AP1000核電廠主給水泵有效氣蝕余量控制方法

范 超

（中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島 125100）

0 引言

AP1000機組采用三臺電動主給水泵，主給水泵的水源——除氧器在電廠功率大于20%時為滑壓運行，其加熱蒸汽來自汽輪機第5級抽氣，即高壓缸排氣，此壓力與汽輪機負荷成正比。當汽輪機甩負荷時，如果除氧器壓力下降過快，由于主給水泵吸入口溫度變化比壓力變化慢得多，可能會導致主給水泵氣蝕。泵在氣蝕條件下工作時間過長，泵的過流部件局部會遭到破壞，泵流量減小，壓力和效率顯著下降，泵性能惡化，水擊會產生各種頻率范圍的噪聲以及振動。

1 水泵NPSH基礎理論

1.1 主給水泵NPSH理論分析

NPSH又叫氣蝕余量，可分為有效氣蝕余量NPSHa和必須氣蝕余量NPSHr。

NPSHa是吸入管道提供的主給水泵吸入口處壓力大于飽和壓力的富裕能力，NPSHa越大，表明主給水泵抗氣蝕性能越好。NPSHa由入口管道的條件決定的，與主給水泵無關。

NPSHr是給水從泵吸入口到泵內壓力最低點的壓力降，NPSHr越小，表明主給水泵抗氣蝕性能越好。NPSHr由泵本身的結構決定，與泵吸入管道條件無關。主給水泵的NPSHa隨流量增大而減小，NPSHr則相反。

為了保證泵運行時不發生氣蝕，就需要保證NPSHa大于NPSHr，由于NPSHr由泵的設計者和制造方決定，電廠運行與儀控方面可以對NPSHa進行控制，使主給水泵的NPSHa足夠大。

1.2 電廠穩定功率運行時主給水泵的NPSHa控制

電廠穩態運行時，除氧器壓力穩定，除氧器水箱內水處于飽和狀態，不考慮除氧器水箱至給水泵入口給水溫度的很小的溫度降，主給水泵入口水溫度對應的飽和壓力與除氧器內壓力相同。由于除氧器水箱與主給水泵吸入口存在位差，以及前置泵為主給水泵提供一定的吸入壓頭，穩態運行工況可以保證NPSHa大于NPSHr。

1.3 汽輪機甩負荷時的主給水泵NPSHa變化

當汽輪機甩負荷時，汽機主調門迅速關小，除氧器汽源壓力隨之下降，在低負荷或停機時，低壓給水加熱器汽源喪失，導致凝結水溫度下降，低溫凝結水注入到除氧器中，導致除氧器內壓力進一步降低。由于主給水泵入口管道內水溫度變化比壓力變化慢得多，同時從除氧器到主給水泵的管道存水需要一定時間才能抽完，這就造成了主給水泵吸入口溫度未變化，對應的飽和壓力未變化，泵入口實際壓力逐漸下降，當泵內最低壓力小于該處水的飽和壓力時，NPSHa≤NPSHr，泵入口水開始汽化，泵發生氣蝕。

2 三門核電廠主給水泵防氣蝕方法介紹

根據工程實際經驗，在汽輪機甩負荷時防止給水泵氣蝕主要有三種方法：①降低凝結水流量，減少冷水對除氧器的降壓作用；②甩負荷時投入備用氣源，穩定除氧器壓力；③甩負荷時降低給水泵轉速，以增大NPSHa，減小NPSHr。三門核電廠由于采用電動給水泵，并且沒有變頻器，增速器也不能進行調速，不能降速運行，因此采用了前兩種方法進行主給水泵NPSH控制。

2.1 汽輪機甩負荷時對凝結水進行限流

三門核電廠除氧器液位采用單沖量控制，為防止在汽機甩負荷時因凝結水流量調節響應慢導致除氧器壓力過快下降，設置有凝結水一級限流模式和二級限流模式。

2.1.1 一級限流模式

當汽輪機甩負荷，汽機第一級沖動級后蒸汽壓力下降速率超過設定值時，一級限流模式觸發，兩個凝結水流量調節閥開度減小，使流量降低為瞬態前的30%。

2.1.2 二級限流模式

當甩負荷速率達到定值，同時汽輪機跳機，將觸發二級限流模式，直接關閉兩個凝結水流量調節閥。

2.1.3 限流模式復位信號

當以下任一信號出現時復位凝結水限流模式：①凝結水流量調節閥設為手動；②除氧器液位下降至-1100mm；③三臺給水泵流量和小于凝結水流量，延時10秒；④軟操界面手動復位；⑤汽機降負荷速率低于設定值且限流模式已持續60秒；⑥限流模式持續600秒。

2.2 汽輪機甩負荷時的除氧器壓力控制

除氧器壓力控制同樣采用單沖量控制，當汽輪機甩負荷速率達設定值時，NPSH模式投入，當除氧器壓力下降速率達到定值時（并非除氧器壓力下降到瞬態前的壓力整定值），開啟壓力控制閥，向除氧器提供輔助蒸汽以維持其壓力。當出現以下信號時，除氧器壓力控制NPSH模式退出：①除氧器壓力控制退出自動；②汽輪機跳閘；③汽機降負荷速率低于設定值且限流模式已持續60秒；④限流模式持續600秒；⑤除氧器壓力控制器輸出值（如果除氧器壓力下降速率達到定值，則為速率限制器設定值；如果除氧器壓力下降速率小于定值，則為即時的除氧器壓力值）與瞬態前整定值的差的絕對值小于0.002MPa。

在汽輪機甩負荷時，除氧器壓力控制NPSH模式可有效限制除氧器壓力下降速率。當汽輪機甩負荷至跳機時，由于凝結水二級限流動作，凝結水不會進入除氧器，除氧器由于自然散熱導致的壓力降低十分緩慢，因此可以退出除氧器壓力控制NPSH模式。

3 三門核電廠主給水泵NPSH控制中存在的問題

在汽輪機甩負荷時，尤其是甩負荷至停機時，二級限流導致凝結水流量為零，但是此時反應堆由于存在衰變熱或者沒有停堆，蒸汽發生器還需要給水供應，這樣除氧器液位會快速下降。當除氧器液位下降至報警值時在主控室觸發報警，這對于主控室操縱員處理故障以及分析事故原因是不利的，因為異常工況時，主控室報警過多會增加操縱員工作量，占用操縱員對優先級高的報警的處理時間。

對于凝結水限流模式和除氧器壓力控制NPSH模式可以通過以下方法進行改進：

當汽輪機甩負荷至跳機時，輔助蒸汽通常是可用的，此時可以將除氧器壓力控制NPSH模式更改為：在更高的除氧器壓力下投入輔助蒸汽，使除氧器保持較高的壓力，凝結水可以以小流量向除氧器供水，避免除氧器液位低觸發報警。另外，在電廠正常運行過程中，操縱員應關注除氧器液位，使其維持在程序液位，避免在甩負荷時過早出現除氧器液位低復位凝結水限流模式。

4 結語

主給水泵是核電廠常規島重要設備，對于保持蒸發器液位，導出一回路熱量具有重要作用。通過以上的描述分析，本文得出以下結論：

（1）汽輪機甩負荷工況時，由于除氧器壓力下降，且工質溫度變化較壓力變化存在滯后，主給水泵存在氣蝕的可能。

（2）三門核電廠在汽機甩負荷時，為了避免主給水泵氣蝕，設置有凝結水限流模式和除氧器壓力控制NPSH模式。

（3）三門核電廠甩負荷工況下的凝結水限流模式解決了除氧器液位單沖量調節的滯后問題。

（4）在異常工況下，為了給操縱員提供更好的操作環境，減少不必要的報警，凝結水限流模式和除氧器壓力控制NPSH模式還需要進一步改進。

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