AP1000核電廠脫氣塔真空泵運行特性研究
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。
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
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。
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://bjjyhsfdc.com/）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。
圖3 真空泵電流與泵的背壓相關性
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。
