“华龙一号”上充泵流量曲线及部分控制逻辑优化

2018-07-11，，，

中国核电 2018年2期

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(中国核电工程有限公司，北京　100840)

上充泵是核电厂化学和容积控制系统(简称化容系统)的重要设备，具有扬程高、转速高、功率大的特点，是重要的核安全设备，常采用多级双侧壳结构的离心泵[1]。“华龙一号”项目中上充泵的主要功能有：1)向反应堆冷却剂系统提供上充水流，从而维持稳压器中的正常液位(RCV上充功能)；2)向反应堆冷却剂泵提供轴封冷却水；此水流也起到防止高温冷却剂通过密封泄漏的作用(密封水注入功能)[2]。

在以往M310堆型压水堆核电机组中，化容系统上充泵兼做高压安注泵，执行高压安注功能时，需有大流量要求(160 m3/h)。根据泵性能曲线，此时对应的工况点泵功率较高，最大功率出现在流量为115 m3/h附近。而在“华龙一号”项目中，系统设计将上充泵的安注功能从化容系统中剥离出来，上充泵不再执行高压安注的功能。因此，就不再要求上充泵具有大流量点，有必要对化容系统上充泵流量-扬程特性曲线进行新的改进和设计。

此外，随着核电厂数字化操作的普及，对设备的自动控制要求也越来越高[3]。目前，“华龙一号”中共设置两台上充泵，上充泵切换时采用手动切换。拟对部分工况下上充泵的手动切换改为自动切换，以提高电厂安全性、设备的自动化水平，降低操作员负担。

1　流量曲线优化及验证

1.1　流量曲线优化

在M310堆型中，上充泵可以从容控箱、换料水箱及安全壳地坑取水，上充泵设计成在以下工况点运行，详见表1。

表1　M310堆型上充泵工况运行点

经分析可知，该设计存在以下缺点：1)上充泵长期在小流量工况点运行，运行不稳定，可靠性差；2)上充泵长期在小流量工况点运行效率低，34 m3/h/148 m3/h/160 m3/h，对应效率32%/47%/40%；3)上充泵运行参数范围大，设计制造难度大；4)增大了应急柴油机负荷。M310上充泵额定功率650 kW，最大功率点出现在流量约为110 m3/h附近。

在“华龙一号”的设计中，化容系统不再承担高压安注功能，因此，大流量工况点不再需要。在此前提下，为了改进上述缺点，取消148 m3/h和160 m3/h两个大流量工况点，重新定义工况点如表2所示。调研了EPR及AP1000中的上充泵，发现二者均取消了安注功能，该改进符合国际核电发展趋势。

表2　华龙一号上充泵工况运行点

1.2　优化验证

在确定水泵工况点后，联合设备制造方，进行泵水力及结构方案的详细设计，并进行相应的优化。M310及“华龙一号”上充泵流量曲线对比图见图1，流量曲线对比局部放大图见图2。

由图2可知，在正常上充工况中，“华龙一号”上充泵扬程略高于M310上充泵，这对于实际使用是有利的，扬程偏高可以通过减压阀来调节。M310与“华龙一号”上充泵流量-效率曲线对比详见图3。可知，在正常上充工况(流量处于30～50 m3/h)，“华龙一号”上充泵效率高于M310上充泵约5个百分点。M310与“华龙一号”上充泵流量-功率曲线详见图4，“华龙一号”上充泵功率最大不超过550 kW，额定功率降低了100 kW。不仅降低了运行成本，也节约了应急柴油机容量。

为分析核电厂实际运行中，新设计的上充泵的影响，利用Flowmaster软件建立“华龙一号”上充回路仿真模型，进行计算。在保证其他条件不变的前提下，更通过优化上充泵设计，调节上充流量调节阀，对比各管段流量变化，结果如表3所示。计算结果显示，上充泵特性曲线优化，可以通过调整调节阀开度来平衡各回路流量，且调节量较小，不会造成调节阀重新设计。

图1　M310与“华龙一号”上充泵流量-扬程曲线Fig.1　Q-H curve of charging pump in M310 and HPR1000

图2　M310与“华龙一号”上充泵流量-扬程曲线局部放大Fig.2　Partial enlarged view of charging pump Q-H curve in M310 and HPR1000

图3　M310与“华龙一号”上充泵流量-效率曲线Fig.3　Q-η curve of charging pump in M310 and HPR1000

图4　M310与“华龙一号”上充泵流量-功率曲线Fig.4　Q-P curve of charging pump in M310 and HPR1000

优化前优化后RCV046VP开度/%37.2062.0037.1066.10RCV061VP开度/%42.5047.0042.0051.00上充流量/(m3/h)12.3328.0412.3328.04轴封注入流量/(m3/h)5.765.765.765.76

2　部分控制流量优化

目前的切换备用上充泵的情况有两种：一种为定期切换；一种为发生故障时切换。上充泵出口母管处设置压力测量仪表RCV017MP，用以监测上充泵出口压力。当该仪表监测到压力低，不能满足要求时，由操作员手动切换备用泵启动。该种操作方法增加了操作员的负担，且增加了人因失误的几率。因此，在广泛调研和充分吸取运行单位经验反馈的基础上，拟将该种情况下的备用上充泵启动方式改为自动启动。

2.1　优化方案

在不改变工艺原有设计和设备配置，不增加设备的额外投资，仅通过仪控系统的逻辑设计优化来实现化容系统上充泵列间切换自启动的目的，从而提升化容系统运行的安全性及自动化水平，减少操作员的操作负担。具体的优化方案如下：

1)考虑化容系统上充泵在何种工况下需要列间切换自启动，选择合适的触发信号和闭锁信号；

2)考虑上充泵列间切换自启动逻辑与泵的其他启停逻辑间的优先关系。

2.2　优化措施

化学和容积控制系统的上充泵，可分为A、B两列，A列泵为RCV001PO，B列泵为RCV002PO，两台泵的控制逻辑相似。下面以上充泵RCV001PO的控制逻辑为例，介绍由运行的B列泵自动切换至A 列泵的控制方案设计：

1)正常运行期间，RCV002PO投运，无停泵信号出现，若泵出口压力逐渐降低至产生上充泵管线压力低信号，即考虑RCV002PO可能故障，此时需快速启动RCV001PO，供应主泵轴封水和上充流量。该触发条件应注意避免在RCV002PO启动初期未建立上充压力期间和定期试验期间出现的上充泵管线压力低现象误触发列间备用泵启动信号。

2)正常运行期间，RCV002PO投运，若出现非主控室发出的手动停泵命令导致的RCV002PO停运情况，则自动启动RCV001PO。