HTR-PM主氦风机运行特性研究

严义杰，石清鑫，王天柱，庞顺，陈光建，敬小磊，赵峰，叶林

（1.华能山东石岛湾核电有限公司，山东 荣成 264300；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710049）

HTR-PM主氦风机为立式单级离心风机，位于蒸汽发生器顶端的压力容器内部，其周围工作环境为一回路介质。叶轮悬臂安装于驱动电机轴端，穿轴处设有迷宫密封装置阻止下侧风机腔250℃氦气直接流入电机腔。主氦风机设计为大型、立式、高速变频调节，采用了大量的创新技术，突破了大型立式机组的转速范围和结构型式，在国际上还没有容量相当、结构相似的产品，属于国际首台套采用电磁悬浮轴承的反应堆设备。目前，国内外对高温气冷堆技术都非常重视，各自均针对自身堆型的特点开展了一回路风机的研发。陈卓采用计算流体力学（CFD）的方法对HTR-PM主氦风机叶轮的气动性能进行研究，分析总结了主氦风机叶轮参数的改变对风机气动性能的影响，并对叶轮进行优化设计。陈志先采用数值模拟技术对主氦风机导叶入口安装角的几何优化进行了研究，并开展了设计流量下的非定常流计算，分析了流道内压力脉动的变化规律。赵欣等人利用数值模拟方法对主氦风机试验回路氦气流动特性开展研究，分析了不同弯径比90°弯头的流动特性。本文结合高温气冷堆现场开展了主氦风机的冷态及热态性能试验研究，确定导致主氦风机实际特性发生偏离的主要原因，并给出了获得主氦风机实际性能曲线与经验公式的方法，为HTR-PM的安全稳定运行提供依据。

1 主氦风机设计特性分析

根据HTR-PM的运行需求，一回路氦气流量需根据反应堆功率调整。受一回路内高温高压高辐照环境影响，无法在主氦风机进出口安装调节阀门，故采用变频调节的方式实现一回路流量可调，因此主氦风机主要特性为不同转速下的流量与压升。同时考虑到实际运行时工质受温度与压力的影响会发生变化，通过理想气体状态方程将工质密度进行换算，可得到主氦风机理论特性公式。

式中，a1为理论体积流量系数；b1为理论质量流量系数；d1为理论压力升系数；e1为理论功率系数。从公式（1）、（2）、（3）、（4）可以看出，主氦风机的理论流量、压力升、功率分别与转速的一次方、二次方、三次方成正比。在工厂试验平台开展了主氦风机样机的性能试验，基于主氦风机流量、压力升、功率分别与转速的关系式，获取得到主氦风机的设计性能曲线及风机设计点在其上的分布，如图1所示。

图1 主氦风机设计特性曲线

2 主氦风机现场性能试验

2.1 试验测试项目

在示范工程的主氦风机及其管路系统上开展相关试验。风机入口流量通过在一回路的冷氦气上升管中安装核安全级弯管流量传感器进行测量。风机入口温度通过安装于风机入口管道内的温度传感器测量，风机进口管道处安装压力传感器测量入口处静压，并通过进出口差压变送器测量风机进出口之间的静压差。通过电机综合保护测量装置测量电机输出轴功率。

2.2 试验主要内容

（1）冷态试验。介质为空气，进气温度为室温，验证主氦风机在空气氛围下的性能。根据不同转速区分工况，转速调节范围为400～4000r/min。每个工况处于稳定后记录测试参数。

（2）热态试验。介质为氦气，在起机过程中，用主氦风机功率使一回路氦气介质升温，使一回路介质达到热态工况，进行主氦风机的热态性能试验。风机进口介质温度稳定在225℃左右，进口压力根据实际运行情况维持在5.26MPa,根据不同转速区分工况，转速调节范围为400～4000r/min。每个工况处于稳定后记录测试参数。

2.3 试验结果

（1)冷态试验结果分析。主氦风机冷态试验主要测试结果如表1所示。为了对比说明风机设计性能与实际性能的偏差，将冷态性能试验结果示于风机设计变速性能曲线上。

表1 冷态性能试验主要测试结果

根据冷态试验结果可知，实际管网系统阻力偏离设计工况，而风机实际性能与样机性能基本吻合。

（2）热态试验结果分析。主氦风机热态试验主要测试结果如表2所示。为了对比说明风机设计性能与实际性能的偏差，将热态性能试验结果标示于风机设计变速性能曲线上，在热态性能试验过程中，风机管网阻力曲线偏离设计工况，且未通过风机高效运行区。根据运行点的分布对比可知，风机实际出力与样机性能试验基本吻合。

表2 热态性能试验主要测试结果

（3）各性能参数与转速的变化关系分析。经过HTR-PM现场性能测试，得到主氦风机各主要性能参数随转速的变化关系，如图2所示。

图2 主氦风机实际特性曲线

经过对曲线进行拟合，可以得到HTR-PM主氦风机实际特性公式。

2.4 试验结果分析

对比主氦风机理论特性曲线与实测特性曲线，可以得出以下结论：

（1）受HTR-PM物理特性影响，在主氦风机性能测试期间，一回路燃料安装高度仅为6m左右，与堆芯满装载时的堆芯高度（11m）差距较大，导致一回路阻力低于设计工况，使得主氦风机工作点发生偏移，往高流量及低压力区域偏移；即在4000r/min额定设计转速下，风机流量较设计值偏大，而风机静压升与功率较设计值偏小；（2）由于主氦风机偏离设计工况，氦气在叶轮内的流动与设计工况发生偏离，导致其压力升-转速、功率-转速的公式不在严格遵循二次方与三次方的关系，而是体现为多项式的形式；（3）主氦风机实际运行过程中，流量的线性关系保持的较好，但由于主氦风机进口挡板的影响，在低转速（＜1000rpm）工况下，主氦风机提供的压头未能克服进口挡板的重力，导致进口挡板未能完全开启，流量-转速曲线存在一个转折点，且在该工况下，流量存在一定幅度波动。

3 结语

经过对HTR-PM主氦风机理论特性与实际性能比较分析，可以确定主氦风机的能力能够满足HTR-PM的运行需求，且使用线性方程式、二次多项式与三次多项式对主氦风机实际测得的流量-转速、压力升-转速、功率-转速结果进行拟合，可以获得精度很高的性能公式，以满足HTR-PM一回路流量自动控制与全场功率协调控制的相关需求。

但一回路阻力偏离设计值会对主氦风机实际运行性能造成影响，需要对主氦风机相关运行参数进行以下调整：

（1）一回路阻力偏小，为避免主氦风机超功率运行，同时满足堆芯冷却流量的需求，需要适当降低主氦风机额定运行转速，预计正常运行额定转速约为3600rpm。（2）受主氦风机进口挡板的影响，主氦风机的最低运行转速需大于1000rpm，否则，风机进口挡板无法稳定开启，导致主氦风机入口流量波动较大，严重时甚至会引起风机进入不稳定区运行。

HTR-PM主氦风机将长期偏离理论工况点，实际进出口角与理论进出口角存在较大偏差，气流对叶轮的冲击变大，导致风机的振动变大，叶片工作效率降低，对设备的性能会造成不利影响。