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海阳核电站低加疏水泵设计 选型 汽蚀余量分析 核算
摘要：在核电站初步设计阶段，及早进行机组低加疏水泵设计流量及扬程核算，参考运行工况的流量-扬程值及低加疏水泵特性曲线。同时通过低加疏水泵有效汽蚀余量的校核计算，确保低加疏水泵在各种运行工况下都不发生汽蚀。综合上述因素最终确定低加疏水泵的型号和技术参数。 正文：
XX#3、#4低压加热器为A、B双列带旁路设计，#3低加疏水箱接受对应列#3低加蒸汽凝结疏水，#4低加疏水通过疏水调节管道流入对应列#3低加疏水箱。疏水箱中疏水为饱和水，安装在7.5米中间层，在每台#3低加疏水箱下方的零米层设置一台低加疏水泵，将疏水注入对应列#3低加凝结水出口管道。
图1 低加疏水系统管线图
1 低加疏水泵设计流量-扬程的确定
2008年底初步设计阶段，设计研究院提供的XX一期低加疏水泵设计规范书。提供的低加疏水泵经济运行点流量是225t/h，特殊运行工况有3种：VWO调节气门全开运行工况，高加全体解列工况，以及#3、#4低加单列切除工况。
设计院提供的初版规范书中的设计流量和扬程值偏大，与设计院联系澄清，确认为低加疏水在运行温度112.6℃对应的疏水密度选取错误，将其更正为948.6Kg/m3后，重新提供低加疏水泵设计工况点如表1。要求投标厂家按3种特殊运行工况的流量-扬程值提供低加疏水泵特性曲线。
表1
表1说明：
额定工况对应疏水泵运行的最高效率区，
VWO工况：汽轮机主调节阀全开运行工况；
高加全切工况：#6、#7抽气管道无抽气量、逆止阀关；
#3、#4低加单列切除工况：一列#3、#4低加及对应疏水泵退出运行，75%的凝结水走运行列，25%的凝结水走旁路，运行列抽气量和疏水量相对额定工况增加100m3/h。
图2 低加疏水泵选型工况流量-扬程坐标图
投标厂家认为：如按照#3、4低加单列切除工况（第3工况）对应的流量扬程来选取疏水泵，会比VWO工况对应的疏水泵扬程高10%。这样疏水泵在额定工况要长期节流运行，浪费厂用电。投标厂家向设计院发出建议，是否能只按VWO工况和高加全部解列工况来确定疏水泵流量和扬程，在单列低加切除时，多出来的约100 m3/h疏水通过应急疏水管道排往凝汽器。设计院设计人员考虑后同意投标厂家意见，根据工况1、工况2来确定低加疏水泵特性曲线，工况3的流量-扬程值仍在标书及合同中保留，用作疏水泵校核工况使用。
2 低加疏水泵必需汽蚀余量的确定
在各投标厂家提供低加疏水泵设计参数及必需汽蚀余量后，我方提出意见认为：低加疏水泵运行情况恶劣，易发生汽蚀。需确认按照设计规范书中“低加疏水泵必需汽蚀余量(NPSHr 0%)应小于4米（水柱）”来选择疏水泵，要求值是否足够，是否能确保XX的低加疏水泵在各种运行工况下都不发生汽蚀。
各厂家疏水泵的必须汽蚀余量要求值
表2
我方向设计院咨询“低加疏水泵必需汽蚀余量(NPSHr 0%)应小于4米（水柱）”的要求是怎样得出的。设计院反馈是根据疏水系统设计状况计算得出，根据疏水泵入口管道倒灌高度，计算稳定运行和快速降负荷期间疏水泵入口的有效汽蚀余量NPSHa值，得出疏水泵必需汽蚀余量NPSHr应小于4米（水柱）。
设计院说明了疏水泵汽蚀余量的考虑因素，但不肯提供具体计算过程。为了确保低加疏水泵设计要求准确可靠，我方整理低加疏水泵设计数据自行核算。
3 低加疏水泵有效汽蚀余量的校核计算
低加疏水箱底座安装高度为7.5米中间层，低加疏水泵安装高度为0米层。
低加疏水箱低水位相对底座0.9米。假设疏水泵入口管中心高度为0.5米，则倒灌高度-Hg的最小值为7.9米。
疏水泵选型根据MHI提供的热平衡图取值，在额定运行工况，低加疏水箱压力pe=0.156MPa（a），温度te=112.6℃，因疏水连续流动，不考虑入口管道散热，疏水泵入口水温tv=te=112.6℃，入口汽化压力pvs≈0.156MPa（a）。
图3 100%负荷低加疏水运行参数 图4 低加疏水系统草图
每台疏水泵流量Qm=444829/2=222415Kg/h，疏水密度948Kg/m3，按1.05倍取流量裕量，求得低加疏水泵体积流量Qv=222415×1.05/948/3600=0.0684m3/s。
疏水泵入口管管径为Φ356×9mm，其内径d=0.338m，截面积0.09m2，求得疏水泵入口管内流速v=0.0684/0.09=0.76m/s，v2/2g=0.0295m水柱。求得疏水泵入口管阻力损失之和∑hs≈0.43 m水柱。
计算额定工况疏水泵入口有效汽蚀余量NPSHa=(pe-pvs)/(ρ×g)-Hg-∑hs=0-Hg-∑hs=7.9-0.43=7.47m水柱。
4 低加疏水泵汽蚀余量分析
在机组冷态运行及稳定运行工况下，疏水箱运行压力pe≈pvs，求得各运行工况下的汽蚀余量，见表3
表3
可以确认：疏水箱内压力没有快速下降时，疏水泵不会发生汽蚀。
在机组瞬态运行工况下：
（1）疏水箱水位降低到低2值时，相对正常水位减少0.23米，计算有效汽蚀余量NPSHa为7.35 米水柱，此时疏水泵保护动作跳泵，不发生汽蚀。
（2）机组甩负荷时，疏水泵保护动作跳泵，疏水箱应急疏水阀打开。疏水泵流量迅速降至零，不发生汽蚀。
（3）机组快速降负荷有两种情况，一种是100%负荷负荷，另一种是100%负荷下，跳单台给水泵，机组RunBack到70%负荷。以第二种情况为例分析如下：
100%负荷下跳单台给水泵，触发RunBack，汽轮机主蒸汽调节阀关，控制机组负荷按每分钟100%负荷下降，大约18秒后降至70%负荷。汽轮机供汽量减少，各级抽汽压力随之下降，#3低加及疏水箱内部压力pe降至0.113MPa（a），平均每秒降低2.61KPa。压力下降导致疏水箱内部存水快速蒸发，低加疏水箱内部饱和水温te平均每秒下降0.52℃。计算疏水泵入口管道长度及管道流速，疏水箱底部的疏水大约需要15秒才能流到疏水泵入口，在此之前，疏水泵入口疏水温度tv仍保持112.6℃，对应汽化压力pvs不变，仍为0.156MPa（a）。
图5 70%负荷低加疏水运行参数
则在Runback大约15秒后，疏水箱压力pe降至0.12MPa，与疏水泵入口汽化压力pvs差值最大。此时有效汽蚀余量NPSHa=(pe-pvs)/(ρ×g)-Hg-∑hs=（0.12-0.156）×106/948/9.8+7.9-0.43=3.6米水柱，对于必需汽蚀余量NPSHr 0%=4米水柱的疏水泵，疏水泵内疏水有可能短时间汽化，推算汽蚀时间约为8秒。
5 XX低加疏水泵选型结果
对于疏水泵在机组快速降负荷期间可能出现的短时汽蚀，设计院在疏水泵技术规范书中规定：“泵可承受TG负荷10%阶跃减少达2000次。在这种瞬态工况下，NPSHa将降到最小值。且该工况持续约30秒。在该工况下泵不应因汽蚀、震动损坏”。
综合考虑XX疏水泵系统设计条件及各厂家提供的必需汽蚀余量NPSHr要求值，讨论认为：为了防止XX低加疏水泵在速降负荷期间发生汽蚀，有必要增加疏水箱水位与疏水泵首级叶轮之间的高度差。由于立式低加疏水泵入口叶轮中心线高度在零米层以下，相对卧式低加疏水泵倒灌高度有所增加，对运行更为有利。
零米地面低 |
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