翁娜，沈秋平，郝國鋒

(上海核工程研究設(shè)計院，上海市 200233)

第三代核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)冷卻系統(tǒng)風(fēng)機設(shè)計

翁娜，沈秋平，郝國鋒

(上海核工程研究設(shè)計院，上海市 200233)

為了滿足堆頂組件整體吊裝和冷卻介質(zhì)流道的要求，第三代核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)(control rod drive mechanism，CRDM)冷卻系統(tǒng)風(fēng)機采用了有別于在傳統(tǒng)壓水堆核電站中此類風(fēng)機的結(jié)構(gòu)和布置形式，研究其性能和鑒定方案是設(shè)計該類設(shè)備的關(guān)鍵點。通過分析CRDM冷卻系統(tǒng)和風(fēng)機的設(shè)計要求，采用傳統(tǒng)方法計算主要性能參數(shù)，確定了風(fēng)機的類型和主要結(jié)構(gòu)形式，計算結(jié)果表明，第三代核電站CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機為非標(biāo)設(shè)計，國內(nèi)暫無同類成熟產(chǎn)品，其設(shè)計需經(jīng)試驗和工程實踐檢驗。針對風(fēng)機設(shè)計中的關(guān)鍵考核點，結(jié)合工程經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，擬定了用于質(zhì)量鑒定的試驗要求和型式試驗方案，可為研制此類風(fēng)機產(chǎn)品提供技術(shù)指導(dǎo)。

第三代核電站；風(fēng)機；控制棒驅(qū)動機構(gòu)(CRDM)；性能參數(shù)；型式試驗

0 引 言

控制棒驅(qū)動機構(gòu)(control rod drive mechanism，CRDM)冷卻系統(tǒng)風(fēng)機是第三代核電站一體化堆頂組件(integrated head package，IHP)的重要組成部分，是第三代核電技術(shù)引進設(shè)備之一[1]。CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機與風(fēng)閥、圍筒、通風(fēng)圍板、風(fēng)管、風(fēng)管配件、風(fēng)機支承、監(jiān)測儀表及電氣部件等組成CRDM冷卻系統(tǒng)，為控制棒驅(qū)動機構(gòu)提供強迫冷卻空氣[2]，使控制棒驅(qū)動機構(gòu)磁軛線圈組件運行在允許溫度范圍內(nèi)，確保控制棒驅(qū)動機構(gòu)的正常運行[3]。

目前，我國在役壓水堆核電站CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機設(shè)置在遠離反應(yīng)堆區(qū)域，停堆換料期間，需花費人工進行風(fēng)管拆裝和單獨存、放操作，屬于壓力容器頂蓋開、合蓋操作中的一部分，是核電廠換料大修活動工時中需評估項[4]。第三代核電站CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機安裝在安全殼內(nèi)反應(yīng)堆上方，換料操作時無須拆除，可與IHP、反應(yīng)堆壓力容器頂蓋等堆頂其他設(shè)備一同吊裝和存放[5]。由于第三代核電站的換料周期為18個月，考慮經(jīng)濟性和安全性，該風(fēng)機的維護間隔時間為24個月[6]。這些結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和布置特點給該風(fēng)機的設(shè)計和制造帶來新的難點和挑戰(zhàn)，CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的設(shè)計壽命為60年[7]，為抗震II類設(shè)備，由于安裝在堆頂，該風(fēng)機需長期連續(xù)運行在高溫和高輻射劑量環(huán)境條件下，并且在反應(yīng)堆運行期間不能進行維護。此外，該風(fēng)機的結(jié)構(gòu)外形尺寸也受到堆頂布置和堆頂設(shè)備一體化操作的嚴格限制，與外部及內(nèi)部設(shè)備的接口設(shè)計應(yīng)盡可能簡單并易于拆裝維護。因此，第三代核電站設(shè)計過程中應(yīng)研究該風(fēng)機的結(jié)構(gòu)特點和性能參數(shù)，以掌握該設(shè)備設(shè)計和制造中的關(guān)鍵技術(shù)，為該設(shè)備的研制提供理論基礎(chǔ)。

CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機由風(fēng)機本體結(jié)構(gòu)(整流罩，葉輪，導(dǎo)葉，機殼等)、電機、風(fēng)閥和隔振裝置等組成。該風(fēng)機的性能直接影響控制棒驅(qū)動機構(gòu)的核安全有關(guān)功能的執(zhí)行[8]，同時其可靠性也是電廠運行經(jīng)濟性考慮的重要設(shè)備之一。本文通過剖析CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的設(shè)計要求，根據(jù)反應(yīng)堆本體工藝布置的需求，結(jié)合工程經(jīng)驗，確定風(fēng)機的類型和主要性能參數(shù)。針對該風(fēng)機的設(shè)計特點，本文初步確定關(guān)鍵組成部分——風(fēng)機本體和電機的設(shè)計和制造的解決方案和試驗要求。

1 設(shè)計要求

1.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求

CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機安裝在IHP的頂部，通過風(fēng)管和支承結(jié)構(gòu)與圍筒連接?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)冷卻系統(tǒng)的氣流路徑和風(fēng)機的布置見圖1[9]。冷卻空氣通過圍筒上的風(fēng)門進入圍筒內(nèi)部，流經(jīng)控制棒驅(qū)動機構(gòu)磁軛線圈后自下而上經(jīng)過風(fēng)管到達風(fēng)機，并最終排放到安全殼大廳中。

1.2 風(fēng)機設(shè)計要求

CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的設(shè)計壽命為60年，應(yīng)能無故障連續(xù)運行24個月并無須維護，其主要設(shè)計輸入數(shù)據(jù)和設(shè)計要求見表1。CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機為非核安全相關(guān)設(shè)備，抗震Ⅱ類物項，設(shè)計應(yīng)評估地震載荷不會引起不可接受的風(fēng)機結(jié)構(gòu)失效，但不要求保持其功能。根據(jù)核電廠重要系統(tǒng)設(shè)計的多重性原則，選用4臺相同性能的風(fēng)機并聯(lián)安裝在控制棒驅(qū)動機構(gòu)冷卻系統(tǒng)熱源下游，在正常工作時任意2臺風(fēng)機運行，其他2臺備用。風(fēng)機由雙電源回路冗余供電，運行過程中其監(jiān)測信號通過分散控制系統(tǒng)傳輸至主控制室[10]。由于性能相同的通風(fēng)機并聯(lián)運行時，系統(tǒng)流量等于通風(fēng)機的流量之和，管網(wǎng)阻力由通風(fēng)機的壓力共同克服，即為單臺通風(fēng)機的全壓。

圖1 控制棒驅(qū)動機構(gòu)冷卻系統(tǒng)的氣流路徑圖

表1 CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機設(shè)計輸入數(shù)據(jù)匯總

2 風(fēng)機類型及其性能參數(shù)

2.1 風(fēng)機選型

風(fēng)機的性能參數(shù)直接與進氣狀態(tài)相關(guān)，描述風(fēng)機性能時通常采用標(biāo)準(zhǔn)進氣狀態(tài)。我國規(guī)定的通風(fēng)機標(biāo)準(zhǔn)進氣狀態(tài)為：工質(zhì)為空氣，壓強為101 325 Pa，溫度為293 K，密度為1.2 kg/m3。當(dāng)通風(fēng)機在額定轉(zhuǎn)速下運行時，標(biāo)準(zhǔn)進氣狀態(tài)條件下的風(fēng)機全壓與規(guī)定溫度下的全壓存在以下關(guān)系式：

(1)

式中：pF0為標(biāo)準(zhǔn)進氣狀態(tài)下的風(fēng)機全壓，Pa；pF為系統(tǒng)運行條件下的風(fēng)機全壓，Pa；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，kg/m3；ρ為系統(tǒng)運行條件下的空氣密度，kg/m3[11]。由式(1)可得，CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的全壓為927.8 Pa(標(biāo)準(zhǔn)進氣狀態(tài))，屬于通風(fēng)機[12]。

比轉(zhuǎn)速用于表達通風(fēng)機流量、升壓、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，常用于劃分通風(fēng)機的類型。當(dāng)風(fēng)機進口狀態(tài)為非標(biāo)準(zhǔn)或氣體種類不同時，比轉(zhuǎn)速的計算應(yīng)考慮氣體密度的變化，即：

(2)

式中：ns為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的比轉(zhuǎn)速；n為通風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速，r/min；Q為通風(fēng)機的額定流量，m3/s；Δp為通風(fēng)機的額定全壓，Pa[11]。

由于CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機安裝在安全殼內(nèi)堆頂上方，考慮輻照對傳動材料的影響以及維護方便，葉輪與電機之間采用直聯(lián)型的剛性傳動結(jié)構(gòu)，使風(fēng)機的結(jié)構(gòu)更加緊湊，并能提高傳動效率。因此，CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速與電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同。CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的電動機采用三相異步電機，同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足以下關(guān)系式：

nm=(1-s)nsync

(3)

式中：nm為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；s為轉(zhuǎn)差率；nsync為同步轉(zhuǎn)速，r/min[13]。其中電動機在額定負載下的轉(zhuǎn)差率為0.013。

根據(jù)式(2)、(3)，得到CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的比轉(zhuǎn)速為31。由于軸流式通風(fēng)機的比轉(zhuǎn)速為18～36，并且高壓軸流式通風(fēng)機的升壓一般大于490 Pa、小于4 900 Pa[11]，可知CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機為高壓式軸流式通風(fēng)機。

2.2 性能參數(shù)計算

2.2.1 軸功率

圖2為各種通風(fēng)機的效率曲線[11]，可利用該圖選擇最合適的通風(fēng)機模擬出風(fēng)機的最高效率。圖中：δ為直徑系數(shù)；η為全壓效率；σ為轉(zhuǎn)速系數(shù)，且滿足以下關(guān)系式：

(4)

由式(4)可得轉(zhuǎn)速系數(shù)為1.25，查圖2可知全壓效率為0.865。

圖2 通風(fēng)機最高效率曲線

風(fēng)機的軸功率可表示為

(5)

式中：ps為軸功率，kW；ηm為傳動效率[11]。取傳動效率為0.98，由式(4)、(5)可得風(fēng)機的軸功率為17.5 kW。與風(fēng)機選配的電動機功率滿足：

(6)

式中：pM為電機的額定功率，kW；k為電動機功率儲備系數(shù)[11]。考慮電機選用1.1功率儲備系數(shù)，由式(6)得到電機計算功率為18.88 kW。參考GB/T 4772.1—1999《旋轉(zhuǎn)電機尺寸和輸出功率等級》[14]，與本風(fēng)機配合的電動機可采用額定功率為22 kW的三相異步電機。

2.2.2 葉輪外徑/圓周速率/壓力系數(shù)

軸流通風(fēng)機輪轂比和軸流通風(fēng)機葉輪外徑系數(shù)隨比轉(zhuǎn)速的變化曲線分別如圖3、4[11]所示。由圖3、4可得，CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的輪轂比為0.45～0.63，葉輪外徑系數(shù)為2.02。

圖3 軸流通風(fēng)機輪轂比隨比轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖4 軸流通風(fēng)機葉輪外徑系數(shù)隨比轉(zhuǎn)速的變化曲線

葉輪的外徑需滿足以下關(guān)系式：

(7)

式中：Dt為葉輪外徑，m；Ku為葉輪外徑系數(shù)[11]。由式(7)得到葉輪外徑為1.11 m。由于控制棒驅(qū)動機構(gòu)冷卻系統(tǒng)要求風(fēng)機的外殼內(nèi)徑小于0.915 m，取葉輪外徑0.9 m，根據(jù)GB/T 3235—2008《通風(fēng)機基本型式、尺寸參數(shù)及性能曲線》[15]的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列選取輪轂比為0.556，輪轂直徑為0.5 m。

葉輪外徑處的圓周速度滿足以下關(guān)系式：

(8)

式中：ut為葉輪外徑處的圓周速度，m/s[11]。根據(jù)式(8)得到葉輪外徑處的圓周速度為69.8 m/s，滿足要求。

風(fēng)機的壓力系數(shù)滿足以下關(guān)系式：

(9)

式中：ψ為壓力系數(shù)[11]。根據(jù)式(9)得到風(fēng)機的壓力系數(shù)為0.188，因此，該風(fēng)機可考慮采用葉輪加后導(dǎo)葉[11]。CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機設(shè)計參數(shù)

3 試驗方案

3.1 總體試驗方案

第三代核電站CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機為非標(biāo)設(shè)計，在國內(nèi)無現(xiàn)成成熟產(chǎn)品可用于工程實踐，葉輪、輪轂、導(dǎo)葉、匹配電機的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)需要重新設(shè)計和考核。開發(fā)此類新型風(fēng)機應(yīng)進行型式試驗，以檢驗產(chǎn)品質(zhì)量和驗證風(fēng)機的總體性能。由于CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機需確保在高溫環(huán)境條件下連續(xù)運行24個月不需維護，因此應(yīng)制定一套嚴謹?shù)哪M環(huán)境條件的試驗方案，考核電機與風(fēng)機本體組裝后的運行壽命。該試驗應(yīng)模擬冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)的最高溫度，工程實際安裝方式和電機的負載。試驗前研制單位應(yīng)確定合適的試驗持續(xù)時間和試驗結(jié)束后的復(fù)驗方案，用于考核軸承溫升、電機繞組溫升和軸承潤滑油脂的性能等。各項試驗應(yīng)滿足EJ/T 886—2006《核級通風(fēng)機設(shè)計通則》[16]規(guī)定，CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的型式試驗內(nèi)容見圖5。

圖5 CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機型式試驗流程

3.2 關(guān)鍵部件試驗方案

By proceeding in this way, he makes a path towards a variety of subjects. I call them icons of Chinese art. He makes different collections with these images plucked out of old Chinese art.

CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的機殼尺寸相對標(biāo)準(zhǔn)系列的尺寸偏小，電機冷卻外殼的設(shè)計需在有限空間內(nèi)利用結(jié)構(gòu)設(shè)計使其冷卻最優(yōu)化。CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的電機冷卻介質(zhì)為空氣，通過空氣自循環(huán)冷卻機殼表面，以降低繞組溫升。電機設(shè)計時應(yīng)建立數(shù)學(xué)模型進行內(nèi)部流場分析，評估機殼的冷卻效果。在進行風(fēng)機性能試驗和電機的型式試驗時，可使用傳感器進行實時測量以驗證設(shè)計。

常規(guī)壓水堆核電廠CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機正常運行時，電機的環(huán)境溫度不超過40 ℃，絕緣等級為A至H時，繞組溫升為60～125 ℃。第三代核電站CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機的電機絕緣系統(tǒng)等級采用F級，在運行環(huán)境下最高溫度達155 ℃。為驗證電機在此高溫環(huán)境條件下的使用壽命，熱老化壽命試驗實測和復(fù)驗是唯一可靠和有效的方法，其熱老化性能的考核可按照EJ/T 628—1999《核電廠安全級連續(xù)工作制電動機的質(zhì)量鑒定》[17]的要求執(zhí)行。

鑒于以上CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機電機的使用環(huán)境的特殊性，應(yīng)開展該電機研發(fā)。為了檢測電機的各項性能及設(shè)計參數(shù)是否符合技術(shù)條件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，應(yīng)制定電機的型式試驗大綱和檢驗條款，并滿足NEMA MG-1的規(guī)定。電機的型式試驗內(nèi)容見圖6。

圖6 CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機電機型式試驗流程

3.3 其他試驗要求

第三代核電站CRDM冷卻系統(tǒng)風(fēng)機是安全殼內(nèi)的抗震II類物項，可不用進行抗震試驗考核，但風(fēng)機本體結(jié)構(gòu)和各附屬部件的支承和連接件的設(shè)計應(yīng)根據(jù)ASME AG-1進行分析評定，確保能承受系統(tǒng)正常運行和地震工況下的載荷。為避免影響周邊的核安全有關(guān)設(shè)備執(zhí)行安全功能，所有緊固件應(yīng)確保連接可靠并采用鎖緊措施。

風(fēng)機本體、電機及其附屬設(shè)備的所有非金屬材料，例如繞組線圈、密封材料、電纜應(yīng)能承受環(huán)境條件下的累積輻照劑量。因此，應(yīng)選用在核電廠同等環(huán)境中有成功使用經(jīng)驗的材料或者進行耐輻照試驗和材料復(fù)驗，驗證材料的耐輻照特性。

4 結(jié) 論

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(編輯：蔣毅恒)

FanDesignofCoolingSystemforControlRodDriveMechanisminGenerationⅢNuclearPowerPlant

WENG Na, SHEN Qiuping, HAO Guofeng

(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

In order to meet requirements of integrated lifting and cooling air flow path of upper reactor structures in generation Ⅲ nuclear power plant, the structure and arrangement of fan in cooling system of control rod drive mechanism (CRDM)were designed to be different from that in traditional nuclear power plant with pressurized water reactor. The study on its performance and identification scheme was important for the design of this kind of equipment. Through the analysis on the design requirements of CRDM cooling system and fan, as well as the calculation of the main performance data with traditional calculation method, the type and structure of the fan were determined. The result shows that the fan is nonstandard and there is no developed product in China, so its design should be certified by testing and engineering practice. According to the key point in the design of the fan, the testing requirements and type test scheme of the fan were drafted for quality appraisal combined with engineering experience and standards, which could provide references for developing the CRDM cooling system fan.

generation Ⅲ nuclear power plant; fan; control rod drive mechanism (CRDM); performance parameters; type test

國家科技重大專項課題項目(2010ZX06002)。

TL 353+.1；TH 432.1

： A

： 1000-7229(2014)06-0122-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.023

2014-01-22

：2014-02-21

翁娜(1982)，女，本科，工程師，主要從事反應(yīng)堆本體設(shè)備設(shè)計及研究工作,E-mail:wengna@snerdi.com.cn；

沈秋平(1962)，男，本科，研究員級高級工程師，主要從事核電設(shè)備設(shè)計及研究工作；

郝國鋒(1977)，男，本科，高級工程師，主要從事反應(yīng)堆本體設(shè)備的設(shè)計及研究工作。