞬变过程和超500 h的氦气工作。耐久性试验验证了氦循环器的性能和可靠性，这意味着氦循环器满足HTR-PM设计要求，能够可靠地为反应堆提供足够的氦流量。