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中广核核电运营有限公司 广东深圳 518000
摘要： 某核电厂ASG汽动辅助给水泵（TWL45S）在每次大修上行执行额定流量试验时，扬程时有偏离最佳工况点，超出验收标准，针对此问题，经过理论分析和实际处理，将此问题得到有效处理，保证设备安全稳定运行。
关键词 汽动泵 扬程 转速 偏差 工况点
0 引言
汽动泵作为核电站辅助给水系统（ASG）的重要核安全设备，在反应堆出现这些情况时（反应堆热停堆、反应堆启动、反应堆冷却剂系统升温或者反应堆冷却到余热排出系统（RRA）能投入运行的状态），能够利用辅助给水泵（TWL45S汽动泵）向蒸发器二次侧供水，维持蒸发器水位在正常范围内，实现其设备功能。
辅助给水系统（ASG）属于专设安全系统，当正常给水系统（CVI，CEX，ABP，APA，ARE，APD）发生事故时，辅助给水系统运行，向蒸发器二次侧提供给水，导出堆芯余热，直至反应堆到达停堆冷却系统达到余热排出系统（RRA）可投入的状态，反应堆冷却系统的热量通过由辅助给水系统供水的蒸发器传给二回路，产生蒸汽，二回路系统蒸汽通过汽轮机旁路系统（GCT）排入凝汽器或排向大气。汽动泵无需外源，利用反应堆自身余热，带动给水泵汽轮机，驱使水泵向蒸发器源源不断提供给水，实现安全功能。
1设备简介
1.1概述
某核电厂3、4号机组采用的是英国克莱德联合泵业公司（Clyde Union）生产的TWL45S汽动泵，每台机组设置2台汽动泵，分别为ASG003/004PO，每台泵都为两级卧式离心泵，由汽轮机驱动。泵壳和汽缸为一体化设计，在泵壳和汽缸之间设有轴承润滑水室。水泵叶轮和汽轮机叶轮安装在同一根轴上，该轴有2个水润滑径向轴承， 轴承的润滑水取自泵第一级出口，并经过自洁式过滤器过滤后到达中间水室，通过中间水室流向汽机和泵侧轴承，安装在中间水室上的节流阀调节轴承润滑水压力，轴承润滑水通过水室回流管回到泵入口。为防止蒸汽热量向转子轴快速传递，在汽机侧轴上设计热屏结构，有效阻止热量的快速传递。气动泵外观结构图见图1，剖视图见图2。
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图1汽动泵外观结构图 图2汽动泵剖视图
1.2汽动泵调速原理
TWL45S汽动泵转速是通过机械式差压调速器控制。在泵出口装有一个文丘里管，文丘里管喉管处的测压孔经泵出口法兰接到压力调节装置液压缸下进口，泵壳上的测压管接到压力调节装置液压缸盖上进口。
由以下公式得：
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因此，可以看出流量Q与压差成抛物线的关系，说明文丘里管的作用是将流量的变化转化为压差信号传递给压力调节装置。
进而通过调节阀改变进汽量；当泵流量超过设定流量时，流经文丘里管喉部的流速增大，流速越大，喉部的静压就越小，在压差和弹簧力的作用下，液压缸的活塞推动控制杆下移动，通过杠杆机构带动调节阀阀芯在阀笼中向上移动，关小蒸汽进口，使泵转速降低，泵流量减小；同样，当泵流量低于设定流量时，喉部的静压就增大，在压差和弹簧力的作用，液压缸活塞推动控制杆向上移动，通过杠杆机构，带动调节阀阀芯在阀笼中向下移动，开大蒸汽进口，使泵转速增加，如此往复，达到调节泵转速的目的。汽动泵转速控制原理见图3，机械式差压调速器结构及内部受力分析见图4。
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1.3汽动泵工况点偏差计算标准及方法
在设备正常检修完成后，需要验收泵最佳工况点是否偏离设计工况点的标准范围。参考ISO 9906 Grade1中6.3章节Table 10给出的标准来验收扬程和流量，转速的验收标准为±3%（厂家试验导则给出），由于现场无法通过卸载弹簧力后，持续不断加载弹簧力获取各个流量平台的参数计算偏差，所以，先通过调节汽动泵出口流量调节阀，获取泵出口总流量在126t/h±4.5%范围内，验收汽动泵当前转速与额定转速偏差比、汽动泵当前压头和额定总压头偏差比是否超出标准。 汽动辅助给水泵的性能参数见表1，ISO9906/2000水泵行业标准见表2。
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假设汽动泵入口压力为A，汽动泵出口压力为B，汽动泵汽轮机试验进汽压力为a，泵出口流量为Qm，水的密度为ρ，汽动泵转速为Vm，即通过以下公式计算扬程与转速偏差：
(一)试验蒸汽压力a下的泵出口压头为Hm，即：
Hm =（B-A）/pg
(二)将试验蒸汽压力a修正到76bar.a 蒸汽压力下的修正系数为K：
K=1+0.0031×(76 -a-1)
(三)将试验蒸汽压力下汽动泵参数修正到76bar.a 蒸汽压力下的参数：
Q76 =Qm×K ； V76 =Vm ×K； H76 =Hm×?K2
按照Q76 流量在压力与流量的设计曲线(P-Q曲线）和转速与流量的设计曲线（V-Q曲线）上查得H理论和V理论，因此泵扬程偏差为：e H =（ H76 -H理论)/ H理论×100％，泵转速偏差：eV =(V76-V理论)/ V理论×100％是否满足验收标准。
2问题背景
在A核电厂3#、4#机汽动辅助给水泵ASG003/004PO多次出现汽动辅助给水泵性能参数（扬程）偏离设计工况点，为了把扬程参数控制在设计的范围内，耗费巨大的精力，为了保证核安全设备的安全可靠，也付出了巨大的经济代价，历史上出现的扬程偏差情况及影响后果见图表3
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3风险分析
从核安全专设功能考虑，目前岭澳核电站4台ASG汽动泵中有两台汽动泵出现此问题，逐年随着汽动泵出口总压头持续降低，如果出现蒸发器二次侧给水管道大破口，需要紧急向蒸发器二次侧供水，会出现给水流量和泵出口压头无法满足蒸发器水量要求，事故工况持续相当长时间，可能会导致反应堆余热无法持续导出，造成堆芯熔化等重大核事故。
从设备正常功能来考虑，此问题如不解决，导致日常运行和机组启停重大试验无法验收合格，造成设备IO事件，有可能导致机组退状态或者无法按时到达预定状态，影响电厂发电时间，造成电厂重大经济损失。
4原因分析
4.1试验系统分析
4.1.1核电厂内性能试验系统
在现场执行全流量试验时，泵出口流量通过泵下流三根环路上流量调节阀开度来控制泵出口流量，在泵出口总流量不变的情况下，任意一根环路阀门开度每一次设置不同，造成整根管线管道阻力不同，对泵出口压头偏差产生一定影响，影响转速偏差。
汽动泵执行过全检工作后，在各个流量平台（0t/h， 30t/h， 45t/h， 60t/h， 80t/h，101t/h）验收转速和扬程偏差满足±3%，即验收合格。泵出口流量注入蒸汽系统一次侧，会造成蒸汽系统冷却，造成蒸汽品质下降（蒸汽压力下降），随着时间推移，相应流量、扬程、转速发生变化，即泵的输入功率在变化。核电厂的试验系统如图5所示。
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实际计算过程中将实际蒸汽压力转换成标况蒸汽压力（绝对压力76bar.a) 时，蒸汽压力压力取自上游ASG008/018MP压力，而非汽轮机入口蒸汽压力，考虑到汽水分离器对其蒸汽压力产生一定压降，有一定压力损失存在，对计算结果产生影响。
另外实际计算中，没有考虑泵出口小流量管线分流泵出口总压头，产生压降，不能全部涵盖泵出口压头，对于计算结果产生一定影响。同时涉及到仪表采样误差，从涉及到的表计来粗略计算，表计累积偏差大约为+1.7%和﹣1.692%（如图6传输产生累积偏差），这些误差对于扬程偏差波动也会产生影响，印证了扬程偏差变大的现象。
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4.1.2、制造厂内性能试验系统
制造厂出厂试验是在恒定压力50bar条件下，通过调整调速器改变转速获取不同流量平台的参数，进行各个流量平台进行测试，通过多项式进行拟合曲线，只要满足额定流量点（126t/h）的偏差要求，其他流量平台不做要求。蒸汽系统与水系统单独分开，不受蒸汽参数的影响，即泵的输入功率不变。另外，厂家对对泵的转速没有考量。
额定流量点偏差范围以ISO9906-Grade1标准与采购规范书标准来衡量；但是SO9906Grade仅适用于运行工况点。
4.2设备分析
从设备结构、原理及试验数据分析，扬程和转速出现超差，主要是由于泵转速不稳定造成的，对比大修调整前后的数据可以看出（表3），调整前，转速经历日常循环运行由正偏差变为负偏差，跟随扬程也由正偏差变为负偏差，调整后，转速由负偏差恢复到正偏差，相应扬程也由负偏差恢复到正偏差，说明，扬程随转速的变化趋势一致，即转速是影响扬程偏差变化的主要因素，而转速主要受制于调速器来控制，所以，扬程超差与调速器有直接关系。
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从调速器设备结构来分析，主要考虑有以下三方面原因：
（1）调速器弹簧长期处于压缩状态，弹簧特性随着时间发生轻微变化，造成预紧力偏低，转速下降。
（2）调速器活塞杆或者导向柱密封件损坏，导致调速器内部高压区水流向低压区，转速降低，扬程出现负超差。
（3）调速器自身特性，由于机械差压式调速器本身设计精度受限，无法精准调节扬程在验收标准范围内。
5处理措施及效果
5.1直接处理措施
当汽动泵在运行时正常转速偏离额定运行转速时，通过旋转调速器底部转速调整螺母，改变转速，从而改变泵的出力，进而消除转速超差和扬程超差。 调整方式：如图7，调整螺母为右旋螺母，从上往下看，顺时针旋转为转速增大，逆时针旋转为转速减小。
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5.2 根本处理措施
优化试验流程和验收准则：如果ASG汽动泵执行了全检或者调速系统进行了调整，改变以前试验验收方法，不用在每个流量平台（ 0t/h， 30t/h， 45t/h， 60t/h， 80t/h）换算泵转速、扬程偏差在标准范围之内，只需采集相关参数；但是在满流量（126t/h、含再循环流量)对泵的对泵的性能进行验收，在验收标准范围之内，即验收合格。
优化全流量试验顺序：先执行全流量（126t/h）试验试验，即在蒸汽品质最好的时候让泵带最的的负荷，这时泵的性能也应该是最好的。
5.3设备运行效果
经对泵的性能验收准则和试验方法进行优化，后续多轮大修泵的全流量试验全部一次验收合格；日常期间泵的小流量试验各项参数运行稳定。
6结束语
针对此问题，在汽动泵运行时，参考多次的调整数据，经分析计算，精确给出调整裕量，成功在线调整转速螺母，将转速调整到标准范围内，使转速偏差和扬程偏差满足标准偏差范围，杜绝汽动泵在事故状态下可能出现的供水不足情况，为核电站安全运行奠定良好的基础。
另外在泵的性能验收出现偏差时，考虑设备自身问题的同时也需要考虑验收的标准是否合适及试验方法是否得当，只有这样才能从根本上解决问题。
参考文献：
[1]900MW压水堆核电站系统与设备/广东核电培训中心编. -北京：原子能出版社，2001.1ISBN 978-7-5022-3171-2.
[2] ISO9906/2000水泵行业标准.
[3] 给蒸汽发生器供水的正常工况下ASG汽动泵的试验, K-OP-T-3-ASG-006.
[4] 马素霞. 泵系统的瞬变流特性 北京：中国水利水电出版社2007.
作者简介：
司晓贞（1985－），男,大学本科、工程师，主要从事核级汽轮机/核级水泵/核级阀门维修工作。