核电站堆堆泵型的对比分析

核电站堆堆泵型的对比分析

1cap3000中冷却剂泵的应用进展核电厂是安全、清洁、高效的能源。它是世界能源的三大支柱之一。为了实现我国核电中长期发展规划,顺应世界核电技术进步的潮流,国家做出了引进美国西屋公司AP1000核电技术,建立第三代核电示范工程的决策。2008年2月15日,国务院常务会议原则通过的《大型先进压水堆核电站重大专项总体实施方案报告》,要求在AP1000引进技术消化吸收的基础上,开展CAP1400技术研发、1700MWe级核电技术预研、重大共性技术及关键设备、材料研究等。反应堆冷却剂泵(以下简称主泵,英文缩写“RCP”)是主回路中唯一的能动旋转设备,它的性能和可靠性不仅决定了堆型的可靠性,更影响了堆型的主要经济参数。在我国大型先进压水堆的研制过程中,主泵的选型问题受到重点关注。本文通过对比世界上压水堆核电站采用的三种主要主泵类型,探讨未来先进压水堆核电站主泵的发展方向。2屏蔽泵的发展屏蔽泵是一种无轴封泵,由屏蔽电动机和泵体组成。主要由泵体、叶轮、定子、转子、前后轴承及推力盘等零部件组成,定子、转子之间用非磁性薄壁材料制成的屏蔽套隔开。转子由前后轴承支承在输送介质中。由于没有动密封,因此在正常情况下绝对不会产生任何泄漏。屏蔽泵的历史可以追溯到100多年前,在核电站中首次应用是20世纪50年代的希平港核电站。此后随着核工业的发展,安全和环保问题日益引起大家的关注,对主泵的运行提出了无泄漏要求,促成了屏蔽泵技术的发展。下面以典型的压水堆屏蔽式主泵——AP1000堆型主泵为例介绍屏蔽式主泵。图1为AP1000堆型屏蔽式主泵剖视图。该屏蔽泵的水力部件(包括泵壳、叶轮、导叶等)直接安装在电机上面。电机的转子和泵的叶轮固定在同一根轴上,利用屏蔽套将电机的转子、定子与冷却剂隔离开,转子处在输送介质中运转。电机动力通过电机定子磁场传给转子并带动叶轮旋转。旋转时,水流从叶轮中心甩向叶轮外缘,经过导叶梳理后沿联接在泵壳上的管道排出。一旦电机内部腔室充满反应堆冷却剂,热屏和叶轮之间的迷宫密封会减少在运行过程中流到电机腔室内的冷却剂流量。屏蔽泵有2个屏蔽套,分别是在定子内表面和转子外表面的定子屏蔽套和转子屏蔽套。它们起到了防止输送介质侵入定子绕组和转子铁芯的作用。由于屏蔽泵转子完全浸泡在反应堆冷却剂中,为减少屏蔽套内产生的涡流损失并减少温升、改善电机的运转条件,屏蔽套必须采用非磁性、高电阻材料,并在保证其强度的条件下越薄越好,两屏蔽套之间间隙越小越好。AP1000屏蔽式主泵的屏蔽套材料为HastelloyC276合金。屏蔽套的加工工艺是整个屏蔽泵制造水平的标志,常用的加工方法有机械加工、拉制成型、氩弧焊和薄板滚焊等。AP1000屏蔽式主泵采用EMD公司的一套专利技术,包括精密裁剪、精密滚压成型、自动埋弧焊接工艺、射线及液体渗透探伤、1.5倍设计压力水压试验以及氮气检漏等。2.1铁芯冷却控制AP1000屏蔽式主泵电机是立式、水冷的鼠笼式感应电动机。定子屏蔽套及绝缘层保护定子(绕组和铁芯)不与在电动机内和轴承室内循环的反应堆冷却剂接触。转子屏蔽套将转子铜条与反应堆冷却剂隔开,使铜条从转子铁芯脱落掉入其它区域的潜在危险减至最小。由于屏蔽电机的损耗高,发热严重,定子屏蔽套使定子成为一个封闭区域,这样定子铁芯和绕组的冷却只能靠温度梯度产生的热传导散热。绕组端部由于散热困难,成为温度场中的热点。由此可见,屏蔽式主泵电机的冷却措施及温升控制是保证正常运行的关键。作为解决措施,一方面,电机绕组采用较高的绝缘等级(N级,200℃),另一方面,通过有效的冷却来降低电机各部分的温度。除了电机顶部由流经主泵热屏的设备冷却水冷却,迷宫式密封(在转子与热屏之间位置)阻隔泵壳腔室内的高温冷却剂和电机腔室内的低温冷却剂进行热交换之外,电机冷却功能还通过两个冷却回路来实现:1)外置热交换器冷却回路。外置热交换器的壳侧为电机腔内的反应堆冷却剂,管侧为设备冷却水,外置热交换器冷却后的反应堆冷却剂由电机转子下部进入,并有一辅助叶轮驱动冷却剂循环,冷却剂轴向流经电机腔室,带出转子和定子的热量,通过外置热交换器后得到冷却。2)流经电机定子冷却外套的设备冷却水回路。来自设备冷却水系统的较低温度的水从冷却外套内流过,带出电机定子绕组发出的热量。通过冷却回路的有效工作使电机腔室内的冷却剂温度保持在80℃以下,定子绕组中的最高温度不大于180℃,以此保证绕组绝缘的性能和寿命。2.2屏蔽式主泵齿轮的结构在电源丧失后反应堆在一段时间内维持一定的通过反应堆的流量,以充分冷却堆芯。同时,设备冷却水的丧失对惰转能力不应该产生影响,在发生厂外和厂内电源丧失事故并伴随安全停堆地震时,主泵的惰转能力也应保持。为了满足这个要求,每台主泵应装有飞轮和惯量较大的转子,总的转动惯量用于维持在惰转期间的冷却剂流量。AP1000屏蔽式主泵飞轮由上下2个飞轮组件组成,上部飞轮组件位于电机和叶轮之间,下部飞轮组件采用与推力盘组合的结构。具体飞轮位置如图1所示。由于考虑电机发热、效率和转子高度的要求,必须采用较大的长径比,屏蔽套直径不能太大,这一限制直接影响到飞轮直径,必须采取措施在有限空间中实现大的转动惯量。起初AP1000屏蔽式主泵的设计飞轮材料采用贫铀,但是贫铀需要审批及执照,供货难度大,后改用重金属钨合金(WHA)。它可在有限体积内实现较大的转动惯量,以保证主泵惰转特性。上部飞轮组件采用热套装的方法,用不锈钢外套环将12块扇形钨合金块固定在不锈钢内轮毂上,其外部包有密封罩壳以防止应力腐蚀,最后将飞轮固定在屏蔽式主泵的主轴上,如图2所示。但由于外套环受到预紧力和离心力作用,可能会使外套环产生应力松弛。飞轮外部的承压壳采用加强措施,以限制其发生散裂。2.3过转子组件安装AP1000屏蔽式主泵采用滑动轴承,用被输送的介质来润滑。主泵在启动或停车时会产生很大的轴向力,另外在运转时,叶轮前后会因所受压力不平衡而产生轴向力,该力通过转子组件作用于推力轴承上。在实际使用过程中,输送介质的比重、粘度均对轴向力的大小和方向产生影响,运转工况的改变也使轴向力发生变化,从而导致轴承发生磨损。AP1000屏蔽式主泵装有3个轴承,其中2个为径向轴承,一个为双向推力轴承。具体安装位置如图1所示。在泵启动和正常运行时通过电机冷却回路使流过轴承的冷却剂温度保持在80℃以下,以保证轴承的寿命。由于AP1000主泵采用水力部件在上、电机在下的布置方式,静止时推力轴承承受转子的全部重量,运转时叶轮推力抵消掉一部分转子重量。3湿透气性能及使用寿命长湿定子泵是由屏蔽泵派生出来的一种类型的泵,与屏蔽泵合称无填料泵。与屏蔽泵相比,湿定子泵在结构上没有采用屏蔽套,而采用绕组绝缘材料使电机绕组能够直接浸泡在液体的介质中,减少了泵发生事故的可能性。同时,由于没有屏蔽套,内部磁损较少,提高了机组的可靠性和效率。目前湿定子泵在核电中的应用主要是在沸水堆中,已经积累了上千堆年(堆·年的乘积)的运行经验。实际运行经验表明,湿定子泵的一次检修寿命长、效率高。由于湿定子泵的电机绕组长期工作在水中,承受高温、高压、高辐照,因此提高湿定子泵可靠性的关键在于提高湿绕组电机绝缘系统的可靠性和使用寿命。主要受下列因素的影响:①导线的质量和性能,导线绝缘材料中的杂质含量、耐辐照程度等都会影响绕组寿命;②引出线密封绝缘结构;③水质,水中杂质会造成局部放电,使绝缘材料裂解并逐步扩大,最终造成绝缘失效;④中性点密封包扎。目前,湿定子泵的代表厂家德国KSB(KleinSchanzlin&Becker)公司根据其几十年来在压水堆和沸水堆中主泵的设计经验,设计出针对AP1000堆型的湿定子主泵,如图3所示。从图中可以看到,AP1000湿定子主泵的整体结构与屏蔽泵相差不大。水力部件通过端面联接到电机轴上。该泵设置3个径向轴承和一个推力轴承。热屏会减少在运行过程中流到电机腔室内的冷却剂流量。3.1湿清系统的工作原理与屏蔽式主泵相同,AP1000湿定子主泵电机也是立式、水冷式鼠笼式感应电动机。但未采用屏蔽套保护定子和转子,而是采用了由绝缘线包裹导电铜线的湿定子电机。定子结构如图4所示。该电机由于取消了屏蔽套,使得磁损大为减少。此外,湿定子主泵的冷却回路采用外置热交换器冷却回路直接冷却定子。由外置热交换器冷却后的反应堆冷却剂由电机转子下部进入,并由一辅助叶轮驱动冷却剂循环,冷却剂轴向流经定子腔室,带出热量,通过外置热交换器后得到冷却。这样的冷却结构避免了热点的出现。冷却回路如图5所示。3.2主泵轴之间的连接AP1000湿定子主泵的作用也是满足在惰转期间的冷却剂流量的要求。该类型主泵只有一个飞轮,位于电机部件与水力部件之间,其位置如图2所示。飞轮结构为不锈钢底座嵌入钨合金外加盖板的形式。飞轮与泵轴采用端面联接形式。飞轮具体结构如图6所示。3.3轴承安装位置湿定子主泵也采用滑动轴承,用输送介质来润滑。主泵装有4个轴承,其中3个为径向轴承,一个为推力轴承。具体安装位置如图2所示。KSB公司目前已对试验泵进行了6500次左右的启停试验,轴承磨损小于10μm,认为可以满足60年的使用要求。4轴封系统的组成作为技术较为成熟的轴封泵,因其功率大、效率高、惰转时间长等特点,广泛应用于当今世界上运行的大型核电站主泵中。典型的轴封式主泵为空气冷却、立式、电动、单级离心泵,带有可控泄漏轴封装置。为防止高温、高压、带放射性的冷却剂泄漏,设置了特殊的轴封装置和热屏。轴封装置采用3道轴封,是可控泄漏的,能保证带放射性的冷却剂不泄漏到安全壳内。为了便于检修和更换泵轴承和轴封装置,电动机和水泵泵体分开组装,中间以短轴相联接。电动机顶部装有飞轮,它在断电时可延长泵的惰转时间,以带出堆芯剩余热量。主泵泵壳入口和出口均与主管道焊接在一起,并通过3根立柱和侧向阻尼器来支承。轴封泵总体结构可分为3部分:①水力机械部分,包括泵体、热屏、轴承和轴封水注入接口;②轴封系统,轴封系统提供从反应堆冷却剂压力到环境条件的压降;③电机部分,包括电机下部轴承、电机主体、止推轴承、上部轴承和惰转飞轮。图7是典型轴封式主泵的简图。4.1空气冷却器冷却轴封式主泵的电动机采用立式、鼠笼式感应电机。定子和转子采用空气冷却,装在转子两端的风叶通过电动机的冷却孔吸入空气,流过电动机后回到电动机机架外的空气冷却器进行冷却。4.2主泵叶轮的安装轴封式主泵的飞轮固定在电动机的轴端。由于轴封式主泵的体积较大,因此可以安装较大质量的飞轮以保证惰转效果。如M310型机组采用的主泵飞轮就重达6t。为了防止主泵逆转,在飞轮外缘上安装有防逆转装置。4.3推力盘分配电动机上部装有一个双向的推力轴承和两个径向轴承。推力轴承在推力转盘的上下两面各有8块轴瓦,转盘将推力负荷均匀的分配到止推轴瓦上。推力轴承和上部径向轴承位于上贮油箱中,浸没在油内,下部径向轴承浸在下部油箱的油中。5泵的可靠性和工作原理上述3种不同类型主泵的比较见表1.从以上对比可以看出,屏蔽泵最大的优点就是零泄漏,但其内部结构复杂,维护检修困难,而且泵的效率低,可靠性较差。受内部空间限制,安装飞轮不方便,泵的惰转时间很短。湿定子泵的结构较为简单,但由于没有屏蔽套,对于绕组的绝缘性要求很高,且易受沾污。轴封泵的效率最高,目前已能较好地控制泄漏问题,但泵轴由于冷却水的影响易于发生疲劳失效。6主泵的选型纵观压水堆主泵的发展历史,美国作为压水堆的鼻祖,最初使用屏蔽泵,但后来在电站中主要采用轴封泵。主要原因是当时的屏蔽泵并不能满足压水堆核电站的惰转要求,但轴封泵可以通过设置很大的飞轮达到该项要求。此后二代压水堆核电站均采用轴封泵做为主泵。二代沸水堆中采用广泛内置湿定子泵的原因是,与堆外循环泵相比:①减小了安全壳的尺寸;②省掉了反应堆压力容器底部大口径循环管道;③增加了泵的台数,当有一台或两台泵不工作时,电厂的电力输出也不会下降很多。目前三代压水堆核电站的两个主要代表堆型:AP1000与EPR中,AP1000采用紧凑型布置的屏蔽泵作为主泵,湿定子泵做为备选方案;EPR则仍然使用轴封泵。我国大型压水堆核电站的发展规划是在引进、消化、吸收AP1000技术基础上,通过技术改进增大机组容量,最终达到具备设计、建造1700MWe级先进压水堆的能力。对主泵的选型来说,就要求该泵布置紧凑、容量增加较为容易且有足够的惰转时间。下面将从这三方面进行评价。屏蔽泵和湿定子泵结构均很紧凑,体积相对较小,均能够在蒸汽发生器下部悬挂布置,而轴封泵的特点决定了它仅能采用传统二代压水堆或EPR堆型布置方式。AP1000屏蔽式主泵的屏蔽套处在高磁通密度区,所以其中的涡流损失很大,而且电机造得越大,涡流损失增加的速度就越大于功率增长的速度。同时,由于屏蔽泵制造技术的限制使得大容量的屏蔽泵制造非常困难。这两个制约因素就限制了主泵的增容。湿定子泵和轴封泵的增容均比较容易。同样容量的这3种类型主泵按照能够实现惰转时间