AP1000核电厂主给水泵有效气蚀余量控制方法

【摘 要】本文介绍了三门核电厂主给水泵可能发生气蚀的工况，以及泵气蚀的危害；总结了该厂在甩负荷工况下主给水泵的防气蚀方法，并对其中存在的部分问题进行了分析，可对其它电厂主给水泵NPSH控制提供一定的参考。

【关键词】主给水泵；甩负荷；气蚀；NPSH

0 引言

AP1000机组采用三台电动主给水泵，主给水泵的水源——除氧器在电厂功率大于20%时为滑压运行，其加热蒸汽来自汽轮机第5级抽气，即高压缸排气，此压力与汽轮机负荷成正比。当汽轮机甩负荷时，如果除氧器压力下降过快，由于主给水泵吸入口温度变化比压力变化慢得多，可能会导致主给水泵气蚀。泵在气蚀条件下工作时间过长，泵的过流部件局部会遭到破坏，泵流量减小，压力和效率显著下降，泵性能恶化，水击会产生各种频率范围的噪声以及振动。

1 水泵NPSH基础理论

1.1 主给水泵NPSH理论分析

NPSH又叫气蚀余量，可分为有效气蚀余量NPSHa和必须气蚀余量NPSHr。

NPSHa是吸入管道提供的主给水泵吸入口处压力大于饱和压力的富裕能力，NPSHa越大，表明主给水泵抗气蚀性能越好。NPSHa由入口管道的条件决定的，与主给水泵无关。

NPSHr是给水从泵吸入口到泵内压力最低点的压力降，NPSHr越小，表明主给水泵抗气蚀性能越好。NPSHr由泵本身的结构决定，与泵吸入管道条件无关。主给水泵的NPSHa随流量增大而减小，NPSHr则相反。

为了保证泵运行时不发生气蚀，就需要保证NPSHa大于NPSHr，由于NPSHr由泵的设计者和制造方决定，电厂运行与仪控方面可以对NPSHa进行控制，使主给水泵的NPSHa足够大。

1.2 电厂稳定功率运行时主给水泵的NPSHa控制

电厂稳态运行时，除氧器压力稳定，除氧器水箱内水处于饱和状态，不考虑除氧器水箱至给水泵入口给水温度的很小的温度降，主给水泵入口水温度对应的饱和压力与除氧器内压力相同。由于除氧器水箱与主给水泵吸入口存在位差，以及前置泵为主给水泵提供一定的吸入压头，稳态运行工况可以保证NPSHa大于NPSHr。

1.3 汽轮机甩负荷时的主给水泵NPSHa变化

当汽轮机甩负荷时，汽机主调门迅速关小，除氧器汽源压力随之下降，在低负荷或停机时，低压给水加热器汽源丧失，导致凝结水温度下降，低温凝结水注入到除氧器中，导致除氧器内压力进一步降低。由于主给水泵入口管道内水温度变化比压力变化慢得多，同时从除氧器到主给水泵的管道存水需要一定时间才能抽完，这就造成了主给水泵吸入口温度未变化，对应的飽和压力未变化，泵入口实际压力逐渐下降，当泵内最低压力小于该处水的饱和压力时， NPSHa≤NPSHr，泵入口水开始汽化，泵发生气蚀。

2 三门核电厂主给水泵防气蚀方法介绍

根据工程实际经验，在汽轮机甩负荷时防止给水泵气蚀主要有三种方法：①降低凝结水流量，减少冷水对除氧器的降压作用；②甩负荷时投入备用气源，稳定除氧器压力；③甩负荷时降低给水泵转速，以增大NPSHa，减小NPSHr。三门核电厂由于采用电动给水泵，并且没有变频器，增速器也不能进行调速，不能降速运行，因此采用了前两种方法进行主给水泵NPSH控制。

2.1 汽轮机甩负荷时对凝结水进行限流

三门核电厂除氧器液位采用单冲量控制，为防止在汽机甩负荷时因凝结水流量调节响应慢导致除氧器压力过快下降，设置有凝结水一级限流模式和二级限流模式。

2.1.1 一级限流模式

当汽轮机甩负荷，汽机第一级冲动级后蒸汽压力下降速率超过设定值时，一级限流模式触发，两个凝结水流量调节阀开度减小，使流量降低为瞬态前的30%。

2.1.2 二级限流模式

当甩负荷速率达到定值，同时汽轮机跳机，将触发二级限流模式，直接关闭两个凝结水流量调节阀。

2.1.3 限流模式复位信号

当以下任一信号出现时复位凝结水限流模式：①凝结水流量调节阀设为手动；②除氧器液位下降至-1100mm；③三台给水泵流量和小于凝结水流量，延时10秒；④软操界面手动复位；⑤汽机降负荷速率低于设定值且限流模式已持续60秒；⑥限流模式持续600秒。

2.2 汽轮机甩负荷时的除氧器压力控制

除氧器压力控制同样采用单冲量控制，当汽轮机甩负荷速率达设定值时，NPSH模式投入，当除氧器压力下降速率达到定值时（并非除氧器压力下降到瞬态前的压力整定值），开启压力控制阀，向除氧器提供辅助蒸汽以维持其压力。当出现以下信号时，除氧器压力控制NPSH模式退出：①除氧器压力控制退出自动；②汽轮机跳闸；③汽机降负荷速率低于设定值且限流模式已持续60秒；④限流模式持续600秒；⑤除氧器压力控制器输出值（如果除氧器压力下降速率达到定值，则为速率限制器设定值；如果除氧器压力下降速率小于定值，则为即时的除氧器压力值）与瞬态前整定值的差的绝对值小于0.002MPa。

在汽轮机甩负荷时，除氧器压力控制NPSH模式可有效限制除氧器压力下降速率。当汽轮机甩负荷至跳机时，由于凝结水二级限流动作，凝结水不会进入除氧器，除氧器由于自然散热导致的压力降低十分缓慢，因此可以退出除氧器压力控制NPSH模式。

3 三门核电厂主给水泵NPSH控制中存在的问题

在汽轮机甩负荷时，尤其是甩负荷至停机时，二级限流导致凝结水流量为零，但是此时反应堆由于存在衰变热或者没有停堆，蒸汽发生器还需要给水供应，这样除氧器液位会快速下降。当除氧器液位下降至报警值时在主控室触发报警，这对于主控室操纵员处理故障以及分析事故原因是不利的，因为异常工况时，主控室报警过多会增加操纵员工作量，占用操纵员对优先级高的报警的处理时间。

对于凝结水限流模式和除氧器压力控制NPSH模式可以通过以下方法进行改进：

当汽轮机甩负荷至跳机时，辅助蒸汽通常是可用的，此时可以将除氧器压力控制NPSH模式更改为：在更高的除氧器压力下投入辅助蒸汽，使除氧器保持较高的压力，凝结水可以以小流量向除氧器供水，避免除氧器液位低触发报警。另外，在电厂正常运行过程中，操纵员应关注除氧器液位，使其维持在程序液位，避免在甩负荷时过早出现除氧器液位低复位凝结水限流模式。

4 结语

主给水泵是核电厂常规岛重要设备，对于保持蒸发器液位，导出一回路热量具有重要作用。通过以上的描述分析，本文得出以下结论：

（1）汽轮机甩负荷工况时，由于除氧器压力下降，且工质温度变化较压力变化存在滞后，主给水泵存在气蚀的可能。

（2）三门核电厂在汽机甩负荷时，为了避免主给水泵气蚀，设置有凝结水限流模式和除氧器压力控制NPSH模式。

（3）三门核电厂甩负荷工况下的凝结水限流模式解决了除氧器液位单冲量调节的滞后问题。

（4）在异常工况下，为了给操纵员提供更好的操作环境，减少不必要的报警，凝结水限流模式和除氧器压力控制NPSH模式还需要进一步改进。

【参考文献】

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[4]郭万青.甩负荷工况主给水泵NPSH控制分析[C]//中国核学会2011年学术年会论文集第2册.

[责任编辑：薛俊歌]

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