百萬千瓦級壓水堆核電站汽動輔助給水泵研究

馬利江 潘虹宇 馮照和 白榮騰 劉劍

摘要：為響應(yīng)國家大力推進核電站國產(chǎn)化建設(shè)的要求，打破國內(nèi)核電站核二、三級泵之汽動輔助給水泵長期以來依靠進口的局面，杭州汽輪機股份有限公司聯(lián)合其他相關(guān)單位于2008年3月至2010年6月13日進行了汽動輔助給水泵的聯(lián)合研制，并已通過國家級鑒定?，F(xiàn)對汽動輔助給水泵技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)原理、控制系統(tǒng)進行了詳細介紹，綜合設(shè)備各部分結(jié)構(gòu)得出以下結(jié)論：該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡捷，調(diào)速系統(tǒng)安全可靠，調(diào)節(jié)性能迅速、穩(wěn)定，整體性能達到國際同類產(chǎn)品先進水平。

關(guān)鍵詞：核電站國產(chǎn)化;國外壟斷;汽動輔助給水泵;聯(lián)合研制

0 引言

百萬千瓦級壓水堆核電站汽動輔助給水泵，屬核二級重大技術(shù)裝備。在核島設(shè)備中，核二、三級泵已基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，唯獨汽動輔助給水泵仍長期依賴進口。

就目前的核電技術(shù)來說，核電站系統(tǒng)是通過3個回路完成的：一回路是反應(yīng)堆冷卻劑的循環(huán)流程;二回路是在蒸汽發(fā)生器中，由冷卻劑從反應(yīng)堆中帶走的熱量與回路中的水發(fā)生熱交換，產(chǎn)生蒸汽并驅(qū)動汽輪機發(fā)電的過程;三回路則是做功后的乏蒸汽在冷凝器中被海水或湖水（三回路水）冷凝為水的過程。

而輔助給水泵處于二回路中，是在正常給水系統(tǒng)喪失功能或不具備投運條件的情況下，向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)提供緊急替代水源，使一回路保持一個冷源，以排出反應(yīng)堆的釋熱。

1 技術(shù)參數(shù)

汽動輔助給水泵的RCC-P安全等級為核三級，RCC-M規(guī)范等級為二級，質(zhì)保等級為Q1，清潔等級為B級，因此樣機的設(shè)計、采購、制造、檢驗、試驗等執(zhí)行標準為RCC-M[1]（2000版及2002年補遺）和RCC-E[2]（1993版）。該輔助給水泵的具體參數(shù)如表1所示。

2 結(jié)構(gòu)簡介

汽動輔助給水泵結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，泵為臥式兩級離心泵，由汽輪機驅(qū)動。泵進口為水平軸向布置，出口垂直向上布置;汽輪機與泵的殼體整體鑄造，左側(cè)端為汽輪機部分，右側(cè)為水泵，中間為中央水室;汽輪機的單級葉輪與泵的兩級葉輪、誘導(dǎo)輪安裝在同一根轉(zhuǎn)子上。

整個轉(zhuǎn)子的重量級運行時產(chǎn)生的徑向力由兩只安裝在中央水室中的水潤滑軸承承受，潤滑水由第一級葉輪引出經(jīng)過減壓裝置和濾水器后進入中央水室。中央水室中部位配有轉(zhuǎn)速測量裝置、機械飛錘、危急遮斷器掛扣組件、中央水室穩(wěn)壓閥等。

泵組在運行時產(chǎn)生的軸向推力由平衡盤、平衡板及推力環(huán)來承受，摩擦面之間的介質(zhì)為泵組出口壓力水，平衡腔室和水泵段的軸承回水由一根回水管連接到泵組進口。整個機組由中央水室底部、泵端兩側(cè)搭子和公共底盤相連，公共底盤再與基礎(chǔ)相連。汽泵殼體在汽輪機端處于懸空以允許熱膨脹[3-4]。

3 汽輪機部分調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)簡介

3.1 ? ?汽開式主汽門

主汽門的結(jié)構(gòu)詳圖如圖2所示。

從圖2可以看出，主汽門導(dǎo)桿內(nèi)有一細孔，并與節(jié)流螺釘相通，這樣使得從進口法蘭過來的主蒸汽有一小部分會進入活塞右端并形成壓力腔。假設(shè)主蒸汽壓力為P，活塞右端腔室壓力為P′。當蒸汽剛進入活塞右端腔室且PSB>PSA+P′SC時，主汽門將處于關(guān)閉狀態(tài)。由此可知，在設(shè)計導(dǎo)桿與活塞時，要確保A、B處的受力面積。同時，當蒸汽持續(xù)不斷地進入到活塞右端時，右側(cè)壓力腔的壓力提高，當PSB≤PSA+P′SC時，主汽門打開[5]。此種主汽門具有如下特點：

（1）整個主汽門的開啟以機組主蒸汽作為動力源，不需要額外的油通道部分，結(jié)構(gòu)簡單;

（2）汽開式主汽門開啟時間較短，并在主蒸汽參數(shù)一定的情況下，可以通過調(diào)節(jié)閥桿上的節(jié)流通徑來調(diào)節(jié)開啟的時間;

（3）當排放活塞右端腔室的蒸汽時，即可實現(xiàn)主汽門的快速關(guān)閉;

（4）主汽門的左端有一手輪，可以通過其實現(xiàn)主汽門的強行關(guān)閉。

3.2 ? ?超速跳閘系統(tǒng)

機組具有兩種不同類型的超速跳閘系統(tǒng)：電子跳閘、機械跳閘。該輔助給水泵的額定轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，電子跳閘值為額定轉(zhuǎn)速的110%，當轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的115%時發(fā)生機械跳閘。電跳和機跳的最終目的都是釋放主汽門活塞右端腔體內(nèi)的壓力蒸汽。

圖3給出了超速跳閘系統(tǒng)示意圖，從圖中可以看出電子跳閘的原理：中央水室中的兩個速度傳感器把接收到的轉(zhuǎn)速信號傳遞給Woodward 505，當達到電子跳閘轉(zhuǎn)速時，Woodward 505發(fā)出觸電信號接通停機電磁閥，電磁閥閥頭動作接通主汽門右端腔體和排汽管，從而釋放主汽門活塞右端腔室內(nèi)的壓力蒸汽。

從圖3中也可以看出機械跳閘的原理：安裝在轉(zhuǎn)子上的機械飛錘在達到機械跳閘轉(zhuǎn)速時，因為離心力的作用動作擊出，并通過掛扣裝置使得錐形閥動作，從而接通主汽門右端腔體和排汽管。

電子跳閘系統(tǒng)和機械跳閘系統(tǒng)都可以實現(xiàn)就地和遠端的復(fù)位功能。值得一提的是，該機組的機械飛錘目前屬于國內(nèi)首套設(shè)計，因為其工作環(huán)境處于0.5 MPa（g）的壓力水中，所以為非常規(guī)設(shè)計。

3.3 ? ?調(diào)速控制系統(tǒng)

與國外該類型給水泵相比，本文所述汽動輔助給水泵具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的功能。當泵的給水量超過了蒸汽發(fā)生器的要求時，國外機組通過停機來實現(xiàn)流量的穩(wěn)定，這種做法會給機組本身帶來傷害，同時造成泵流量的不連續(xù)性。而本文所述機組在核電站發(fā)生緊急狀況時，不僅可以實現(xiàn)快速啟動至額定轉(zhuǎn)速，給蒸汽發(fā)生器提供足夠的冷卻水，而且可以接收主控室的遠程操作指令來控制泵轉(zhuǎn)速，使泵的給水流量滿足蒸汽發(fā)生器的要求，將蒸汽發(fā)生器的水位維持在符合要求的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)速的可調(diào)節(jié)性使本機控制靈活、迅速、可靠。

調(diào)速控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速傳感器、Woodward 505、電氣轉(zhuǎn)換器、氣動執(zhí)行機構(gòu)與調(diào)節(jié)汽閥構(gòu)成。轉(zhuǎn)速控制原理圖如圖4所示。

Woodward 505接收轉(zhuǎn)速傳感器檢測的給水泵轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定值比較，當兩者不一致時，Woodward 505調(diào)速器輸出一個4～20 mA的電流信號，電氣轉(zhuǎn)換器將該電流信號轉(zhuǎn)換成20～100 kPa的氣動信號，該氣動信號驅(qū)動氣動執(zhí)行機構(gòu)來控制調(diào)節(jié)汽閥的開度，從而控制主蒸汽流量，使給水泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速。

4 汽動輔助給水泵機組特點

結(jié)合前幾節(jié)的介紹，可知該機組具有以下特點：

（1）該輔助給水泵結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，泵與汽輪機安裝在同一根軸上，與泵和汽輪機分體的泵組相比更具有優(yōu)勢;

（2）機組具有速度控制調(diào)節(jié)功能，轉(zhuǎn)速控制達到設(shè)定值的±1%以內(nèi)，相比于國外同類型機組性能更加可靠，特別是在超速保護試驗時不需要通過汽蝕方式達到;

（3）不需要外部潤滑、額外的冷卻水、機械密封、驅(qū)動聯(lián)軸器，便于安裝;

（4）可以快速響應(yīng)并快速啟動;

（5）可以在蒸汽壓力比較寬的范圍內(nèi)運行;

（6）電子跳閘與機械跳閘雙重保護。

5 結(jié)語

在樣機的試制過程中，主要零部件都是嚴格按照《輔助給水汽動泵質(zhì)量控制規(guī)程》《輔助給水汽動泵質(zhì)量計劃》、圖紙及工藝文件的要求進行，即整個樣機的試制都是在完全受控的狀態(tài)下進行的，它的一次性裝配調(diào)試成功，說明了杭州汽輪機股份有限公司完全具備設(shè)計、制造這種泵的全面質(zhì)控能力。

本次汽動輔助給水泵樣機的研制是成功的，各種性能均達到了《輔助給水汽動泵研制技術(shù)任務(wù)書》的基本要求，機組結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡捷，調(diào)速系統(tǒng)先進可靠、操作實用方便、安全性能高，性能調(diào)節(jié)更加迅速、穩(wěn)定、準確，整體性能達到了國際同類產(chǎn)品先進水平。

[參考文獻]

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[3] 邱宣懷.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，1997.

[4] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[5] 景思睿，張鳴遠.流體力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

收稿日期：2021-04-01

作者簡介：馬利江（1980—），男，浙江嵊州人，高級工程師，研究方向：汽輪機設(shè)計。