《核电厂蒸汽供应系统》第3章 反应堆主冷却剂系统

第三章反应堆冷却剂环路系统及设备（二）3.3反应堆冷却剂泵（主泵）

内容概述一、主泵的功能、要求和组成二、主泵的结构和原理三、主泵的监测、控制和保护四、主泵的运行主要功能

用于驱动冷却剂在RCP内的循环，连续不断地将堆芯中产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧给水。通常为空气冷却、立式电动单级离心泵，带有可控泄漏轴封装置。一、主泵的功能、要求和组成（1）反应堆主冷却剂泵基本要求适应压水堆冷却剂回路的高温、高压运行工况；输送流量大、压头大；能够长期在无人维护状态下安全可靠，连续地运转；密封性能要好，带放射性的冷却剂泄漏要少；便于维修，辅助系统简单；能够提供足够的转动惯量；耐磨、耐蚀性能好。一、主泵的功能、要求和组成（2）分类屏蔽泵：早期核电站和核动力舰艇使用轴密封泵：1965年第一次作为压水堆核电站主泵使用（压水堆冷却剂泵采用立式单级轴密封泵）屏蔽泵特点叶轮和电机转子连成一体，装在密封壳体内，解决了密封的问题。存在问题效率低制造量大，造价昂贵电机设置飞轮，效率降低，可靠电源要求高维修不方便一、主泵的功能、要求和组成（3）轴密封泵特点泵轴与电机轴刚性联接；泵轴端采用三道密封；转轴三点支承，止推轴承置于顶部，与电机高位径向轴承相结合；选用常规鼠笼式三相交流感应电机；电机上装有1只惯性飞轮。优点电机成本低、效率高；惯性飞轮提高了主泵的惰转性能，提高了全场断电时堆芯的安全性；主泵结构紧凑，高度较低，检修方便。缺点泵轴与电机轴刚性联接，对中要求十分严格；高压下轴封要求严格，技术复杂。一、主泵的功能、要求和组成（4）主泵的组成组成（三相感应电机驱动的立式、单极、轴封泵）电动机：下部轴承、转子、定子、止推轴承、上部轴承、飞轮轴封组件：三个串联的可控泄漏的轴封水力部件：泵体、热屏、泵轴承、轴封水流入接口一、主泵的功能、要求和组成（5）二、主泵的结构和原理结构冷却剂泵从底部到顶部可分为三个部分：水力机械部分，吸入口和出水口接管、泵壳、叶轮、扩压器和导流管、泵轴、主泵轴承和热屏等部件；轴密封组件部分，包括三个轴密封、主法兰和密封罩等部件；电动机部分，包括电动机、止推轴承、上下径向轴承、顶轴油泵系统和惯性飞轮等部件。1、水力机械部分组成泵体热屏泵轴承轴封水流入接口二、主泵的结构和原理（2）二、主泵的结构和原理参数水泵名义流量：23790m3/h名义流量下压头为：97.2m吸入口水压：15.5MPa吸入口水温：293℃最低入口压力：2.4MPa名义轴功率冷态～8MW，热态～6MW二、主泵的结构和原理（3）二、主泵的结构和原理泵体冷却剂系统压力边界的一部分组成：泵壳、导叶、进水导管、叶轮、泵轴承材料为不锈钢泵轴承为锻件，其余为铸件叶轮：有七个螺旋离心叶片，装载泵轴下端扩散器：汇集来自叶轮的冷却剂，有十二个螺旋离心叶片组成，安装在扩散段法兰的底部。二、主泵的结构和原理（4）二、主泵的结构和原理热屏组成：由12层不锈钢扁平盘管组成的热交换器；由紧固法兰、防护套筒、蛇形管换热器及蛇形管进出口管嘴组成；安装在叶轮上方。二、主泵的结构和原理（5）二、主泵的结构和原理二、主泵的结构和原理作用：用于阻止反应堆冷却剂的热量向泵上部传导；使泵内冷却剂向泵轴承、轴密封的传热降到最小；主泵正常运行时，RCV向主泵提供高压轴封水（55℃），热屏起辅助作用；轴封水中断时，热屏发挥保护泵轴承和轴封的主要作用；当主泵运行时或主泵停运后一回路温度高于70℃，热屏必须提供冷却水；热屏上方设有台座，检修时可避免排水。二、主泵的结构和原理（6）二、主泵的结构和原理泵轴承主泵共装有三个轴承，两个电机轴承，一个泵轴承；泵轴承位于热屏与轴封之间，为泵提供径向支承和对中；水润滑轴承，浸没在水中；安装在环形箱中，该箱能够校正轴的偏心度；二、主泵的结构和原理（7）二、主泵的结构和原理二、主泵的结构和原理2、轴密封组件结构主泵的关键部件，其性能好坏直接影响主泵的安全工作，其寿命又决定了泵的检修周期。作用防止高温高压且带有放射性的冷却剂沿泵轴泄露到环境中去，保证主泵轴向的密封。特点三道串联的轴封，第一道为可控制泄漏的液膜密封，第二、三道为摩擦面密封。二、主泵的结构和原理（8）二、主泵的结构和原理轴密封组件结构图轴密封组件结构图第1级轴封是主轴封，位于泵轴承上面。有两个覆盖氧化铝的不锈钢环构成。下边为动环，与泵轴轴联接在一起，随轴旋转上边静环，与泵壳联接在一起不转动，可上下移动。是一种流体静力平衡式、依靠液膜悬浮的受控泄漏轴封。二、主泵的结构和原理（9）二、主泵的结构和原理1级轴封及力平衡原理图静环两端的压差低于1.5MPa时，张开力变得不足保持间隙，因此主泵运行时应保持压差大于1.5MPa。主泵在低速和停运过程中由于转速较低，要求压差大于1.9MPa，因此主泵必须在RCP系统绝对压力高压2.4MPa时才能投入运行。第2级轴封2级轴封和3级轴封均属于常规的表面磨擦轴封。动环由不锈钢制成，静环由石墨制成，通过弹簧压紧在动环上。作用阻挡1级轴封的泄漏；当1级轴封发生故障时，能在一回路额定压力下工作30分钟，以便设备停用。二、主泵的结构和原理（10）二、主泵的结构和原理二、主泵的结构和原理第3级轴封3级轴封属于常规的表面磨擦轴封。作用阻挡2级轴封的泄漏；引导2级轴封的泄漏水进入RPE。二、主泵的结构和原理（11）二、主泵的结构和原理二、主泵的结构和原理轴封注入水轴封水温度55℃，压力15.8MPa，流量1.8m3/h；来自RCV，压力稍高于RCP压力，通过热屏法兰上的接管从泵径向轴承和1号轴封之间注入；作用经过泵轴承、热屏流到泵壳内，抑制冷却剂向上流动；保证主泵轴承润滑；流过轴封，提供轴封水；在RRI故障，不能向热屏提供冷却水时，保证泵轴承和轴封在短时间内的应急冷却。二、主泵的结构和原理（12）二、主泵的结构和原理29泵轴承热屏55℃1.1m3/h0.23MPa0.16MPa0.l4MPa注入水中大约1.1M3/h经过泵轴和热屏进入RCP轴封注入水3、电动机部分类型三相异步直接启动式电动机额定功率6.5MW，6.6KV母线供电组成电动机（定子和转子）电动机轴承顶轴油泵惰转飞轮抗倒转装置二、主泵的结构和原理（13）二、主泵的结构和原理电动机结构图定子和转子电动机定子和转子采用开放式空气冷却；为防止安全壳内空气升温，在空气冷却回路出口装有两台冷却器，由RRI系统冷却；定子绕组上设有电加热器，在泵停运期间自动加热保持绕组干燥。二、主泵的结构和原理（14）二、主泵的结构和原理电动机轴承下部径向轴承、上部径向轴承和轴向止推轴承定位顶油泵主泵在启动之前，须首先启动一台辅助高压滑油泵（顶油泵），向推力轴承的上下侧注入高压油，避免轴盘与轴瓦磨损；顶油泵的最小压力为4.2MPa，在主泵完全启动至少50秒才能停止油泵。二、主泵的结构和原理（15）止推轴承和径向轴承油提升系统在主泵启动和停运时，减小启动电流和防止止推轴承损坏；由顶轴油泵、压力继电器、油滤器、安全阀、止回阀、排气阀以及相连接的管道等组成；在止推轴瓦和止推转盘之间产生一层油膜；二、主泵的结构和原理（16）二、主泵的结构和原理止推轴承和油提升系统二、主泵的结构和原理惰转飞轮总惯量为3800kg·m2（其中飞轮的转动惯量为2500kg·m2）；用来增加水泵的转动惯量以提供充分的惯性转到时间。防逆转装置作用：用于增加转动惯量防止逆转二、主泵的结构和原理（17）二、主泵的结构和原理三、主泵的监测、控制和保护每台冷却剂泵均设置有温度、压力压差、流量、液位、振动、轴偏移和转速等监控仪表，并给出报警和保护温度测量压力、压差测量液位测量振动和轴偏移测量转速测量流量测量温度测量轴封水温探测器2个，1号轴封水正常温度为55℃，达到85℃和95℃时分别由计算机报警；电动机轴承温度探测器8个，其中上、下止推轴瓦，上、下轴承各2个。正常温度为60～65℃，在72℃时计算机预报警，达到80℃时采取二取二逻辑自动停止主泵并报警；电动机绕组温度探测器6个，正常温度在60～80℃，RCP系统冷态运行温度限值为130℃，热态为120℃，超过限值计算机报警并手动停止该泵；三台主泵公用母管轴封注入水温探测器一个，正常水温为15～54℃，水温达到57℃时报警；供给热屏和电动机端诸冷却器的设冷水温探测器1个，仅作监视用，正常水温不超过35℃。压力、压差测量电动机辅助高压润滑油泵出口压力探测器1个，油压小于42bar（g）时闭锁主泵启动。另设就地压力表1块；1号轴封压差探测器一个，以监督确认动静环两端面分离并形成液膜。压差低于19bar时闭锁主泵启动。运行中主泵1号轴封压差低于15bar时报警。另设就地压差表以便检修后试运行时使用。液位测量电动机上轴承和止推轴承油箱液位表1个，液位高于定值中心线30mm或低于定值中心线40mm时报警。另设就地液位表供调试用；电动机下轴承油箱液位表1个，液位低于或高于定值中心线30mm时报警；轴封立管液位表一个，液位低于或高于定值中心线60cm时控制REA系统启、停向立管补水及阀门开、关。液位高于定值中心线66cm或低于定值中心线68cm时报警。振动和位移测量电动机振动传感器2个，置于电动机壳体下法兰，一个与主泵出水管嘴方向平行，一个垂直。振动幅值达到50μm时予报警，达到75μm时报警。若振动幅值达到50μm且以10μm/h增长时或振幅达到75μm时，立即手动停泵；轴偏移传感器2个，置于电动机驱动轴联轴节高度上，安装方向与振动传感器相同。轴偏移振幅达到250μm时报警，须尽量找出偏大原因并采取纠正措施。振幅大于250μm且增率大于25μm/h或轴偏移达到380μm时，立即手动停泵。转速测量泵转速可变磁阻传感器两个，装于泵体上用来检测中间短轴部位销钉的运动，轴每转一圈发出一个脉冲信号，两个传感器选择一个工作。两个脉冲间时间差值由电子转速表处理，给出转速信号；当三台运行主泵有两台转速低于1397rpm，同时伴有P7信号时，主开关站断路器断开，电厂降到厂负荷运行（弧岛运行）；当三台运行主泵有两台转速降到低于1365rpm，且伴有P7信号时，反应堆紧急停堆。流量测量1号轴封注水流量探测器1个，注水流量低于1.5m3/h时报警；1号轴封泄漏流量窄量程传感器1个，泄漏流量低于250L/h时报警，低于50L/h时闭锁主泵启动。宽量程传感器1个，泄漏流量高于1.2m3/h时报警，高于1.4m3/h且无P11信号时自动停泵并关闭1号轴封泄漏管线隔离阀，表明此时1号轴封已损坏失效；2号轴封泄漏流量窄量程传感器1个，泄漏流量大于110L/h时报警。宽量程传感器1个，仅用来监测。四、主泵的运行主泵是大功率转动设备，为确保运行，在启动时必须遵守一些基本原则，其中主要几项：在主泵启动之前必须供给轴封水；在主泵启动之前必须启动顶油泵，油压高于4.2MPa；启动主泵前一回路的压力必须大于2.4MPa；主泵停运后必须等电机线圈冷却后才能在启动。24h最多只能启动6次；泵决不准许汽蚀现象发生。1、主泵运行限值和条件电动机不能同时启动主泵；每台主泵每天启动次数不得超过6次；同一台主泵第一次启动与第二次启动之间时间间隔为：母线电压在（94～106）%额定电压时20分钟，在（80～94）%额定电压时30分钟；之后的启动时间间隔为：母线电压在（94～106）%额定电压时45分钟，在（80～94）%额定电压时60分钟。四、主泵的运行（2）四、主泵的运行1号轴封压力壳开盖后充水时，必须向轴封注水，以免冷却剂中微粒沉积在1号轴封入口。注水时轴封应排气，以防轴封过热；RCP系统压力低于7MPa，必须关闭泄漏隔离阀；运行主泵1号轴封压差必须大于15MPa，在主泵停运后保持15分钟；1号轴封水温可增高至65℃，此类工况每年不超过5次，每次不超过4小时，且须控制主泵入口冷却剂温度不超过204℃，压力不超过3MPa；一台主泵已投运，冷却剂温度已高于70℃时，应急柴油发电机组必须完好可用。四、主泵的运行（3）四、主泵的运行四、主泵的运行热屏和电动机冷却器冷却水冷却水来自设备冷却水系统，冷却水温应在35℃以下，特殊情况短时间内允许升至54℃。来自RRI系统的热屏冷却水流量不小于9m3/h。防止意外硼稀释停运与RCV系统上充管线相连接的环路主泵时，必须核对确已停止了硼稀释；在启动与RCV系统上充管线相连接的环路主泵时，也必须核对该泵停运以来确实未曾进行过硼稀释，以确保反应堆临界安全。四、主泵的运行（4）四、主泵的运行在RCP系统升温升压过程中，当稳压器汽腔形成后，至少一个喷淋管线所在的环路主泵应在运行。冷却剂硼化时至少有一台主泵在运行。只要有一台主泵故障不能投运，反应堆不允许达临界（低功率物理试验时可以予以例外）。四、主泵的运行（5）四、主泵的运行主泵启动条件：RCP系统压力应确保主泵有足够的净吸入压头，以防止泵叶轮入水部位汽蚀。在不同冷却剂温度下RCP系统所需的压力与相应饱和曲线比较，留有50℃余量；1号轴封两端压差应大于1.9MPa，RCP系统压力应大于24MPa；轴封注水流量应足够，无低流量报警信号；电动机绕组温度，止推轴承及上、下轴承温度正常，无报警信号；电动机上下油箱液位正常无报警信号；电动机绕组加热器已通电加热；辅助高压润滑油泵已启动2分半钟并建立4.2MPa油压。

2、主泵启动和停止四、主泵的运行（6）四、主泵的运行主泵启动条件主泵启动运行主泵启动时应检查主泵在2s已开始转动，否则应停止该泵；在主泵至少已运转50s后停止电动机辅