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3 主泵的設計準則——核安全技術共識 (接上期)人們清楚地認識到，核電站的核泄漏事故引發的災難是不受國界的限制的。關于核電技術，尤其是核安全相關的技術交流以、技術合作和技術轉讓，在正常國家之間是不存在障礙的。核安全理念上的共識，成就了核安全技術上的共識。基于人們在軸封式主泵上多年研發和運行的實踐，在反應堆主泵的設計和制造技術上達成了一些共識，而作為主泵設計的準則。本文只對壓水堆主泵有關的問題進行闡述和討論。 3．1 主泵功能的定位 反應堆冷卻劑主循環泵是核電站最重要的設備之一，是NSSS中唯一的旋轉設備。從容量的含義上看，它不過是一個輔助設備，但事實上，的確可以把它看成是核電站的心臟。 水冷卻反應堆的可靠運行，在于它產生的熱量由流經堆芯的冷卻劑的強制循環傳輸出去，這是主泵的功能，因此，主泵在下列條件下，輸送大量的冷卻水： ——高的系統壓力； ——高的介質溫度； ——盡可能少的軸密封泄漏； ——高的可利用率和易于維護。 3．2 水力設計 壓水堆系統的起動壓力高，約為15～20 bar，正常運行時為150 bar。從安全設計出發，泵的水容積應盡可能小一些，泵效率盡可能高一些。 泵可以選擇高的工作轉速n和比轉速ns ，對于同步轉速n=1200rpm(60HZ)和n=1500rpm(50HZ)，泵的比轉速ns 大都在n=400～500的混流泵范圍。 重水加壓水堆（HWPWR）的主泵，由于水容積的限制，必須采用蝸殼型的泵體，輕水加壓水堆（LWPWR）大都采用軸對稱的桶型或者準球型泵殼，從瞬變工況減少熱應力的觀點出發，后一種泵殼構型會更好一些。 相同比轉速ns的葉輪，軸面通道的形狀是徑向流型，還是混流型，會影響到徑向力的大小；設計理論和設計方法的不同也會導致泵的四象限全特性曲線中，等揚程曲線H=O射線的位置，會在不同的象限。 泵體承壓邊界靜密封的可靠性，要求泵體上與泵蓋匹配的開口直徑盡可能減小，開口直徑的大小與葉輪，導葉體的水力尺寸與構型是密切相關的。 3.3 軸承與潤滑冷卻系統 重負荷參數[PV]>12,000Nm/s.cm2 的雙向推力軸承，布置在電機頂部或者泵上部，都需要有高壓油頂升裝置，后一種設計還帶來了提高冷卻能力的油冷器一體化的課題。與推力軸封一體化的導軸承與軸密封的距離，關系到密封處的軸振水平和軸密封的穩定運行。考慮到抑制軸承中的油膜振蕩和機組對中時的調整，有中心支承可傾瓦的導軸承是最佳的選擇。 泵內水潤滑導軸承有流體動壓型和流體靜壓型。葉輪的出口揚程是靜壓型的壓力源，它無潤滑水的限制，設計的徑向負荷必須準確，這是軸承穩定運行的前提，主泵起動時和停機時，軸承的承載能力應加以關注。以浸漬金屬的石墨為軸瓦材料的動壓軸承，潤滑水溫通常要求低于80℃，事故工況下最高可達107℃。在冷卻潤滑水足夠的場合，軸承可承受較高的比壓。在確定水潤滑導軸承尺寸時，在三軸承的靜不定軸系中與在四軸承的靜定軸系中，軸承的徑向間隙和比壓的差異也是應考慮的因素。事實上，在泵軸系的細節設計時，除了軸承以外，徑向間隙處流體的動壓或者靜壓效應，以及保證軸承潤滑油或水循環的，內置螺旋泵葉輪、迷宮泵葉輪或鏡板泵葉輪與系統與冷卻器的匹配應十分仔細的考量和處理。 3.4 軸密封與系統 軸密封是主泵的承壓邊界上，轉動件與靜止件間的界面部件，在保證承壓邊界的完整性上是關鍵部件。根據軸密封的工作參數，采用動、靜摩擦的表面不接觸的可控泄漏密封是可靠的選擇。由密封面間液膜形成方法而區分的流體靜壓密封和流體動壓密封都是PWR主泵可以采用的成熟技術。核電站成功的運行經驗表明，PWR主泵選用下列密封組合是恰當的： ——三道流體動壓密封，這是歐式風格主泵軸密封的典型設計； ——一道流體靜壓和一道流體動壓密封，這是美式風格主泵軸密封的典型設計。 每道單獨的密封，必須能承受系統的全壓力可靠的運行，這是關于軸密封技術共識的重要論點。主泵采用三道流體動壓密封的另一個原因是，在NSSS的管泵作PT=235bar的水壓試驗時，無須拆卸軸密封，因為每級密封的壓降約為50bar，但每級都按全壓力來設計。 確切地說，西屋公司開發的美式風格的主泵軸密封是由二道靜壓密封組成。當第一道靜壓密封失效后，第二道密封在全系統壓力下，通過密封環與環座變形的控制，端面機械密封變化成了斜面型密封面的靜壓密封。這是一款很有創意的密封設計，法國人沿襲至今，不作改變。 在軸密封與水導軸承下方，布置檢修用的靜密封，這是主泵易于維修的安全要求所必須的設計。在軸密封通大氣側布置蒸汽密封，停泵安全密封，是不同系統的技術規范要求的安全性設計。 歐式風格和美式風格主泵軸密封的設計定型，應該說是根據成熟的高端技術的傳統和習慣，進行優選的結果。KSB AG在奧布里海姆的RER700型主泵上，曾選用了二道流體靜壓密封（臺階密封面型）和一道流體動壓安全密封，運行了58，000小時而無需維修。（圖3）西屋公司在分叉河核電站（Forked River）1120MW核電機組的70型主泵上，也曾選用了三道流體動壓密封和一道低壓蒸汽密封，主泵安全運行了44，200小時后檢修。上述兩家公司成功的實例并沒有改變軸密封最終的設計定型。誠然，實際運行的成功經驗十分重要，但是自主化技術特長和傳統的充分發揮，對高端技術的持續發展更為重要。 圖3 奧布里海姐核電站主泵的KSB密封部件。 ![]()
就設計理論而言，可控泄漏密封是借助了推力軸承的原理來形成密封面間的液膜的。可以認為：流體動壓密封是米契爾（Michell）或者金斯伯里（Kingsbury）可傾瓦塊式動壓軸承與機械密封的聯合；流體靜壓密封則是固定油楔面的油囊式（Oil Pocket）靜壓軸承與機械密封的聯合。密封面間微小的軸向間隙被磨損后，會影響泄漏的穩定。軸密封注入水必須通過流通粒徑≤5 μm 的過濾器，才能進入密封腔，這是兩種軸密封的共同的基本要求。 除了高的可靠性以外，軸密封還必須滿足： —— 起動壓力低； —— 監測、檢查方便； —— 更換安全、迅速，人員受幅照量低。 基于模塊化設計的理念，1960年代KSB AG 在對主泵軸密封系統性試驗研究的基礎上，對系統壓力Ps = 150 bar, 軸徑Dw = 200 mm，轉速 n =1470 rpm，和滑動速度V =20 m/s的典型設計的PWR主泵軸密封得到了表2中的技術數據。 表2 Dw =200 mm 主泵軸密封性能數據 表中：Z——相互串聯的密封級數； QL —— 密封的泄漏量； NR ——Z級密封的機械摩擦功率； NE ——在系統壓力下，補入液體（= QL）而消耗的功率； N Th ——冷卻QL 液體所需熱功率； QK 冷卻密封系統所需要的冷卻水量。 附注：（1）大約有0.2 m3/h的附加流量流過旁通管（壓力分配器） （2）此數值與徑向間隙的大小有關。 可以說，KSB AG的軸密封試驗研究成果，以及軸密封在奧布里海姆核電站主泵和在諾沃—沃隆奈希(Nowo—Woronesch)型440 MW PWR主泵（三道流體動壓密封加一道安全密封）上十分成功的運行實績和經驗，為形成軸密封設計的技術共識奠定了可信賴的基礎。 3．5 模塊化設計 在壓水堆NSSS中，單環路功率N=300～350MW 的設計，已成為第二代PWR核電機組中的標準系統。一個反應堆壓力容器，最多可布置4個環路，模塊化設計的主泵便應運而生。 軸密封是與主泵安全性緊密相聯的關鍵部件，理所當然的作為核心的固定載荷模塊。KSB 推薦了BW 200mm軸徑的軸密封用于RER型系列的主泵，日蒙公司在引進的西屋公司技術的基礎上，完善了38英寸（軸徑d0=200mm）軸密封，用于93型，93A型，93A1型、100D型和N24等5種主泵。流量范圍Q=20，100～24，850m3/h，揚程范圍H=80～106m，配套電機功率Nm=4800～7100MW，適用于3環路和4環路的機組功率為900～1500MW的PWR機組。 泵機組的高參數推動的軸承是另一個重要部件。系統的內壓力在泵轉子上形成的軸向推力負荷，只取決于軸密封中的一個有效直徑，因而有高壓油頂升裝置的推力軸承及油冷卻循環系統，也順理成章地成為固定載荷模塊。不同功率電機的轉子與飛輪重量的變化，只影響到推力軸瓦上的比壓，在設計范圍內幅度不大的改變。 上述的5種規格的主泵中，有桶型和準球型兩種低碳Cr—Ni不銹鋼材質的鑄造泵殼供選配。MHI在主泵的國產化中也試用過SA508 CL.3 低合金鋼，整體鍛造的泵殼（圖4），內部過流表面堆焊低碳不銹鋼。KSB AG 也只優選了一種形式的整體鍛造泵殼。這樣，由葉輪和導向器組成的力水部件就成了主泵的主要的可變有效載荷模塊。 圖4 SA 508 CL.3 整體鍛造的泵體 ![]()
PWR核電機組中，主泵的配置是相對固定的，也可以說是“模塊化”的配套。法馬通核能公司只選擇100D型主泵用于法國國內的1000～1300MW核電機組，自主開發的N24型主泵只用于法國風格的N4 1500MW 四環路設計和所謂的法國第三代核電技術的EPR 1600設計。MHI只選用93A1型主泵用于60HZ系統，100D型主泵用于50HZ系統。100A型主泵是100D型的改進設計，用于MHI自主開發的APWR1500型四環路核電機組。 3．6 全負荷試驗臺架 在核安全理念的共識下，為考核主泵的性能與可靠性，主泵在出廠前必須進行模擬實際運行工況的熱態全負荷試驗，首批產品的第一臺主泵還需在全負荷工況下，運行足夠長的時間。不具備全負荷試驗裝置時，若用戶同意，在完成關鍵部件，比如軸密封的單獨考核試驗的前提下，可以在泵上安裝小流量的葉輪，在模擬運行壓力和溫度的小管徑試驗回路上，檢測除水力參數外的泵的性能。但是泵的水力性能必須有足夠精度等級的水力模型試驗用來見證和驗收。 自1960年代軸封式主泵問世以來，世界范圍先后建造了不少全負荷主泵熱態試驗臺架。試驗臺管道的材質，也由碳鋼或低合金鋼發展為Cr—Ni不銹鋼或低合金鋼內表面堆焊不銹鋼。據不完全的統計，試驗臺架分布于以下的廠商。 （1） NSSS設計與設備總包商 ——美國西屋公司EMD ——法國電力公司（EDF），簡納維里爾（Genevilliers）分部 ——日本三菱重工（MHI），高砂制作所 ——芬蘭 Oy Finnatom AB (2)泵制造廠商 ——美國，拜侖—杰克遜公司（BJ） ——美國，賓漢—威里梅特公司（BW） ——德國，KSB AG ——瑞士，蘇爾壽公司（Sulzer） ——比利時，ACEC ——英國，海沃特—泰勒公司（HT） ——英國，偉爾泵公司（WPL） 綜合分析相關的資料，可以得知在核安全的共識下，不同年代建造的主泵試驗臺架的技術特點： （1） PWR主泵的全負荷試驗臺架最早是美國BJ公司于1960年代初期建造的，最遲建造的是，英國中央發電局（CEGB）投資，建造在偉爾泵公司的阿洛瓦（Alloa）工廠，于1991年運行的主泵試驗臺架。首臺被測試的產品是日蒙公司生產的100D型主泵。由于決策的原因，適用于安全發電的PWR進入英國電力工業推遲了30年。 （2） 軸封式主泵發展的初期，在美國，泵制造商生產的主泵占主導地位，他們都建造了不止一座主泵試驗臺架，來滿足主泵出廠前驗收試驗的需求。 —BW公司建有兩座28英寸（DN700）的全負荷試驗臺架，共用一套溫度、壓力控制與測試系統。 美國BJ公司在1970年代已擁有了世界上僅有的7座全負荷試驗臺中的4座，其中的3座集中安裝在洛杉基工廠的一個面積為2320m2 ，高30m，吊車能力為100噸的專用測試廠房內。一座試驗臺架的管徑為25英寸（DN650）QD =6.3 m3/s；另兩座臺架相同，管徑為42英寸（DN1000），QD=12.6 m3/s。管道由低合金碳素鋼鑄焊而成。 （3） NSSS設備總包商建造的主泵試驗臺架，大都是在垂直平面內的單環路臺架，管路材質為不銹鋼。圖5中表示的MHI的主泵試驗臺架是典型的實例。用一個同口徑的閥門來調節流量，測試流量的幅度，往往限制在設計流量的80～120%的較小的范圍內。 圖5 MHI 試驗臺架主回路結構圖 ![]()
(4) 實用性強的簡化設計是B-W公司的試驗臺架，基本的設計理念是，在相鄰的兩條平行地坑中，安裝兩條單環路試驗管道，聯接流量調節閥前后的支管被設計為一臺蒸發器的一次側管系。改變通大氣的二次側殼體的水位來控制冷卻水的蒸發量，從而控制主管道的水溫與壓力。兩座試驗臺架共用一套溫控設備，一座專用排放水蒸汽的煙囪是必不可少的。從發展初期的主泵運行試驗的要求來看，這是一款滿足要求、操作簡單和經濟節能的設計。 （5） 復雜的設計是在CEGB投資建造仕偉爾公司的主泵試驗臺架（圖6）。它是一個模仿電站中實際狀況的空間管系的設計，主泵安裝在活動支撐架上，橫向與阻尼器相聯，流量調節閥附近是整個測試管路的錨定的固定點。試驗臺架的功能擴展了，流量測定范圍還是受到單一的同口徑閥門的限制。 （6）專業技術性強，測試流量范圍最大的試驗臺架，是KSB AG 建造在法蘭肯塔爾（Frankenthal）的主泵試驗臺架（圖7）。臺架的管徑DN1000，設計壓力PD=180bar，設計溫度TD=350℃。兩條平行的主管道的遠端，有9 根橫向、平行的帶有蝶閥的小口徑管道相連接，可在大范圍內調節流量。流量的微調是用安裝在兩要更小管徑的平行管路上的節流閥來實現的。管路的材質是低合金鋼，內表面與介質接觸面堆焊低碳不銹鋼。試驗臺架不僅在很大的流量范圍內，平穩而準確地測試泵的性能，而且避免了大口徑流量調節閥的技術難點和高的采購成本。 4 兩種技術風格設計的差異點 在保證核安全的技術共識的前提下，美式風格和歐式風格的兩種主泵，在滿足PWR核電站的安全要求和可靠運行方面難分伯仲；在設計上，各自擁有自主的Know-How和專利技術；在結構的細節設計上，風格各異、各具特色。兩種技術風格的主要特點的比較列在表3中。 表3 兩種技術風格主泵特點的比較 比較內容 | | | | | | | 電機與泵由剛性聯軸器聯接，主推力軸承布置在電機頂部，軸系中有三個徑向軸承 | 電機與泵由撓性聯軸器聯接，主推力軸承布置在泵上端部，軸系中有四個徑向軸承 | | | | | 3道密封，No.1密封為靜壓密封，No.2密封為動壓密封，No.3為安全密封，每道密封可承受系統全壓力。 | 3道流體動壓密封，每道密封可承受系統全壓力。級間有級壓力分配器。 | | 雙向可傾瓦式設計、有高壓油頂升裝置，浸油式潤滑。有外置管殼式冷油器，在鐃板泵作用下保持油循環。 | 雙向可傾瓦設計，有高壓油頂升裝置，浸油式潤滑，一體化內置冷油器，有鐃板泵與輔助葉輪保持油循環。設有安全排油箱 | | 內置式一體化設計，是熱屏組件的一部分，起隔熱作用。注入水中斷時，保證進入軸密封的水的溫度在允許的范圍之內。 | 外置式管殼型設計，由泵軸上的迷宮泵葉輪驅動在泵內循環。注入水中斷時，保證進入軸密封的水溫在允許的范圍之內。 |
值得指出的是，模塊化設計主泵中的可變有效載荷模塊，即泵的水力部件的性能與效率指標方面，與NSSS設備總包商的分部比較起來，專業的泵制造商充分表現出了在產品研發中的專業能力與技術底蘊。作為一個例子，表4列出了幾種主泵性能的對比。 表4 主泵性能數據比較 說明：1）效率值是不包括電機的泵部分效率 2）KSB的效率包含主推力軸承耗功，括號內為機組效率。 ) e7 L3 Q7 {+ p/ j& q3 z; s/ _( r
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發表于 2015-10-26 19:58:41
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