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AP1000核電廠脫氣塔真空泵運行特性研究

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)國核工程有限公司 作者:王鵬

  對AP1000核電廠脫氣塔真空泵,在不同工況下的電流特性進行了試驗研究。分析了泵的背壓,泵抽取的氣體流量,泵抽取氣體的種類對泵的運行電流的影響。結果表明泵的背壓越高泵的運行電流越大,并且存在一個峰值背壓,使得泵的電流階躍上升,造成泵過載。同時隨著泵的流量的增加,運行電流緩慢上升;真空泵背壓一定情況下,抽取不同種類氣體的運行電流相同。

  AP1000機組脫氣塔真空泵采用的閉式液環式真空泵,這種類型真空泵在火電廠及其他工業領域都有廣泛應用。在這些非放射性領域中,真空泵出口管線直接排向大氣,但是在核電廠中,由于抽取的介質是氫氣等不凝性氣體,這些氣體經脫氣塔從反應堆冷卻劑中脫出,氣體中攜帶有氙、氪等帶放射性的裂變產物,故不能直接排放。在AP1000 核電廠設計中,真空泵出口的氣體需要通過裝滿活性炭的延遲床,吸附氙,氪等裂變產物后,再排向大氣,考慮到排氣流量對裂變產物的延遲時間的影響,需要控制排氣流量。

  真空泵進出口管線布置流程圖見圖1,這就造成了真空泵運行時,背壓高于大氣壓。真空泵建立脫氣塔真空時,抽吸的是空氣,但在氮氣置換工況及正常脫氣工況下,抽取的是氮氣和氫氣的混合物,而真空泵制造廠家在設備出廠時,僅進行了背壓是大氣壓下的,抽吸空氣試驗。造成實際的運行過程中,因無數據參考,發生了多起過電流跳泵事件。本文對AP1000 核電廠真空泵存在的所有運行工況,進行了現場試驗,研究了泵的電流與泵流量,背壓及抽取氣體種類的相關性,為系統設計,泵的選型,及穩定運行提供了參考依據。

AP1000 脫氣塔流程圖

圖1 AP1000 脫氣塔流程圖

1 、試驗參數和公式

  1.1、設備技術規格

表1 真空泵電機技術規范

AP1000核電廠脫氣塔真空泵運行特性研究

  1.3、測量儀表

  試驗中的儀表如下,位置見圖1:真空泵的電流:PLS 在線采集數據。脫氣塔壓力:校驗過的在線儀表。真空泵入口壓力:校驗過的在線儀表。真空泵出口背壓:校驗過的在線儀表。真空泵流量:根據理想氣體狀態方程公式(1) ,由脫氣塔壓力及對應時間,計算得出泵流量。氫氣濃度表:校驗過的在線儀表。氧氣濃度表:校驗過的在線儀表。

2、脫氣塔真空泵運行特性試驗

  脫氣塔真空泵運行工況包括,初始建立真空,建立真空后的氮氣吹掃,建立真空后的脫氫氣工況。基于這三種工況,驗證電流與流量,電流與背壓,電流與氣體種類相關性。

  2.1、電流與流量的相關性試驗

  為排除因泵流量高造成的背壓升高影響,現場斷開脫氣塔分離器后的出口管線,同時解開氣水分離器上部法蘭,使得泵的排氣過程不會造成泵背壓升高,模擬真空泵直接排向大氣的工況。封閉脫氣塔,在脫氣塔初始壓力為大氣壓時,啟動真空泵建立真空,并采集數據,見圖2,其中真空泵入口壓力/suction pressure 由圖1 中的部件5 采集。

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圖2 真空泵電流與流量相關性

  圖2 數據可以看出,真空泵的流量在大于250m3/h 區間時,泵處于高電流運行,但整個建立真空的階段,泵的電流均未超過額定電流。隨著流量小于250 m3/h,電流平穩減小。

  2.2、電流與背壓相關性試驗

  脫氣塔真空泵出口按照圖1 所示布置,脫氣塔建立真空后,連續通入氮氣,維持真空泵入口壓力3kPa,背壓20 kPa 連續運行,在泵的排氣氧濃度為0后,關閉真空泵排氣管線上的出口閥,監測真空泵電流,泵背壓,泵入口壓力曲線,如圖3 所示。

  圖3 數據表明,真空泵背壓超過98 kPa 后,真空泵電流超過額定電流;在210 kPa,真空泵電流階躍上升,過載跳泵,這個背壓值是AP1000 真空泵的峰值背壓。對比圖2 數據,真空技術網(http://www.sakcw.tw/)認為真空泵的入口壓力與泵的電流大小無關。

  2.3、電流與氣體種類相關性試驗

  脫氣塔真空泵出口按照圖1 所示布置,脫氣塔建立真空后,連續通入氮氣,在泵的排氣氧濃度為0后,關閉氮氣,連續通入氫氣,在泵的排氣管線,氫表的濃度為100% 后,關閉真空泵排氣管線上的出口閥,監測真空泵電流,泵背壓,泵入口壓力曲線。與通氮氣時的數據對比,如圖4 所示。

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圖3 真空泵電流與泵的背壓相關性

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圖4 不同種類氣體的背壓與電流相關性

  試驗中,氮氣和氫氣的數據高度吻合,如圖4,表明在真空泵背壓一定時,真空泵的電流與所抽取的氣體種類無關,背壓相同時,運行電流相同。

3、結論

  (1) AP1000 脫氣塔真空泵首次建立真空時發生的過載跳閘及建立真空后,正常運行時發生的過載跳閘事件,均是由于泵的背壓過高造成的,與泵的流量及泵的抽氣種類相關性較小。

  (2) 達到峰值背壓時,真空泵的電流階躍上升,在真空泵的所有運行工況中,應避免背壓達到峰值,維持小背壓運行,有利于真空泵設備的安全。

  (3) 核電站排氣中含有大量的放射性裂變產物,需要控制排氣流量,以滿足裂變產物吸附要求,這就導致真空泵必然在背壓超過大氣壓下運行,后續AP1000 核電站及同類布置的真空泵,需要在出廠時測試其電流與背壓的相關性。泵的設計選型也需要考慮泵的高背壓運行特性。

  (4) 經過試驗驗證后,目前AP1000 電站,通過設計變更,將真空泵入口閥門由開關型,修改為調節型,控制泵的背壓,以滿足泵的不同運行工況。真空泵下游的放射性廢氣排氣管線,應在放射性氣體排放流量和泵的排放背壓之間,進行最優化設計,該文的試驗數據可為設計優化提供輸入。

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