AP1000核电设备及其国产化-最新进展连续登载.doc

AP1000核电设备及其国产化国家能源局能源节约和科技装备司2010-08目前，AP1000核电设备进入国产化建设关键时期。对AP1000核电设备及其国产化情况的了解有助于AP1000国产化进程的推进。近日，我司对相关情况进行汇总，撰写了AP1000核电设备及其国产化一文，文章将分别从AP1000反应堆压力容器、蒸汽发生器等方面，对AP1000核电设备结构及其国产化情况进行介绍，供参考。AP1000是美国西屋公司开发的一种双环路和百万千瓦级的先进压水堆核电机组，其反应堆一回路由1台反应堆压力容器、1台稳压器、2台大容量的蒸汽发生器、4台屏蔽式主泵、4条冷段和2条热段管道组成。由于主泵入口直接和蒸汽发生器下封头焊接在一起，取消了第二代反应堆中蒸汽发生器与主泵入口之间的U型连接管道；同时，通过对主管道简化设计，减少了焊缝和支撑。AP1000堆芯设计类似于西屋设计的M314堆型，其主回路设计类似于美国燃烧工程公司（CE）设计的System 80，蒸汽发生器采用Delta125，主泵采用大型屏蔽泵，专设安全设施采用了非能动技术。AP1000是在AP600的基础上适当改进的结果，机组采用单堆布置方式，为了达到更高的电站功率，一方面加大了核蒸汽供应系统主要部件的尺寸，包括增加反应堆压力容器的高度、堆芯长度，另一方面增大蒸汽发生器、稳压器、汽轮机的尺寸和容量以及燃料组件的数目。为了实现非能动安全系统设计，采用了带变频器的大型屏蔽泵。近年来，国家、地方政府和企业还投入大量资金，打造核电设备研发和制造基地。现已形成了哈尔滨电站设备集团（简称哈电）、东方电气集团（简称东电）和上海电气集团（简称上电）三大核电设备制造基地，以中国第一重型机械集团（简称一重）、中国第二重型机械制造集团（简称二重）和上海电气重型机械集团（简称上重）为重点的锻件和反应堆压力容器制造基地，以沈阳鼓风机集团（简称沈鼓）、中核苏阀科技实业股份有限公司（简称中核苏阀）和大连大高阀门有限公司（简称大连大高阀门）等一批国家级骨干企业的核级泵阀制造基地，此外，还有一批专业生产厂家具备了堆内构件、控制棒驱动机构、环吊、主管道及配套设备的批量生产条件。在此基础上，依托新组建的国家核电技术公司，我国推动了三代核电技术装备引进和自主化工作。三门和海阳作为世界上首次投入商业运行的AP1000核电项目，其自主化任务也基本得到落实。本文将对AP1000主要设备及其国产化情况进行说明。一、 反应堆压力容器1.结构AP1000反应堆压力容器是一个由壳体、过渡环、半球形底封头及可拆卸带法兰上封头构成的圆柱形结构。壳体包括两部分：上壳体（接管段）和下壳体（活性段），见图1。下壳体和底封头之间用一个过渡环连接。上壳体、下壳体、过渡段和半球形底封头由低合金钢制造，内部堆焊奥氏体不锈钢，每个部件之间采用焊接连接。封头由顶盖和法兰制成。上封头为控制棒驱动机构、堆内测量提供了安装孔和支撑，为RPV放气管和一体化堆顶提供了支撑。压力容器在堆芯顶部以下的位置没有贯穿孔，排除了压力容器泄漏导致失水事故的可能。图1 AP1000反应堆压力容器AP1000压力容器是在原有成熟机组基础上进行设计，与传统二代及二代改进型压水堆核电站设备总体上类似。AP1000压力容器高约12200mm，堆芯区内径4040mm，总重为425.3t，由SA-508-3锻件和低合金钢板制造。2.国产化情况AP1000反应堆压力容器所需的大型铸锻件必须满足60年寿命的要求，目前，国内反应堆压力容器制造厂家主要有一重和二重，它们是我国第三代核电技术自主化项目重要的配套供应商。一重已研制成功“二代加”核岛主设备全部锻件，并实现批量生产，现已实现AP1000核岛反应堆压力容器锻件的完全国产化，部分锻件制造达到世界领先水平。2010年5月，由一重承制的中国首台国产化AP1000反应堆压力容器三门核电2号机组压力容器在一重大连核电石化事业部开工制造。这也是中国制造企业首次尝试制造成套的第三代核反应堆压力容器，对于AP1000第三代核电技术完全国产化意义重大。表1 三门和海阳压力容器供货范围序号项目设备设备供货锻件供货1三门1#压力容器斗山斗山/一重2海阳1#压力容器斗山斗山/一重3三门2#压力容器一重一重4 海阳2#压力容器上核上重二、蒸汽发生器1. 结构蒸汽发生器是核电站一、二回路的枢纽，它的主要作用是将一回路冷却剂中的热量传递给二回路水，使之产生蒸汽来驱动汽轮发电机组发电。由于一回路冷却剂流经堆芯带有放射性，因此，蒸汽发生器也是一回路压力边界的一部分，用于防止放射性物质外泄。在正常运行时，二回路不受一回路放射性冷却剂的污染，是不带放射性的。AP1000机组采用2台Delta125型直立式U形管蒸发器。该设计以标准的西屋F堆型技术为基础，每套机组热功率达到1707.5MW。Delta125型蒸汽发生器的传热管采用耐腐蚀的lnconel-690合金材料，采用不锈钢梅花孔传热管支撑板，带有过滤、除气和防水锤外的给水分配系统，以及纯度最低为99.75%的汽水分离器。这些措施使该设计可以满足AP1000长期可靠使用的性能要求。每台蒸汽发生器下封头悬吊2台主泵，主泵入口管和蒸汽发生器的下封头上的出口管通过焊接连接在一起，见图2。蒸汽发生器总高度22454mm，上壳体内径5334mm，下壳体内径4191mm，管板厚度787mm，重量约600t。2. 国产化情况目前，国内蒸汽发生器锻件生产厂家主要有一重、二重和上重，设备生产厂家主要有上电、哈电重装和东电。AP1000蒸汽发生器核心部件U型管由上海宝山钢铁股份有限公司与江苏银环精密钢管股份有限公司合资组建的宝银特种钢管有限公司生产。2010年1月，中国国内首个核电蒸汽发生器用型管项目在江苏宜兴经济开发区正式投产，但还不能满足国内对U形管的需求，目前主要是从法国Valinox、日本住友和瑞典Sandvik进口。AP1000蒸汽发生器又一核心部件管板是超大特厚饼形件，探伤要求严，锻造难度相当大。2009年12月，一重承制的三门核电2号机组蒸汽发生器管板锻件机械性能试验合格；2010年4月，二重成功锻制出2支AP1000核电管板。下图表为三门和海阳核电站蒸汽发生器锻件供货范围。三、反应堆冷却剂循环泵1. 结构反应堆冷却剂循环泵（简称核主泵）是核电站重要设备，被喻为反应堆冷却系统的心脏。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，经过核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。在核岛一回路系统中，核主泵是唯一的旋转设备。每条环路有一台核主泵，用于驱动冷却剂在反应堆冷却剂系统内循环流动，连续不断地把堆芯中产生的热量传递给蒸汽发生器二回路。反应堆冷却剂循环过程是在封闭的回路中进行的。核主泵由电动机驱动，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。核主泵的可靠性直接影响到核反应堆的安全运行。按美国机械工程学会（简称ASME）的安全等级分类标准，核主泵属于核安全I级，质保Ql级，抗震I类。 AP1000核主泵是主回路中唯一能动部件，为屏蔽电机泵，由美国电气机械公司（简称美国EMD）提供。该泵由水力部件和电机部件两部分组成。水力部件主要是由泵壳、叶轮和导叶等零部件组成的混流式泵，泵和电机之间由热屏隔离堆芯冷却剂的高温，见图3。电机是一种专门设计的单绕组、四极、三相、屏蔽套式感应电机，采用60Hz电源，由变频器启动和运行；电机主要部件包括：水润滑轴承、屏蔽套、飞轮、定子绕组及冷却装置。与以往采用的轴封式主泵不同，在其轴上带有一个转动惯量很大的飞轮。屏蔽泵电机壳体及用镍基合金材料屏蔽的转子和定子均是一回路介质的压力边界。为避免一回路带有放射性水的外泄，对零部件的加工焊接和装配以及石墨润滑轴承、陶瓷密封端子要求极高，且必须在1：1的试验回路上进行试验，在各种性能都能满足AP1000核电站要求后，才能正式投入产品的生产。 AP1000核主泵设计压力17.1MPa，设计温度343，总高6.69m，总质量83.68t，泵设计流量17886m3/h，压头111.3m，转速1800r/min。2.国产化情况AP1000的核主泵是屏蔽泵，是美国EMD独自开发用于AP1000的主泵。与以往的轴封式主泵相比，其加工精度高、配件均是非商品级的，国产化难度较大。由于AP1000核主泵还没有原型，国内厂家更是缺乏相关技术和制造经验，需要等美国EMD完成制造并经鉴定合格后才能转让技术和培训，国内制造厂家尚需要进行相应的技术改造，国内主泵技术受让单位为沈鼓与哈电，国产化目标为在第四台核电机组上至少有2台国产屏蔽泵参与机组运行。2008年3月，沈鼓、哈电分别与美国EMD签订了2台国产核主泵分包制造合同，这是AP1000屏蔽主泵逐步实现国产化的重要里程碑，标志着AP1000屏蔽主泵国产化已进入了实施阶段。2008年，沈鼓、哈电最终通过了ASME授权检验机构进行的ASME N及NPT认证。哈电、沈鼓在美国EMD的指导下，已开始部分设备的采购，并确保所采购的“缺口”设备在性能上满足AP1000核主泵生产的要求。目前，哈电AP1000核主泵电机制造厂房已基本建成，沈鼓的核主泵厂房也已进行施工，计划2011年1月投入使用。2010年6月，一重与沈鼓等单位已经开始了AP1000主泵泵壳合作研制相关工作。四、主管道1.结构核电站主管道是连接反应堆压力容器和蒸汽发生器的大厚壁承压管道，是核蒸汽供应系统输出堆芯热能的“大动脉”，是压水堆核电站的核一级关键部件。AP1000主管道不同于第二代核电站采用的铸造不锈钢管，采用的是整体锻造、加工、弯管的不锈钢管道，这要求有更多的不锈钢水，其冶炼、浇铸、铸造、热处理、深孔加工和弯管等工艺都有较大难度。2. 国产化情况AP1000主管道是中国AP1000自主化依托项目中唯一没有引进国外技术的核岛关键设备。目前AP1000主管道研制厂家主要有渤海船舶重工有限责任公司（以下简称渤船重工）、一重、二重、上重和吉林中意核管道制造有限公司（以下简称吉林中意）自主化取得较大进展，钢锭化学成份完全满足西屋公司的技术要求。通过主管道科研攻关，国内大型超纯净奥氏体不锈钢电渣锭技术已达到国际领先水平（国内2007年以前的电渣锭技术最大为45吨水平，现在可达到150吨水平）；AP1000主管道冷弯管核心技术取得突破，目前已达到国际同步水平；超低碳纯净不锈钢基础性理论研究和认识已接近世界同步水平。渤船重工、二重、上重研制的全尺寸主管道模拟件已成功；吉林中意完成了主管道模拟件弯制。目前，国家核电技术公司与二重、渤船重工、吉林中意分别签定了三门1#、海阳1#、三门2#、海阳2#和一套备用主管道采购合同。2010年1月11日，国家核电技术公司与二重签订了三门1#、海阳1#国产化主管道采购合同。2010年5月18日，国家核电技术公司组织专家组对二重承担的AP1000核电主管道热段试制件进