核电站功率提升中的泵优化设计与成本控制

为满足当前和未来的电力容量需求，几乎所有拥有核能发电资产的公用事业公司都在研究其设施扩展功率提升(EPU)的可行性。电站及其工程合作伙伴的大部分工程工作都集中在如何修改受影响的系统以适应蒸汽和水流量的增加。

为满足EPU流量和压力所需的泵液压特性变化，为泵设计和性能的改进提供了巨大机会。由于给水泵组中的泵串联运行，因此有相当大的灵活性来确定每个泵服务产生的压力，以实现EPU流量所需的系统扬程。汽轮机驱动的给水泵提供了更大的灵活性，因为所需的大部分增量压力可以在给水泵中获得。

通过将全面的泵设计评审作为EPU过程的一部分，最终用户可以通过以下方式实现最低的总体设备拥有成本：

降低长期成本

尽量减少初始投资

降低潜在风险

在进行扩展功率提升时，默认战略通常涉及承包工程、采购和施工(EPC)公司。EPC确定需要哪些设备改造来产生新的所需流量和压力，通常倾向于整体更换给水泵组以适应所需的额外流量和压力。然而，这种方法可能非常昂贵，并且常常未能纳入能够消除已知机械脆弱性的新技术和运行经验。

通过将标准的EPU方法重新构想为以设备为中心的模型，最终用户可以充分利用主题专家的经验和专业工程能力。通常可以执行液压改造，而不是整体更换，这样可以利用现有设备——包括泵和电机。如果不可行，可以设计定制的即插即用替换件。这种方法保留了原有的占地面积，同时也显著提高了设备可用性。

Hydro最近与美国一个核电站及其EPC合作伙伴的合作突显了这种方法的价值，提供了一个满足提升要求的技术蓝图，同时也通过有针对性的设计改进最大化了设备效率和可靠性。作为独立的泵服务提供商，Hydro拥有理解和改进设计的经验，但也能够提供公正的观点。

EPU团队(Hydro、最终用户及其EPU合作伙伴)进行的第一步是完成给水系统的工程分析。该研究首先概述了设备在现有系统需求下的运行情况。这一概述帮助Hydro理解了当前扬程如何在各应用之间分配，以及需要多少额外的扬程来满足新的系统流量。

韦布尔可靠性曲线

该核电站的反应堆给水系统有三个串联运行的泵——一个凝结水泵、一个凝结水升压泵和一个反应堆给水泵。现有的给水系统泵组配置为三台凝结水泵并联运行，向三台并列运行的升压泵供水，排放到两台并列运行的反应堆给水泵。批准的EPU要求这三个串联运行的装置的流量增加16.3%，总扬程增加4.3-5.8%。

初步调查发现，所有泵都在其特性曲线后端运行，偏离了最佳效率点。这一发现突出了不仅在运行效率方面，而且在设备可靠性方面都有很大的改进潜力。该研究还确定了系统的主要约束条件，包括马力限制、所需净正吸压头余量、汽轮机驱动转速限制，以及安装在系统中不同位置的辅助设备（如除盐装置）的压力限制。

液压设计-流线

预测的效率改进

泵的运行卓越性是通过减轻叶轮进口和出口的液压不稳定性来实现的。这通过使每个泵在其最佳效率流量附近-10%/+5%的范围内运行来实现。由Waloddi Weibull进行的一项研究展示了当泵不在最佳效率点运行时对泵可靠性的影响。另一个关键考虑是为所有稳态和瞬态运行模式提供可接受的可用净正吸压头与所需净正吸压头之间的余量。

Hydro的研究最初得出结论，如果升压泵和反应堆给水泵的叶轮重新设计使其在EPU流量条件下达到最佳效率点，那么很可能所有应用的EPU以及EPU+5%的所有可靠性参数都可以满足。在这种情况下，确定凝结水泵系统可以保持原状，这很重要，因为电气限制排除了增加电机尺寸的可能性。

重新设计的叶轮可以安装到现有的泵壳中，不需要对现有基础和结构进行修改。建议使用计算流体动力学来验证新叶轮和现有泵壳之间的相互作用不会导致流动分离和性能损失。

虽然强烈建议该场址选择修改现有升压泵和反应堆给水泵的液压特性，使其满足规定的可靠性参数，但售后市场服务提供商还分析了另外两种运行情景，并就每种选项相关的风险提供了公正的意见。考虑的选项包括：

选项1：将泵恢复到原始设计，不进行修改

选项2：向凝结水泵增加一个额外的级（从3级到4级），以提供更多扬程，同时保持凝结水升压泵和反应堆给水泵的原始设计。这项改造将需要为凝结水泵配备更大的电动电机和轴系/轴承系统。

选项3：设计用于安装在现有泵壳中的升压泵和给水泵的新型定制叶轮。新设计将使其在EPU流量下达到最佳效率点，并在两个泵之间重新分配扬程，将更多扬程分配到升压泵，从而使反应堆给水泵的汽轮机驱动能以降低的转速和马力运行。

每个选项都考虑了反映八台过滤器/除盐装置的敏感性情况；一种情况假设除盐装置清洁（在EPU流量下损失10.5 psid），另一种假设除盐装置具有最大允许污垢负荷（在EPU流量下损失24.0 psid）。