2007 年第4期 小番柱 采 浅谈压水堆核电站主泵 蔡龙 张丽平 (沈阳鼓风机集团有限公司核泵开发公司, 沈阳; 1 10142) 摘要: 简要介绍核电站主流堆型——压水堆、 压水堆核电站主泵 (反应堆冷却剂循环泵) 的种类、 功能及以300 MW 压水堆核电站反应堆冷却剂泵(简称主泵) 的结构特点、关键部件(水力部分、密封、轴承等)的工作原理、 性能及特点。 关键词 : 核电站核电厂用泵压水堆 (RCP)主泵 (冷却剂循环泵) 技术特点 刖 吾 核电是安全 、 清洁 、高效 的能源 ,已成为 目前 世界上仅次于火 电的第二大能源。中国核电的发展 路线是轻水压水堆, 技术处在二代加 , 接近第三 代。目前,中国能够 自主设计建造的核电站最大功 率为 650 MW ,而国际上先进的一般都达到百万千 瓦级 , 美 国 GE(通用电气公司) 公司的 ABWR 型功 率达到 1350 MW。中国现有核电站 4 座 (广东大亚 湾、 岭澳、 浙江秦山、 江苏田湾) , 已建成9 套总计 870 万千 瓦投 入 运行 ;国家计 划 在 2020 年 达 到 4000 万千瓦核电装机容量,再建 1800 万千瓦核电 机组, 其堆型有重水堆和轻水的压水堆。 目前世界上的核电技术已经发展到了第三代 。 美国、法 国、俄罗斯等都已具备第二代成熟的核电 技术,而第三代核电技术在美国和法国等已开始启 动。美国还在联合其他核电先进的国家进行第四代 核电站的研究论证工作 。 1 压水 堆概述 压水堆是一种首先应用于研究型的核动力反应 堆 ,由于其设计紧凑 、安全性较好 ,世界各 国核 电 站大都采用这种反应堆型。1983 年,我国政府正式 确定采用这种堆型作为起步和发展我国核 电事业 。 压水堆反应堆芯放置在一个大型压力容器 内。 反应堆芯的核燃料采用经过浓缩 的铀(铀 一235, 2% 一4%) , 制成二氧化铀堆块, 将芯块装入锆管内封 闭成燃料元件棒 , 组成燃料组件置入堆芯 。燃料组 件中装有一定数量的控制棒 , 用于启动 、 停止 和调 节反应堆的运行工况 , 使其按照需要输 出能量 。 核燃料裂变时产生的中子 ,需要减速 , 才 能维 持堆芯内铀 一 235 的链式反应;核燃料裂变时产生 的能量 (热)需要不断地传走, 才能作功。压水堆中 的水(经过净化的天然水)同时承担了中子减速的慢 化剂和传递能量的载热剂(冷却剂)的双重功能。水 在大气条件下的沸点 只有 100 o c , 为了提高它 的载 图 1 压水堆核岛示意图 维普资讯 http://www.cqvip.com · 2 · 小 番柱 2007年第4 期 热效率 ,要求 在 300~ C ~ 350 o (=范围 内不沸腾 , 就 必需使水保持 150 ~160 bar ( kgf/ cm ) 的高压。 正是 由于反应堆 内的水处于高压下工作 ,因此这种类型 的反应堆被称作压水堆。 从反应堆压力容器出口的高温高压水 , 把热量 在蒸汽发生器 内通过热交换传 给二 回路 的水和蒸 汽, 经过循环泵 (主泵) 再打进压力容器,周而复 始。这个高压 回路被称作核电站一 回路 , 也叫主回 路 。一回路的另一侧为二回路 , 它是通过蒸汽发生 器吸收反应堆里传出的热量 , 把水加热成蒸汽 , 用 以推动汽轮发 电机组 , 完成核能 一电能的转换 。 为了保证核电站的安全,一回路设备需用钢质 或钢筋混凝土的安全壳封闭起来 。这部分是核电站 的核心 , 通常被称为核电站 的核岛。 2 主泵的分类 在核电站各系统中均有各种类型泵在运行。核 岛一回路系统中,主泵是唯一的旋转设备。在每条 环路有一台主泵 (图 1) , 用于驱动冷却剂在 RCP(反 应堆冷却剂系统) 系统内循环流动, 连续不断地把 堆芯中产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧 (二回 路) 给水。主泵须确保有适当流量的冷却剂流经堆 芯 ,以维持偏离泡核沸腾比( DNBR )大于允许值 。 反应堆冷却剂循环过程是在封闭的回路 中进行 的。泵 由电动机驱动 , 为 了防止 已经切断电源的泵 倒转, 每 台电机内设有防逆转装置。 主泵的可靠 性直 接影响到核反应堆 的安全运 表 1 第二代技术三种类型轴封式主泵特点一览表 1类型 2 类 型 3 类型 单 级单吸立式混 单 级单吸立式轴 流泵 ; 轴密封为三级 机 立式混流泵; 械密封,第一级 轴密封为三级机 流泵; 为非接触式 , 二 、 械 密 封 ,第 一 、 多级串联 密封 三级为接触式 二 、三级均为接 触式动压密封 总 体 结 构 流泵/ 单级单吸 单 级 吸立式混 技 术 配 套 电 机 1485 r/ min, 电 1485 r/ r a in,电 异 步双速电动机 机承受 机纽轴 向 机不承受泵 转子 1 000/ 750 r/ r ain, 力 轴 向力 特 电机承受机组轴 向力 点 辅 助 系 统 设 冷水 、 注入水 、 设冷水 、 注入水 、 设 冷水 、 注入水 、 高低压泄漏、控 氮气供给、高低 高低压泄漏、控 制系统相对 比较 压泄漏、控 制系 制 系统捌对 比较 简单 统相对比较复杂 简单 飞 轮 椎力轴承 电 机 哇 王 机 联轴器和联轴节 轴辩封 点浊兰 芯 先 体 图 2 1 类型主泵 行。按 ASME(美国机械工程学会) 的安全等级分类 标准, 主泵属于核安全 I 级 , 质保 Q1级 , 抗震 I 类。 在世界各国压水堆核电站运行的主泵, 大体上 有 3 种结构类型 , 见表 1、 图 2、3、4。基本参数见表 2。 如今 中国正准备以浙江三门、山东海阳压水堆核 电站主泵为依托项 目,引进技术建设 第三代 核 电 站。第三代技术核电主泵(屏蔽式大功率循环泵 )为 单级单吸立式离心屏蔽泵, 该泵大大简化泵结构的 芭面佶t 轴嚣 腿 铀承 油列席导轴承 ·| 玉 6 ; I 曲 蚕 境 净车 帆缱吾聍 ! j嚣体砷孽 碥}九 传 水导轴承 肇叶 峙 } 转 图3 2类型主泵 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年第4期 , J. 番柱 采 · 3 · 复杂性 , 且无泄漏 ,电机上带有飞轮和止逆机构。 2 类型主泵的主推力轴承位于泵的上部 ,电机 轴与泵轴是挠性联接 ,电机不承受泵的轴向力。虽 然此类型主泵结构 比较复杂 , 但是该结构主泵包含 了 1、 3 类型主泵的特点外增加了推力轴承部件和 体化供油系统等。从认知 、 研究角度考虑 , 本文 重点介绍该类泵 ,与读者共同探讨 。 一3 (R CP )主泵的功能部件 3. 1 总体结构 主泵 ( 图 3) 机组为单级单吸立式混流式,液体 由底部吸人 , 水平排出。水泵具有可控泄漏三级机 械密封组件 ,电机在顶端并带有空气冷却器和水冷 却器。 泵转动部件 由 3段轴 、 4 轴承构成 , 即上泵轴 、 可拆卸轴段和下泵轴及下部水润滑导向轴承、上部 油润滑双向推力轴承和导向轴承。上泵轴上装有油 叶轮和油导叶在泵正常运行时向轴承和圆弧齿形专 用联轴器供油。 反应堆冷却剂沿泵轴的防泄漏 ,由三级串联布 置的机械密封系统控制。压力略高于反应堆冷却剂 压力的密封注入水 。阻止冷却剂向上流人泵水导轴 承和轴密封 , 并冷却水导轴承和密封部件。在可控 图 4 3 类型主泵 表2泵设计基本参数 名称 / 单位 300 MW l71. 6 350 l 6800 600MW ~l 000 MW 172 343. 0 24290 设计聪力 ,bar (abs) 设计温度 ,℃ 名义流量 ,T n’ / h 名义流量下扬程 , m 运行压力 ,bar (abs) 运行吸入温度 ,℃ 电机功率 ,kW 60 93 l55 293 7200 149. 5 287. 9 4500 制泄漏密封之后 , 密封泄漏液一部分被回收和排 出;另一部分密封注人水流过两道 串联布置的二、 三级密封, 并在这两道密封处通过高压和低压注人 水泄漏管道排出。二、 三级组合件和一级机械密封 组件可在不拆卸主管道 、 辅助系统管道 、电器或仪 表等联接件的情况下从可拆卸轴段处用专用工具提 出 。 电机为鼠笼式感应异步电动机 , 安装在电机支 座上 ,电机支座安装在泵盖上 。电机具有惰转飞轮 和止逆机构。在泵和电机 中间安装了圆弧齿形专用 联轴器。 3. 2 水力部件 300 MW 核电主泵,叶轮可设计成轴流式或混 流式 (见图3) 。 该泵为便于加工制造, 过流部位设 计成环形压水室。叶轮与泵壳问通过叶轮罩和导叶 过渡。 600 MW 一1000 MW 核主泵 , 从液体流动状态 考虑 ,水力部件选用轴 向导叶的球形泵壳混流泵。 如今国际上流体设计及流场分析软件 比较成熟 , 利 用理论设计和工程经验设计水力模型后, 进行流场 分析 ( 图 5) ,经过分析 ,除了叶轮的型线外 ,导叶 的设计对效率的影响较大。纯轴向出口导叶即叶片 图 5 叶轮 CFD 分析 维普资讯 http://www.cqvip.com ·4 · 小 番柱 采 2007年第4期 出口角为 90o时效率值很低。经过多次反复修正设 计原始数据, 并用软件分析得到效率较高的水力模 型。这种设计除 了在水力方面得到较好的模型,在 结构方面也有一些优点: ①球面形状的泵壳具有最 优的承受内压能力; ②从泵结构上考虑有利于减小 机组高度。 3. 3 热屏组件 1类型主泵 (图 2) 的热屏组件安装在叶轮上 方 ,由紧固法兰 、防护套筒 、蛇形 管热交换器 ,以 及在紧固法兰上的蛇形管进出口管嘴所组成 ,其作 用是阻止反应堆冷却剂的热量向泵的上部传导。在 热屏热交换器蛇形管内循环着 RRI (设备冷却水系 统) 系统的冷却水, 它分别由位于热屏紧固法兰处 的两个管嘴流人和流出。 主泵正常运行时, 因从 RCV (化容系统 )系统注 人冷的高压轴封水 , 热屏起辅助作用 。但在轴封水 中断时 ,热屏 就发挥保护泵轴 承和轴封 的主要作 用 , 冷却 向上流动的一回路冷却剂 ,防止泵轴承和 轴封热损毁 。 2类型主泵 ( 图 3) 采用的热屏 由隔热体和折流 管组成 , 同 1类型主泵的隔热结构完全不一样 , 既没 有采用蛇形盘管形式也未直接单独外接冷却水源 , 而是有效地利用了由上充泵向主密封注人的冷却润 滑水。 3. 4 轴封组件 反应堆冷却剂泵轴封由三级串联机械密封和一 个停车密封组成。三级串联机械密封 ,采用三级相 图6 三级串联机械密封结构图 低压泄漏 图 7 三级串联机械密封流程 图 同的流体动压式机械密封分摊密封压力。从上充泵 的注入水 , 分别经过三个节流装置节流 , 分别进人 机械密封腔 内, 进人第一级机械密封腔 内的压力为 I59 bar,进入第二级机械密封腔的压力为 106 bar, 进入第三级机械密封腔 的压力为 53 bar。进入每级 机械密封 的冷却水流量为 600 L / h。使三级串联机 械密封的每一级都是同等工况。每级机械密封可控 泄漏为 5 L / h。在初始阶段三级流体动压机械密封 芯件每级设计成均能承受全系统压力 159 bar, 但是 在主泵正常运行时每级只承受 1/ 3 的全系统压力 , 约 53 bar。 该三级串联机械密封 的结构特点为 (见图 6) 非 接触式 , 平衡型, 静止式 , 多弹簧 , 旋转环端面开设 多个大波纹 , 静止环内径附加支撑环。三级串联机 械密封的前两级集装在一起 , 第三级为一个单独集 装式, 每- 一 级与泵体的接口尺寸逐级增大, 与泵轴 图 8停 车密封 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年第4期 小 番柱 采 · 5 · 的接口尺寸逐级减小 , 这样使安装更加方便、 快 捷。 3. 4. 1 三级串联机械密封工作原理 核电站一回路系统压力是 152 bar。 在主泵正常 运行工况下,系统压力通过三级串联机械密封降低 到大气压力 (见图 7) 。 由核电站 RCV 系统的离心式上充泵提供的流 量为 2000 L / h、压力为 159 bar 的高压轴密封注人 水进人轴密封系统后 ,由于轴密封注人水的压力高 于一回路系统压力, 因此该注人水分成三个流向: 个流向以流量 800 L/ h 至水润滑径向轴承进人到 回路系统内; 另两个流向分别以流量 600 L / h进 入二级机 械密封和三级机械 密封 ,其压力分别为 106 bar 和 53 bar。该分向流是由节流器 1、 2、 3、 4 来完成的。注人水经过节流器 1压力降为 106 bar 时, 第一级轴密封前后端的压力差为 53 bar, 此时第 级轴密封面的泄漏量为5 L / h,其主要供密封面 的润滑和散热作用。这 5 L / h 的泄漏流量流到第二 级轴密封前 , 压力已降为 106 bar。同样原理, 经过 2、 3 级密封和节流器的共同作用下 , 压力为 159 bar 高压密封注人水的压力也降到 2 ~ 3 bar, 分别注人 核电站 RCV 系统 ,且从第三级轴 密封密封面泄漏 出来 的 5 L/ h 泄漏流量流人低压泄漏系统。 3. 4. 2 停车密封的作用及工作原理 轴封 系统 中的三级 串联机械密封每级均能承受 全系统 159 bar 的压力 , 但是事故工况下 , 可能引 起三级密封全部失效, 这样会使反应冷却剂大量泄 漏在安全壳内, 此时闭合停车密封,防止介质泄 漏。 停车密封是在主泵不运转时才能闭合, 且停车 密封能承受全系统压力。停车密封同氮气供给系统 相连接 , 并 由该系统供给氮气。 当主泵泵轴静止时, 由氦气压力推动切换环至主泵转子的密封环上 , 于 是泵轴完全密封。 一一一3. 5 轴承部件 泵转子设计有一个推力轴承和两个径向轴承。 由轴向力 (系统压力和水力部件以及转子部件自重 联合作用所产生的轴向力) 引起 的泵转子轴 向推力 是靠油润滑的双向推力轴承承受, 同时还设有两个 径向轴承 ,一个是油润滑的导轴承,位于 电机支座 内的轴承箱内 , 另一个是水润滑 的导轴承 , 位于叶 轮附近。