AP1000屏蔽式主泵倒轉運行分析

1、AP1000 屏蔽式主泵倒轉運行分析摘要：AP1000主泵是大型屏蔽泵在核電機組的首次應 用，因其獨特的設計理念和結構特點，其運行方式也十分特 別。文章介紹了 AP1000主泵特有的倒轉運行模式以及倒轉 運行對電站其他系統(tǒng)產生的影響，并指出了工作中的注意事 項。關鍵詞：AP1000;屏蔽式主泵；倒轉運行；再生制動； 核電機組 文獻標識碼： A中圖分類號： TL351 文章編號： 1009-2374（2015） 18-0083-03 DOI： 1 概述AP1000核電機組反應堆冷卻劑系統(tǒng)包含兩個環(huán)路，每個環(huán)路包含一個熱段、兩個冷段及并列運行的兩臺冷卻劑泵 （以下簡稱主泵），如圖 1 所示。主泵吸

2、入口直接焊在蒸汽 發(fā)生器橢球形下封頭冷側水室的接口管嘴上，整個泵組外殼 是一回路壓力邊界的一部分。 4 臺主泵為屏蔽泵結構，額定 電壓6.9kV，分別從電廠內 4條獨立的10.5kV、50Hz中壓母 線取電，每臺主泵由變頻器將供電頻率變?yōu)?0Hz。1.壓力容器； 2.蒸汽發(fā)生器； 3.一體化堆頂結構； 4.穩(wěn)壓 器； 5.波動管； 6.主泵； 7.冷段； 8.熱段； 9.安注接管嘴與傳統(tǒng)壓水堆主泵相比， AP1000 主泵有如下技術特點：（1）與蒸發(fā)器下封頭直接連接，取消了主泵與蒸發(fā)器之間 的過渡段，降低了環(huán)路的壓降，簡化了蒸發(fā)器、泵和管道的 支承系統(tǒng)；（2）化容系統(tǒng)不需要軸封功能，也不用從主

3、泵和 蒸發(fā)器的連接段上引出，減小了小破口事故期間堆芯裸漏的 風險；（3）主泵沒有軸密封裝置，因而消除了因軸密封失效 和全廠失電事故導致冷卻劑泄露的可能性，從而大大提高了 安全性，減少了泵的維修工作量； （4）主泵電機上設置了兩 個鎢合金飛輪，以提高泵的轉動慣量，延長惰走時間，從而 增加了失去電源后堆芯的熱工裕量； （ 5）主泵采用變頻調速 裝置，減少了冷態(tài)啟動時的功率，從而最大限度地縮小了電 機尺寸，同時滿足 50Hz電網的要求，通過變頻器把50Hz的電能轉換為60Hz。另外，還因為變頻器的再生制動功能，使 主泵倒轉在 AP1000 電站中也是允許的。2 AP1000 主泵的運行特點 在主系統(tǒng)

4、啟動過程中，需要點動主泵進行動態(tài)趕氣，并 在滿足主泵啟動條件時啟動主泵對主系統(tǒng)升溫升壓。關于主 泵啟動過程中的轉速，為了增加停堆冷卻工況下發(fā)生瞬態(tài)時 主泵軸承潤滑水膜的厚度，將VFD/RCP的最小轉速設定為425rpm （即23.6%額定轉速），因為軸承潤滑水膜的厚度隨轉 速的增加而增加。為了縮短RCP在低速區(qū)（-300425rpm ）的停留時間，增加RCP低速運行時的升速速率， 將主泵0rpm 或-300rpm啟動升速至425rpm過程中的升速速率設定為 6 7Hz/sec。當RCP從425rpm向更高轉速升速時，其升速速率 設定為0.5Hz/sec，在RCP反轉工況下，VFD將主泵由較高的

5、 反轉轉速制動到 -300rpm 過程中，其升速速率設定為 0.5Hz/sec。在RCP升速和降速過程中，在 50%和88%轉速平 臺設置一個 10 分鐘的停留時間，目的是使軸承各部分的溫 度達到均勻。AP1000沒有設計成部分主泵運行在低功率水平，所以在額定功率運行期間，如果一臺泵發(fā)生故障，電站就會停堆。 如果電站處于低功率的水平，此時一臺泵停運，不會引起停 堆，可以通過變頻器將其他的泵降低到一個較低的轉速，然 后將跳掉的泵重新啟動。瞬態(tài)工況下，在發(fā)生反應堆停堆或 電力喪失之后，反應堆冷卻劑繼續(xù)流動一段時間，對反應堆 保護是重要的。為了提供該流量，每臺反應堆冷卻劑泵都裝 有高密度的飛輪和高轉

6、動慣量的轉子。電站停閉第一階段依靠反應堆冷卻劑系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)共同來完成對堆芯的冷卻。在這一階段RCS的溫度高于177C，為了保持穩(wěn)壓器的噴霧流量，RCS系統(tǒng)1環(huán)路至少有一臺主泵在運轉。為了獲得附加的噴淋流量，可以兩臺 主泵同時運轉。一臺主泵運行足以提供充分的流量以帶走堆 芯余熱。電站停閉第二階段依靠正常余熱排出系統(tǒng)來完成對 堆芯的冷卻。當反應堆冷卻劑溫度低于177 C，壓力達到2.763.10MPa范圍內時，進入電站停閉第二階段。正常余 熱排出系統(tǒng)從RCS的熱段吸入冷卻劑，經過熱交換器后，通 過反應堆壓力容器直接注射管線將冷卻劑返回到反應堆壓 力容器內。具體過程如下：（1）當穩(wěn)壓器已被冷

7、卻到與反應堆冷卻 劑泵運行所要求的最小壓力相對應的飽和溫度時，保持穩(wěn)壓 器中的冷卻劑壓力和溫度恒定，繼續(xù)冷卻一回路冷卻劑。在 這期間，冷卻劑壓力保持在等于或高于反應堆冷卻劑泵運行 所要求的最小壓力；（2）當RCS的溫度降到了 82C時，經化 學容積控制系統(tǒng)向 RCS添加過氧化氫（H2O2）,以降低RCS 中的放射性。在注 H2O2的全過程，為保持穩(wěn)壓器和 RCS系 統(tǒng)其他部分的冷卻劑中化學成份相平衡，反應堆冷卻劑泵要 繼續(xù)運行；（3）在RCS溫度降到了 71.7 C之后，若RCS的放 射性水平已降低到了計劃停閉的水平，則可以停閉正在運行 的反應堆冷卻劑泵。3 主泵倒轉運行分析3.1 傳統(tǒng)壓水堆

8、核電廠主泵倒轉的危害3.1.1 對于機械部件的損傷。在傳統(tǒng)壓水堆電廠中，主 泵都有防倒轉裝置，因為主泵的倒轉可能引起電機啟動時導 致啟動力矩過大和機械部件的損壞。對于一般的屏蔽泵也是 不允許倒轉的，因為倒轉可能會使泵發(fā)生氣蝕，失去平衡， 影響泵的揚程和流量，還可能產生異常的推力，導致軸承磨損、螺栓松動以及泵的損傷3.1.2 對于電機的損傷。傳統(tǒng)壓水堆核電廠的主泵不允 許倒轉，是因為如果主泵倒轉，在合上主泵斷路器后，電機 定子中有電流流過，同時在轉子上感應出磁場，而轉子此刻 在反轉，它又會在定子中感應出一個磁場，這時主泵就相當 于一個異步發(fā)電機，感應磁場的方向與定子中電流產生的磁 場方向相反，且

9、無法送到外電網上，只能消耗在定子上，引 起定子的發(fā)熱，溫度過高時會破壞定子絕緣。此外，定子電 流磁場施加在轉子上的力與轉子轉動方向相反，增加了泵啟 動時的啟動力矩，會增加啟動電流，加劇定子繞組的發(fā)熱， 還可能會造成電機部件的機械損壞和緊固件的松動區(qū)，所以 傳統(tǒng)核電廠主泵都有防倒轉裝置。3.2 AP1000 主泵倒轉運行工作原理對于軸承的損傷， AP1000 主泵使用雙向中心支承推力軸 承，可以承受倒轉。對于電機的損傷，采用具有再生反饋能 力的變頻器裝置連接到中壓母線上，有效地解決了這一問題。 變頻器的變頻和調壓功能是通過改變可控硅的導通角來達 到的，AP1000變頻器在控制回路上增加一套變流回

10、路，當合上主泵的斷路器，而主泵工作在倒轉狀態(tài)時，動能轉化來的 電能就會使變頻器的貯能電容的電壓升高，升高到一定程度 時，電壓就會反向，使正常的變頻回路處于關閉狀態(tài)、電子 元件不導通，而使增加的交流回路的可控硅導通，使電能通 過可控交變流器反饋給電網，這樣就可以實現把倒轉時主泵 的貯能送到電網上而不會對電機造成影響。同時定子電流的 磁場作用在轉子上的力會使轉子轉速減慢至零轉速，實現制 動。變頻器有了再生反饋能力，可以實現靈活的主泵啟動。 在主泵啟動的過程中，四臺主泵相繼啟動。在第一臺主泵啟 動后，其余的主泵均倒轉運行。 但是在第二臺主泵供電以后， 第二臺主泵受到制動的電磁功率的作用，轉速逐漸下降

11、到零， 同時轉子儲存的能量通過再生反饋回路傳遞給電網。在第二 臺主泵轉速下降到零之后，變頻裝置才控制第二臺主泵逐漸 升高速度至 300rpm 。其余泵的啟動過程與第二臺主泵相同。AP1000主泵在轉速為同步轉速（1800rpm ）的-85%100% 時，是允許倒轉的。主泵倒轉在停堆或者低功率（小于10%功率）運行情況下可能發(fā)生。表 1 給出了主泵在冷態(tài)和熱態(tài)各種倒轉情況下 的流量。4 主泵倒轉對其他系統(tǒng)的影響 根據主泵布置的特點，主泵的倒轉在任何環(huán)路上都有可 能發(fā)生，且每臺泵都有可能倒轉，意味著每一條環(huán)路，都有 發(fā)生冷卻劑逆流的可能性。與主冷卻劑環(huán)路有接口的系統(tǒng)， 其功能受到的影響分析如下：第

12、一，與蒸汽發(fā)生器下封頭有接口的系統(tǒng)，例如：化學和容積控制系統(tǒng) CVS和非能動余熱排出熱交換器PRHR對于cvs因為上充出口管線裝有逆止閥，所以不會出現倒流，但CVS的凈化流驅動力來自于主泵，所以如果主泵倒轉，CVS的凈化流就有可能失去。對于PRHR如果1環(huán)上的一臺主泵發(fā)生倒轉，不會引 起熱端冷卻劑的倒流，根據上表，一臺泵倒轉，其最大的倒 轉流量是 -9107.7m3/hr ，而另一臺的流量此時為 22371.8m3/hr ，所以此時熱端流量仍然是正向流，不會影響 到PRHR的功能。但是如果1環(huán)的兩臺主泵都發(fā)生倒轉了， 那么環(huán)路的冷卻劑流向就會反向，PRHR的功能就不能實現， 這種情況是不允許的

13、。所以 AP1000在運行上也要做到杜絕 這種情況的發(fā)生。一環(huán)的兩臺主泵不能同時停運，設計上把 同一環(huán)上的兩臺主泵分別放在兩條獨立的中壓母線上，防止 單一故障引起兩臺泵同時跳閘。另外在運行規(guī)程中也對這點 特別強調，提醒操縱員注意。第二，對于直接注入（DVI）管線，存在倒流的可能，但 與DIV管嘴相連接的各個系統(tǒng)，堆芯補水箱（CMT）、安注箱（ACC）、安全殼內置換料水箱（IRWST管線上都裝有逆止 閥，且CMT 一動作，所有的主泵都停運，倒轉影響不大。對 于RNS會有些影響，影響RNS正常的注入流量，但RNS泵和 主泵的壓頭差不多， 而主泵倒轉時壓頭不會那么高， 所以 RNS 仍然可以通過DIV注入，能滿足堆芯余熱的導出。5 結語AP1000 屏蔽主泵是大型屏蔽泵在核電領域的第一次應 用，目前還處于試驗階段， 再生制動功能使得主泵允許倒轉， 簡化了系統(tǒng)的設計，增加了RCS系統(tǒng)的可用性。但由于沒有可參考的同類型泵的運行經驗，使泵的運行和維護存在一些 不確定的因素，對于運行人員來說，前期需要充分了解主泵 的設計規(guī)范和運行特點，制定可靠的、執(zhí)行性強的運行規(guī)程 以及嚴格的行政管理程序來保障主泵的可靠運行。另外，也 需要對主泵可能的故障作風險分析，制定應對策略和維護方 案，提高主泵的可用性。參考文獻1 繆亞民，等.AP1000核電廠核島系統(tǒng)初級運行M.