AP1000核电厂脱气塔真空泵运行特性研究

　　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。

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

　　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。

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。

图3 真空泵电流与泵的背压相关性

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。