核電站通用機(jī)械與設(shè)備 第七章 反應(yīng)堆主泵

第七章反響堆主泵張繼革上海交大核科學(xué)與工程學(xué)院核電站通用機(jī)械與設(shè)備第七章反響堆主泵7.1概述7.2全密封泵7.3軸封泵7.4軸封泵的密封結(jié)構(gòu)和工作原理7.5主泵系統(tǒng)的運(yùn)行7.6主泵系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀7.1概述在主系統(tǒng)充水時(shí)，利用主泵趕氣；在開(kāi)堆前，利用主泵循環(huán)升溫，到達(dá)開(kāi)堆280℃條件；在反響堆正常運(yùn)行時(shí)，冷卻劑由反響堆流出經(jīng)主管道流進(jìn)蒸發(fā)器，把熱量傳給二回路側(cè)給水，然后再由主泵送回反響堆進(jìn)行循環(huán)。主泵電機(jī)上的大飛輪以增加主泵惰轉(zhuǎn)時(shí)間，保持適當(dāng)慣量，確保斷電事故時(shí)堆芯燃料元件不至燒毀。反響堆主冷卻劑泵〔主泵〕是反響堆的“心臟〞。主泵是反響堆冷卻劑系統(tǒng)的主要設(shè)備和壓力邊界的設(shè)備之一。7.1.1主泵功能7.1概述7.13主泵分類(lèi)能長(zhǎng)期在無(wú)人維護(hù)條件下平安可靠地工作；便于維修，輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單；主泵轉(zhuǎn)動(dòng)組件應(yīng)能提供足夠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以便在全廠斷電情況下，利用主泵惰轉(zhuǎn)提供足夠的流量，使反響堆堆芯得到適當(dāng)?shù)睦鋮s；過(guò)流零部件外表材料要求采用奧氏體不銹鋼或其它同等耐腐蝕材料；帶放射性的冷卻劑的泄漏要少。7.1.2根本要求全密封泵，軸封泵7.2全密封泵7.軸承2.螺栓3.屏蔽套4.轉(zhuǎn)子外套5.轉(zhuǎn)子6.壓緊板7.小葉輪8.蓋9.接線(xiàn)盒10.接線(xiàn)柱17.徑向滑動(dòng)軸承12.線(xiàn)圈13.硅鋼片14.蛇形冷卻管15.外殼16.軸17.止推軸承18.電機(jī)殼19.蓋及迷宮密封件20.螺母27.葉輪22.泵殼體帶屏蔽套的全密封泵濕定子全密封泵但屏蔽泵存在以下問(wèn)題：屏蔽泵效率低，一般泵組效率只有50％至70％，對(duì)于大容量核電機(jī)組來(lái)說(shuō)，顯然經(jīng)濟(jì)性不夠；屏蔽泵大局部零部件用耐腐蝕材料制造，造價(jià)昂貴，難度較高；屏蔽泵假設(shè)裝設(shè)飛輪，液體的阻力將使泵機(jī)組效率降低到不可接受的程度，故此，屏蔽泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通常很小。為保障反響堆平安，采用屏蔽泵的核電廠必須對(duì)主泵供電的可靠性作更嚴(yán)格的要求；屏蔽泵維修不方便。屏蔽泵一般應(yīng)用于容量較小的核動(dòng)力裝置。7.2全密封泵7.3軸封泵隨著對(duì)核電廠平安性與經(jīng)濟(jì)性要求的提高，并為適應(yīng)大容量機(jī)組的要求，軸密封泵技術(shù)已日趨成熟。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用常規(guī)的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)，本錢(qián)降低，效率提高。軸密封泵的效率一般比屏蔽泵高10％至30％；電機(jī)局部裝設(shè)一只很重的飛輪，從而大大提高了機(jī)組的惰轉(zhuǎn)性能，提高了發(fā)生全廠斷電事故時(shí)堆芯的平安性；軸密封技術(shù)可以同樣嚴(yán)格控制泄漏量，把平安殼的泄漏量控制在200cm3/h左右；維修方便，軸密封結(jié)構(gòu)更換僅需十小時(shí)左右。自1965年第一次將軸密封泵作為PWR核電廠主泵使用以來(lái)，已經(jīng)迅速取代了屏蔽泵的地位。但是在諸如艦船核推進(jìn)、金屬鈉冷快堆、某些實(shí)驗(yàn)堆等場(chǎng)合下，屏蔽泵仍起重要作用。7.3軸封泵7.3軸封泵水力機(jī)械泵殼葉輪吸入導(dǎo)流管和擴(kuò)壓器泵軸承熱屏障組件電機(jī)軸承飛輪防逆轉(zhuǎn)裝置定子空氣冷卻器轉(zhuǎn)子定子電機(jī)軸軸封組件入口和出口接管法蘭泵軸7.3.1水力機(jī)械泵殼泵的外殼包容并支持著泵的水力部件，是反響堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的一局部。泵殼是一個(gè)外形呈準(zhǔn)球狀的不銹鋼鑄件，其出入口接管焊接在一回路系統(tǒng)管道上。冷卻劑從泵底部沿葉輪軸線(xiàn)流入，向上導(dǎo)流進(jìn)入葉輪。通過(guò)葉輪后的冷卻劑經(jīng)擴(kuò)壓器后通過(guò)與葉輪成切線(xiàn)方向的出口接管排出。葉輪葉輪由不銹鋼鑄成，有7個(gè)葉片，用熱裝和加鍵固定在泵軸的下端，并在軸端用螺母鎖緊。葉輪是泵的核心部件。靠葉輪的旋轉(zhuǎn)使流體獲得能量7.3.1水力機(jī)械吸入導(dǎo)流管和擴(kuò)壓器吸入導(dǎo)流管是一個(gè)不銹鋼圓筒，用螺栓固定在泵殼的內(nèi)側(cè)。它把吸入流體引入葉輪中心。吸入導(dǎo)管和葉輪吸入接管之間由迷宮密封環(huán)阻擋從排出室向吸入室的流體泄漏。擴(kuò)壓器由不銹鋼鑄造而成，它有12個(gè)導(dǎo)葉，位于葉輪外側(cè)。擴(kuò)壓器的作用是降低在擴(kuò)壓葉片之間的延伸流道中的流體流速，把流體的速度頭轉(zhuǎn)換成靜壓頭。擴(kuò)壓器末端與泵殼焊在一起、7.3.1水力機(jī)械泵軸承泵的徑向軸承為泵軸提供徑向支撐和對(duì)中它由斯太立合金堆焊的不銹鋼軸頸和石墨構(gòu)成的套筒組成，用水潤(rùn)滑和冷卻。使通過(guò)軸承的水保持低溫是重要的，因?yàn)楦邷貢?huì)破壞石墨并使軸承損壞。所用軸承冷卻水是化容系統(tǒng)的軸封注入水的一局部。7.3.1水力機(jī)械熱屏障組件在葉輪與泵徑向軸承之間裝有熱屏障。它的作用是阻止泵殼內(nèi)高溫的反響堆冷卻劑向上方的泵徑向軸承和密封組件傳熱，使泵徑向軸承免受高溫。熱屏障組件主要由兩局部組成：一是安裝在導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)的隔熱套，二是安裝在葉輪與泵徑向軸承之間的由盤(pán)管組成的扁平狀熱交換器。隔熱套阻止反響堆冷卻劑向上方的泵徑向軸承傳熱，而熱交換器用來(lái)冷卻可能沿軸向向上的反響堆冷卻劑流，從而保護(hù)徑向軸承和軸封組件。在軸封水?dāng)嗔鞯那闆r下，它還能冷卻向上流向的冷卻劑，以確保軸承的冷卻和潤(rùn)滑，熱屏障熱交換器盤(pán)管內(nèi)循環(huán)著設(shè)備冷卻水，供水溫度35℃7.3.2電機(jī)軸承立式、鼠籠、單速、三相感應(yīng)下部徑向軸承上部徑向軸承上下止推軸承組合體止推軸承油提升系統(tǒng)，泵啟動(dòng)時(shí)使用，減少啟動(dòng)電流和防止止推軸承損壞，有一臺(tái)小型高壓油泵。泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，推力由上止推軸承軸瓦承載，這個(gè)載荷來(lái)自反響堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力和泵的動(dòng)態(tài)力，它抵消轉(zhuǎn)子重力后尚有余。7.3.2電機(jī)飛輪在斷電情況下，停堆后短時(shí)間內(nèi)必須保持足夠的流量通過(guò)堆芯。增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，延長(zhǎng)泵的惰轉(zhuǎn)時(shí)間式中：I－轉(zhuǎn)動(dòng)慣量N0－額定工況泵軸功率n0－額定轉(zhuǎn)速t－從斷電開(kāi)始計(jì)算的時(shí)間n(t)－t時(shí)刻的轉(zhuǎn)速7.3.2電機(jī)防逆轉(zhuǎn)裝置電機(jī)頂部裝有止逆機(jī)構(gòu)，防止主泵逐臺(tái)起動(dòng)、停止，而引起介質(zhì)倒流從而導(dǎo)致泵的倒流問(wèn)題。它不僅能承受倒灌流量的力矩，還能承受當(dāng)電機(jī)電纜反接時(shí)在100%電壓下的電機(jī)起動(dòng)力矩。7.3.2電機(jī)電動(dòng)機(jī)定子空氣冷卻器電動(dòng)機(jī)定子繞組是由空氣冷卻的。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子兩端均帶有風(fēng)葉，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)葉強(qiáng)迫空氣流動(dòng)，為增加冷卻能力設(shè)置了空氣冷卻器。空氣冷卻器內(nèi)有設(shè)備冷卻水通過(guò)。從平安殼吸入的空氣經(jīng)該空氣冷卻器降溫后，流入電動(dòng)機(jī)機(jī)架中的冷卻槽冷卻定子繞組，然后排入平安殼大氣中。7.4軸封泵的密封結(jié)構(gòu)和工作原理1#2#3#來(lái)自化容系統(tǒng)軸密封注入水15.85MPa，7.8m3/h冷卻徑向軸承及熱屏熱交換器15.85MPa，7.1m3/h流回化容系統(tǒng)0.45MPa，0.6634m3/h0.7m3/h7.6L/h0.1MPa0.12MPa疏水箱疏水箱7.6L/h立管軸封水流向示意圖7.4軸封泵的密封結(jié)構(gòu)和工作原理1號(hào)密封主密封，液膜不銹鋼圓環(huán)，外表涂氧化鋁設(shè)計(jì)間隙，A1=A2，F(xiàn)1=F2，力平衡間隙↘，阻力增加，b點(diǎn)上移，A1>A2，F(xiàn)1>F2，靜環(huán)上移，間隙↗，直到F1=F2間隙↗，阻力減小，b點(diǎn)下移，A1<A2，F(xiàn)1<F2，靜環(huán)下移，間隙↘，直到F1=F27.4軸封泵的密封結(jié)構(gòu)和工作原理2號(hào)密封動(dòng)環(huán)：碳化鉻靜環(huán)：石墨7.4軸封泵的密封結(jié)構(gòu)和工作原理3號(hào)密封動(dòng)環(huán)：碳化鉻靜環(huán)：石墨7.5軸封泵的運(yùn)行主泵啟停的主要原那么啟動(dòng)前一回路必須有足夠的壓力，以便可以：防止主泵氣蝕，如壓力缺乏，泵內(nèi)空穴現(xiàn)象的產(chǎn)生將引起氣蝕。因此，只有在吸入水頭到達(dá)允許值(2.3MPa)的條件下，才能使泵投入運(yùn)行，必須遵循規(guī)定的運(yùn)行條件。保證第一道軸封的別離，由于第一道軸封是可控泄漏流體動(dòng)力型軸封，只有一回路壓力大于2.3MPa時(shí)，它才能被“抬起〞，冷卻劑泵才能運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的第一道軸封的內(nèi)壓差Δ＝7.9MPa，相應(yīng)的軸封泄漏流量應(yīng)大于50l/h。對(duì)第一道軸封，由于低壓和過(guò)低的泄漏量不能保證泵軸承的正常潤(rùn)滑，因此必須翻開(kāi)第一道軸封的旁路管線(xiàn)，只要第一道軸封泄漏量低于180l/h，旁路管線(xiàn)就一直開(kāi)著。軸承和推力軸承要有正常油壓和油位，為此，冷卻劑泵啟動(dòng)前2min就必須使高壓油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，并且在冷卻劑泵啟動(dòng)50s以后才允許停止，所提供的油壓通常必須為9.0MPa〔必須高于4.2MPa，在4.210.0MPa之間〕。7.5軸封泵的運(yùn)行由于啟動(dòng)時(shí)荷載極大，因此每次只能啟動(dòng)一個(gè)電動(dòng)泵組，每天最多啟動(dòng)次數(shù)限于6次，如主泵在停止后再次開(kāi)動(dòng)，那么必須待電動(dòng)機(jī)定子冷卻后才能啟動(dòng)。冷卻劑泵啟動(dòng)時(shí)，有關(guān)其它系統(tǒng)應(yīng)具備的條件是：化學(xué)和容積控制系統(tǒng)在每臺(tái)泵的熱屏入口處必須有一股7.8m3/h的注入流量；由設(shè)備冷卻水系統(tǒng)冷卻的熱交換器必須供水，因而設(shè)備冷卻水系統(tǒng)必須處于工作狀態(tài)；硼和補(bǔ)給水系統(tǒng)必須可用，以保證對(duì)平衡管進(jìn)行補(bǔ)水和沖刷第三道軸封。在發(fā)出停止冷卻劑泵指令之前，必須將高壓油泵投入運(yùn)行，直至主泵停止50s以后。7.5軸封泵的運(yùn)行冷卻劑泵運(yùn)行曲線(xiàn)秦山核電廠〔一期〕主泵設(shè)計(jì)參數(shù)秦山核電廠〔一期〕采用的是KSB公司的RER700型主泵，它是立式、單級(jí)、導(dǎo)葉式混流泵〔國(guó)外有時(shí)也稱(chēng)離心泵〕。其主要參數(shù)如上表所示。該泵由泵殼及其平安端、轉(zhuǎn)子部件、軸密封部件、軸承部件、油系統(tǒng)、軸封水和設(shè)冷水系統(tǒng)組成。機(jī)組總高9.5

m，反響堆冷卻劑從底部軸向進(jìn)水，水平徑向排出，從傳動(dòng)端看泵為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。7.6主泵系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀7.6主泵系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀秦山核電二期工程和大亞灣核電站都是采用100D型反響堆冷卻劑泵(RCP)，大亞灣主泵是法國(guó)日蒙公司按照20世紀(jì)70年代從美國(guó)西屋公司引進(jìn)的技術(shù)和法國(guó)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)制造的；而秦山二期工程主泵是1995年由西屋公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，除主泵泵殼是按照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)制造外，其它部件完全是按照ASME等美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)制造的。目前國(guó)外生產(chǎn)軸封式主泵的廠家很多，美國(guó)有西屋、拜倫－杰克遜、賓漢等公司。其中西屋公司的產(chǎn)品最多。法國(guó)的法馬通公司、意大利菲亞特公司、比利時(shí)的ACEC公司和日本三菱高砂制作所等，引進(jìn)了西屋公司的技術(shù)，它們都能生產(chǎn)上述主泵。德國(guó)KSB公司是西歐的主要核泵生產(chǎn)企業(yè)，其產(chǎn)品大量輸出。國(guó)外主泵生產(chǎn)廠家競(jìng)爭(zhēng)非常劇烈，美國(guó)西屋公司為了保持領(lǐng)先地位，總在不斷更新主泵結(jié)構(gòu)。我國(guó)反響堆冷卻劑主泵的設(shè)計(jì)和制造水平與興旺國(guó)家的差距非常大，國(guó)內(nèi)所有在運(yùn)行和在建的核電站冷卻劑主泵全部是從國(guó)外采購(gòu)的。只有出口巴基斯坦恰?，斠黄?0萬(wàn)千瓦核電站的主泵是沈陽(yáng)水泵廠和哈爾濱電機(jī)廠與西德合作生產(chǎn)制造，國(guó)產(chǎn)化率到達(dá)50%。7.6主泵系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀其中泵殼是由中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)加工制造，核泵軸、導(dǎo)流罩、隔熱體等30余種關(guān)鍵部件的大鍛件是中科院沈陽(yáng)金屬研究所負(fù)責(zé)研制的，機(jī)械密封等關(guān)鍵部件是從國(guó)外進(jìn)口的。沈陽(yáng)水泵廠還建立了主泵綜合試驗(yàn)回路，該回路是沈陽(yáng)水泵廠參考大量國(guó)外資料自行設(shè)計(jì)