AP1000核电厂脱气塔真空泵运行特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)国核工程有限公司 作者:王鹏

  对AP1000核电厂脱气塔真空泵,在不同工况下的电流特性进行了试验研究。分析了泵的背压,泵抽取的气体流量,泵抽取气体的种类对泵的运行电流的影响。结果表明泵的背压越高泵的运行电流越大,并且存在一个峰值背压,使得泵的电流阶跃上升,造成泵过载。同时随着泵的流量的增加,运行电流缓慢上升;真空泵背压一定情况下,抽取不同种类气体的运行电流相同。

  AP1000机组脱气塔真空泵采用的闭式液环式真空泵,这种类型真空泵在火电厂及其他工业领域都有广泛应用。在这些非放射性领域中,真空泵出口管线直接排向大气,但是在核电厂中,由于抽取的介质是氢气等不凝性气体,这些气体经脱气塔从反应堆冷却剂中脱出,气体中携带有氙、氪等带放射性的裂变产物,故不能直接排放。在AP1000 核电厂设计中,真空泵出口的气体需要通过装满活性炭的延迟床,吸附氙,氪等裂变产物后,再排向大气,考虑到排气流量对裂变产物的延迟时间的影响,需要控制排气流量。

  真空泵进出口管线布置流程图见图1,这就造成了真空泵运行时,背压高于大气压。真空泵建立脱气塔真空时,抽吸的是空气,但在氮气置换工况及正常脱气工况下,抽取的是氮气和氢气的混合物,而真空泵制造厂家在设备出厂时,仅进行了背压是大气压下的,抽吸空气试验。造成实际的运行过程中,因无数据参考,发生了多起过电流跳泵事件。本文对AP1000 核电厂真空泵存在的所有运行工况,进行了现场试验,研究了泵的电流与泵流量,背压及抽取气体种类的相关性,为系统设计,泵的选型,及稳定运行提供了参考依据。

AP1000 脱气塔流程图

图1 AP1000 脱气塔流程图

1 、试验参数和公式

  1.1、设备技术规格

表1 真空泵电机技术规范

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  1.3、测量仪表

  试验中的仪表如下,位置见图1:真空泵的电流:PLS 在线采集数据。脱气塔压力:校验过的在线仪表。真空泵入口压力:校验过的在线仪表。真空泵出口背压:校验过的在线仪表。真空泵流量:根据理想气体状态方程公式(1) ,由脱气塔压力及对应时间,计算得出泵流量。氢气浓度表:校验过的在线仪表。氧气浓度表:校验过的在线仪表。

2、脱气塔真空泵运行特性试验

  脱气塔真空泵运行工况包括,初始建立真空,建立真空后的氮气吹扫,建立真空后的脱氢气工况。基于这三种工况,验证电流与流量,电流与背压,电流与气体种类相关性。

  2.1、电流与流量的相关性试验

  为排除因泵流量高造成的背压升高影响,现场断开脱气塔分离器后的出口管线,同时解开气水分离器上部法兰,使得泵的排气过程不会造成泵背压升高,模拟真空泵直接排向大气的工况。封闭脱气塔,在脱气塔初始压力为大气压时,启动真空泵建立真空,并采集数据,见图2,其中真空泵入口压力/suction pressure 由图1 中的部件5 采集。

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图2 真空泵电流与流量相关性

  图2 数据可以看出,真空泵的流量在大于250m3/h 区间时,泵处于高电流运行,但整个建立真空的阶段,泵的电流均未超过额定电流。随着流量小于250 m3/h,电流平稳减小。

  2.2、电流与背压相关性试验

  脱气塔真空泵出口按照图1 所示布置,脱气塔建立真空后,连续通入氮气,维持真空泵入口压力3kPa,背压20 kPa 连续运行,在泵的排气氧浓度为0后,关闭真空泵排气管线上的出口阀,监测真空泵电流,泵背压,泵入口压力曲线,如图3 所示。

  图3 数据表明,真空泵背压超过98 kPa 后,真空泵电流超过额定电流;在210 kPa,真空泵电流阶跃上升,过载跳泵,这个背压值是AP1000 真空泵的峰值背压。对比图2 数据,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为真空泵的入口压力与泵的电流大小无关。

  2.3、电流与气体种类相关性试验

  脱气塔真空泵出口按照图1 所示布置,脱气塔建立真空后,连续通入氮气,在泵的排气氧浓度为0后,关闭氮气,连续通入氢气,在泵的排气管线,氢表的浓度为100% 后,关闭真空泵排气管线上的出口阀,监测真空泵电流,泵背压,泵入口压力曲线。与通氮气时的数据对比,如图4 所示。

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图3 真空泵电流与泵的背压相关性

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图4 不同种类气体的背压与电流相关性

  试验中,氮气和氢气的数据高度吻合,如图4,表明在真空泵背压一定时,真空泵的电流与所抽取的气体种类无关,背压相同时,运行电流相同。

3、结论

  (1) AP1000 脱气塔真空泵首次建立真空时发生的过载跳闸及建立真空后,正常运行时发生的过载跳闸事件,均是由于泵的背压过高造成的,与泵的流量及泵的抽气种类相关性较小。

  (2) 达到峰值背压时,真空泵的电流阶跃上升,在真空泵的所有运行工况中,应避免背压达到峰值,维持小背压运行,有利于真空泵设备的安全。

  (3) 核电站排气中含有大量的放射性裂变产物,需要控制排气流量,以满足裂变产物吸附要求,这就导致真空泵必然在背压超过大气压下运行,后续AP1000 核电站及同类布置的真空泵,需要在出厂时测试其电流与背压的相关性。泵的设计选型也需要考虑泵的高背压运行特性。

  (4) 经过试验验证后,目前AP1000 电站,通过设计变更,将真空泵入口阀门由开关型,修改为调节型,控制泵的背压,以满足泵的不同运行工况。真空泵下游的放射性废气排气管线,应在放射性气体排放流量和泵的排放背压之间,进行最优化设计,该文的试验数据可为设计优化提供输入。

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