核主泵技術(shù)經(jīng)歷發(fā)展

七件夏天衫～

PWR冷卻劑主循環(huán)泵的技術(shù)經(jīng)歷和和發(fā)展

作者：黃經(jīng)國 上海凱士比泵有限公司

摘要：回顧了PWR核電廠冷卻劑主循環(huán)泵（主泵）從屏蔽電泵到軸封式泵的技術(shù)經(jīng)歷與發(fā)展，從核安全要求達(dá)成的技術(shù)共識，以及自主化技術(shù)背景下主泵的技術(shù)風(fēng)格與流派。介紹了主泵技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，以及采用非能動安全系統(tǒng)、優(yōu)化及簡化的NSSS中，第三代PWR主泵有關(guān)的問題。 2 l! E1 [0 t" O2 n; a關(guān)鍵詞：壓水堆 冷卻劑主循環(huán)泵（主泵） 技術(shù)經(jīng)歷 技術(shù)風(fēng)格與流派 技術(shù)共識 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 改進(jìn)與創(chuàng)新 非能動安全系統(tǒng)  內(nèi)置泵  堆內(nèi)泵 1前言         壓水堆（PWR）核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS）中，反應(yīng)堆冷卻劑主循環(huán)泵（下稱主泵）是唯一的轉(zhuǎn)動設(shè)備，它的可靠性直接影響到反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。按ASME核設(shè)備的安全等級分類標(biāo)準(zhǔn)，主泵是屬于核安全一級。 7 B1 u& F! M1 C$ R7 e4 z4 W        主泵在軍事和商用上問世之初，即受到廣泛關(guān)注，技術(shù)性能與可靠性進(jìn)步很快。進(jìn)入軸封式泵的時代，主泵的商用化要求泵的設(shè)計(jì)必須采用最成功的經(jīng)驗(yàn)。在美國甚至成立了一個公用事業(yè)顧問委員會，幫助評論和改進(jìn)軸封式泵的早期設(shè)計(jì)。有實(shí)力的知名泵制造廠商，致力于自主研發(fā)主泵，進(jìn)入核電市場。資源匱乏而急于發(fā)展核電的國家，則全面引進(jìn)核電技術(shù)，其中也包括主泵的技術(shù)。國際上主泵發(fā)展的經(jīng)歷表明，自主開發(fā)和技術(shù)引進(jìn)兩種模式都獲得了成功。在政府推動下，核電技術(shù)自主化進(jìn)程進(jìn)展迅速。不同技術(shù)背景的自主化，形成了不同技術(shù)風(fēng)格的主泵，并且長期并存。         本文回顧了主泵技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷，主泵技術(shù)上的共性及不同的技術(shù)風(fēng)格與特點(diǎn)，技術(shù)上的改進(jìn)與創(chuàng)新，對第三代核電技術(shù)的主泵的有關(guān)問題作了初步探討，相信對于發(fā)展我國自主的主泵技術(shù)的思路上會有所啟迪。 2 主泵的技術(shù)經(jīng)歷和技術(shù)流派         起源于軍用反應(yīng)堆的屏蔽電機(jī)主泵，在商用試驗(yàn)堆上被優(yōu)先選用，軸封式主泵則被研發(fā)，試用并定型于300MW級的商用堆。盡管主泵在發(fā)展的初期，或多或少有些知識產(chǎn)權(quán)上的局限，但是美國和歐洲都經(jīng)歷了相類的發(fā)展階段。1955—1965年是屏蔽式電機(jī)泵向軸封式泵發(fā)展的重要階段，核電機(jī)組容量為200-300MW等級，大都是屬于試驗(yàn)性的商用堆。1965—1970年為商用堆發(fā)展的過渡階段，機(jī)組容量為400-650MW，軸封式主泵在此期間得到了充分的發(fā)展與完善。主泵技術(shù)的成熟期是在1970—1980年，NSSS有了3個環(huán)路的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，單環(huán)路功率為300-350MW，機(jī)組功率為900-1000MW。主泵功率由4000kW提高到6500kW。1980年以后，開發(fā)了4環(huán)路NSSS的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，機(jī)組功率達(dá)到了1300-1500MW。 + ^3 R: [; h) }: v2 [4 K" t! v        美國是領(lǐng)先發(fā)展核電的國家，世界上430多座核電站中，大約有四分之一建在美國。通用電氣公司（General Electric Corp., GE）和西屋電氣公司（Westinghouse Electric Corp., WH）分別致力于沸水堆（BWR）和壓水堆（PWR）核電技術(shù)的開發(fā)。關(guān)于主泵這一重要的設(shè)備，兩家集團(tuán)公司有不同的經(jīng)營政策，通用公司是從著名的泵制造廠商采購，西屋公司安排下屬的以生產(chǎn)電機(jī)為主業(yè)的電氣機(jī)械分部（Electro-Mechanical Division, EMD）研發(fā)主泵，為西屋設(shè)計(jì)NSSS的配套。在歐洲，核電的發(fā)展基本上與美國同時起步，ABB，KWU等核島設(shè)備總包商，在主泵上選擇了與GE相同的政策，向泵、閥的專業(yè)制造廠商采購。不同的產(chǎn)品主業(yè)和專業(yè)技術(shù)，不同的制造工藝和生產(chǎn)設(shè)備，不同的技術(shù)底蘊(yùn)和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，在開發(fā)有相同的核安全一級的技術(shù)質(zhì)量要求的PWR主泵任務(wù)中，體現(xiàn)了各自的技術(shù)風(fēng)格，形成了不同的技術(shù)流派。 2．1 三軸承軸系的美式風(fēng)格主泵         為西平港（Shipping Port）商用試驗(yàn)堆提供了屏蔽電抗式氣軸封泵后，西屋公司開發(fā)了用于單環(huán)路功率為150-170MW NSSS配套的63型軸封式主泵。該型號泵1963年首先安裝在康涅狄格州（Connecticut）的揚(yáng)基（Yankee）300MW核電機(jī)組，1965年用于南加州（S.California）圣奧諾弗來（San Onofre）核電站的450MW機(jī)組，進(jìn)行了改進(jìn)和完善。軸密封和密封系統(tǒng)中的問題，大部分是在這個電站中解決的。單泵最長運(yùn)行42，000小時，隨后完成了初步設(shè)計(jì)定型。63型泵的運(yùn)行參數(shù)為： 流量 Q=61，900 gpm (14,018 m3/h) 揚(yáng)程 H=240 ft (73 m) 轉(zhuǎn)速 n = 1,180 rpm (60HZ) 5 P/ w0 P1 O" K電機(jī)功率 Nm = 4,000 HP  (2980 KW) 定型的主泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即是所謂的三軸承支承的軸系結(jié)構(gòu)(圖1)： （圖1 三軸承軸系結(jié)構(gòu)主泵） ---------電機(jī)軸與泵軸用剛性聯(lián)軸器直聯(lián)，雙向主推力軸承布置在電機(jī)頂部，與電機(jī)兩個油潤滑導(dǎo)軸承中的上部導(dǎo)軸承組合成一體式結(jié)構(gòu)。在泵部分的第三個導(dǎo)軸承是水潤滑軸承。 --------軸密封系統(tǒng)由三道密封組成：第一道是可控泄漏密封，第二道是特殊設(shè)計(jì)的端面機(jī)械密封，第三道是端面機(jī)械密封，有2 呎（610 mm）液柱的背壓，防止干磨和汽化，形成了西屋特色的軸密封系統(tǒng)的基本形式。 & N+ v$ m; w# N3 p-------泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)剛性，轉(zhuǎn)子動力學(xué)以及電機(jī)與泵之間的軸系對中問題，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和制造、安裝中的關(guān)鍵點(diǎn)。         在以后的十多年的發(fā)展PWR軸封式主泵的鼎盛時期中，以電機(jī)制造為主業(yè)的EMD一直基于這種三軸泵結(jié)構(gòu)，進(jìn)行主泵的研究和完善工作。應(yīng)該說明的是，除了主泵外EMD的核電產(chǎn)品還有反應(yīng)堆的控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)和一回路中的核級閥門上，EMD主泵系列中的型號列于表1。 表1 西屋公司的軸封式主泵 附注： 1） 泵的名義流量（gpm）除以1000得到的數(shù)字表示主泵型號。 2） 泵型號后的英文字母表示電源頻率，A代表60HZ，D代表50HZ，字母后的數(shù)字1表示第一次改進(jìn)設(shè)計(jì)。 9 A5 Q5 S" S; X1 C! d3） 數(shù)字后無字母的泵型號，是西屋公司的國內(nèi)用泵，均為60HZ電源。         作為壓水堆NSSS技術(shù)的領(lǐng)跑者和技術(shù)的轉(zhuǎn)讓方，西屋公司成為外國核電技術(shù)受讓方公司的仿效對象，甚至在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)體系上也加以模仿。         法國法馬通核能公司（Framatorne ANP）下屬的日蒙公司（Jeumont AG）是西屋主泵技術(shù)的受讓方，它是一家傳經(jīng)的電氣旋轉(zhuǎn)機(jī)械制造商，主導(dǎo)產(chǎn)品是電動機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組。 + o2 o! i# m. r        1965年日蒙公司為位于休斯（Chooz）的法國第一座商用核電站250MW機(jī)組提供了4臺屏蔽電機(jī)式主泵和控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)。1960年代下半葉，從93D型號起步得到西屋公司主泵許可證轉(zhuǎn)讓技術(shù)，到1979年底已建造和正在建造的主泵超過了100臺，成為法國唯一一家生產(chǎn)PWR軸封式主泵，反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)和和快中子增殖堆（FBR）的液態(tài)金屬鈉循環(huán)的制造公司。         日本是較早發(fā)展核電的國家之一，走的也是引進(jìn)技術(shù)發(fā)展核電的道路。從美國購買成套核電設(shè)備的同時，引進(jìn)相應(yīng)的技術(shù)，東芝（TOSHIBA）和三菱重工（MHI）分別引進(jìn)了美國GE公司的BWR和西屋公司的PWR核電技術(shù)。1968年關(guān)西電力（株）采購了63型主泵用于美濱一號340MW核電機(jī)組，1970年又采購了兩臺93A型主泵用于美濱二號500MW核電機(jī)組，三菱重工（MHI）則引進(jìn)了93A型主泵技術(shù)。引進(jìn)主泵技術(shù)的受讓方，高砂制作所（TAKASACO Machinery Works， TMW）是MHI的設(shè)計(jì)和制造大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要工廠，其主導(dǎo)產(chǎn)品是核電和火電主汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，水輪機(jī)，風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)，泵及冷凍設(shè)備。從西屋公司引進(jìn)的93型，93A型和100型主泵的國產(chǎn)化和研究改進(jìn)工作都在該工廠實(shí)行。1979年國產(chǎn)化，93A型泵用于九州電力（株）的玄海1號560MW核電機(jī)組。1987年國產(chǎn)化的100D型泵用于北海道電力（株）泊1號580MW核電機(jī)組。         比利時的主泵技術(shù)受讓方ACEC也是一家電機(jī)制造商，從美國聯(lián)合離心泵公司（United Centrifugal Pumps，UCP）引進(jìn)了API 610標(biāo)準(zhǔn)的石化工業(yè)泵系統(tǒng)。并升級轉(zhuǎn)化為用于PWR的核2、3級泵。1970年代引進(jìn)西屋公司主泵技術(shù)后，為400MW等級機(jī)組提供主泵，隨后發(fā)展為本國1000MW級核電機(jī)組提供93D型和100D型主泵。         西屋公司EMD和其它主泵技術(shù)受讓方公司至少為全球一半以上的PWR核電站提供了這種三軸承結(jié)構(gòu)的美式風(fēng)格主泵。應(yīng)該說明的是，同一時期中，美國著名的泵制造公司，比如拜化-杰克遜公司（Byron-Jackson，BJ），賓漢-威里梅特公司（Bingham—willamette limited，BW）研發(fā)的主泵，只能按三軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)柜架生產(chǎn)，才能納入西屋公司主泵供貨商的名單地。他們更多的是向美國沸水堆（BWR）核電站的總包商GE公司提供BWR用的主泵。兩種主泵的驅(qū)動電機(jī)大多數(shù)是選擇GE的產(chǎn)品。         美國另外一家核電站NSSS的總包商，燃燒工程公司（Combustion Engineering，CE）在美國建立了與KSB  AG合資的泵公司CE-KSB，全面引進(jìn)KSB AB的包括主泵在內(nèi)的核泵技術(shù)，為自己的核島系統(tǒng)配套主泵。 2.2 四軸承軸系的歐式風(fēng)格主泵         歐洲有實(shí)力很強(qiáng)的集團(tuán)公司設(shè)計(jì)常規(guī)火電站，并制造成套主要設(shè)備。在核電發(fā)展初期，他們很快地介入了核電市場，比如西門子（Siemens），ABB和KWU，主泵是從著名的泵制造商如KSB AG，Sulzer 等公司采購。主泵與不同集團(tuán)的電機(jī)產(chǎn)品匹配時有不同的技術(shù)接口，泵與電機(jī)采用撓性聯(lián)軸器聯(lián)接，高參數(shù)的雙向作用推力軸承部件布置在泵的上部，是泵能與不同支承剛度和不同轉(zhuǎn)子動力為電動機(jī)匹配的最好的選擇。這樣便形成了四軸承軸系的歐式風(fēng)格主泵(圖2)。在泵上增加一道與主推力軸承一體化的油潤滑導(dǎo)軸承，加上撓性聯(lián)軸器，除了使泵和電機(jī)軸的對中便利以外，機(jī)組的抗震設(shè)計(jì)和波動分析較容易分析和處理。         德國KSB AG 和瑞士Sulzer兩家是采用風(fēng)格相類似技術(shù)，自主研發(fā)主泵的泵、閥制造公司，都起步于軸封式主泵。1966年KSB AG為德國第一臺商用試驗(yàn)堆，KWU的奧布里海姆(Obrigheim)  350MW PWR核電機(jī)組提供了首次研發(fā)的RER 700型主泵，技術(shù)參數(shù)如下： 流量 Q = 14,450 m3/h - u- y9 K* I7 {: [$ e7 V揚(yáng)程 H = 72 m 0 `4 P; s6 X! ?( U轉(zhuǎn)速 n = 1485 rpm # A& V$ _: Z1 {" d6 y+ S3 o: d8 l2 {電機(jī)功率 Nm = 4200KW . i' P/ g3 ?7 a: g. P        Sulzer 起步稍遲一些，1968年 Sulzer Pumps 為荷蘭的波舍爾（Borssele）核電站 450MW的PWR機(jī)組生產(chǎn)了其首次研發(fā)的NPTVr 72-84型主泵。為了配合發(fā)展歐洲自己的，有球型安全殼的EPR設(shè)計(jì)，1971年Sulzer AG 和 KSB AG雙方投資在德國KSB AG總部法蘭肯塔爾（Frankenthal）建立了生產(chǎn)核級泵的合資企業(yè)Sulzer – KSB核電公司（SKK）。1974年Sulzer AG 出讓了SKK的股權(quán)，SKK合并入了KSB AG。此后為Siemens – KWU和西屋公司的PWR核電站 KSB AG 生產(chǎn)了超過100臺的主泵。 # q9 M; y0 ^' L6 S, F; B        泵制造廠商為西屋公司生產(chǎn)三軸承軸系的主泵時，盡管電機(jī)的供應(yīng)商都是名牌電機(jī)廠，比如Siemens、ABB和GE等，在解決電機(jī)與泵對中的問題上，比西屋的EMD有更多的問題需要解決。為此，KSB AG為主泵研發(fā)了具有特殊球頂結(jié)構(gòu)的，端面齒（Hirth型）半剛性聯(lián)軸器，很好地解決了這一問題。這也是GE 與 KSB AG 在美國建立合資企業(yè)的原因之一。 , D+ k* B3 }8 w& {英國政府在壓水堆（PWR）、沸水堆（BWR）和氣冷堆（GCR）之間的徘徊中，選擇了氣冷堆。由于二氧化碳（CO2）作載熱劑上的技術(shù)限制，GCR核電機(jī)組的最大功率只能達(dá)到英國中央發(fā)電局（CEGB）規(guī)定的常規(guī)火電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率660MW。盡管有開發(fā)以氦氣（He）作為載熱劑的高溫氣冷堆（HTGCR）的發(fā)展規(guī)劃，在1980年代末，CEGB還是選擇了壓水堆（PWR）作為1000MW級核電機(jī)組的堆型。         海沃特-泰勒（Hayward—Tyler & Co.,Ltd，HT）是美國最早開發(fā)PWR和BWR主泵的廠商。有趣的是，它的第一個核電主泵合同是出口合同，為意大利的科索（Caorso）核電站安裝的，美國GE公司的840MW的BWR提供可變轉(zhuǎn)速的軸封式主泵，來驅(qū)動堆內(nèi)的噴射循環(huán)泵系統(tǒng)。 % X" x, C6 D  u+ N7 W0 `9 t% G        反應(yīng)堆主泵是包括反應(yīng)堆在內(nèi)的NSSS系統(tǒng)中不可分割的一部分。作為NSSS核設(shè)備制造的總包商，西屋公司選用EMD的主泵，法馬通公司選用日蒙公司的主泵是理所當(dāng)然的。在著名的泵制造廠商逐漸淡出核電主泵市場的趨勢下，KSB AG的主泵卻一直在核設(shè)備市場上占有一席之地。主要的原因在于，這種歐式風(fēng)格主泵在技術(shù)上，在運(yùn)行可靠性上有顯著的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)進(jìn)口的主泵運(yùn)行實(shí)踐表明，KSB的主泵除了有高效率的水力特性外，盡管固有推力軸承原固泵機(jī)組高度比三軸承軸系主泵要高出約0.7m左右，但是在電機(jī)聯(lián)軸器卻估測得的旋轉(zhuǎn)軸的振動值（雙振幅），要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美式風(fēng)格的直聯(lián)泵，這已是一個不爭的事實(shí)。以Cr-Ni 鋼整體鍛造，用CNC機(jī)床加工，得出的閉式的混流泵葉輪來替代傳統(tǒng)的鑄造的主泵葉輪，是KSB AG在主泵上，把專業(yè)技術(shù)發(fā)揮到極致的一個典范。（未完，下期連載）

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3 主泵的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——核安全技術(shù)共識

(接上期)人們清楚地認(rèn)識到，核電站的核泄漏事故引發(fā)的災(zāi)難是不受國界的限制的。關(guān)于核電技術(shù)，尤其是核安全相關(guān)的技術(shù)交流以、技術(shù)合作和技術(shù)轉(zhuǎn)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(shù)上的共識。基于人們在軸封式主泵上多年研發(fā)和運(yùn)行的實(shí)踐，在反應(yīng)堆主泵的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上達(dá)成了一些共識，而作為主泵設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。本文只對壓水堆主泵有關(guān)的問題進(jìn)行闡述和討論。

        3．1 主泵功能的定位

反應(yīng)堆冷卻劑主循環(huán)泵是核電站最重要的設(shè)備之一，是NSSS中唯一的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。從容量的含義上看，它不過是一個輔助設(shè)備，但事實(shí)上，的確可以把它看成是核電站的心臟。

水冷卻反應(yīng)堆的可靠運(yùn)行，在于它產(chǎn)生的熱量由流經(jīng)堆芯的冷卻劑的強(qiáng)制循環(huán)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(tǒng)壓力；

——高的介質(zhì)溫度；

——盡可能少的軸密封泄漏；

——高的可利用率和易于維護(hù)。

       3．2 水力設(shè)計(jì)

壓水堆系統(tǒng)的起動壓力高，約為15～20 bar，正常運(yùn)行時為150 bar。從安全設(shè)計(jì)出發(fā)，泵的水容積應(yīng)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(zhuǎn)速n和比轉(zhuǎn)速ns ，對于同步轉(zhuǎn)速n=1200rpm(60HZ)和n=1500rpm(50HZ)，泵的比轉(zhuǎn)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(zhǔn)球型泵殼，從瞬變工況減少熱應(yīng)力的觀點(diǎn)出發(fā)，后一種泵殼構(gòu)型會更好一些。

相同比轉(zhuǎn)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?。辉O(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法的不同也會導(dǎo)致泵的四象限全特性曲線中，等揚(yáng)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(dǎo)葉體的水力尺寸與構(gòu)型是密切相關(guān)的。

3.3 軸承與潤滑冷卻系統(tǒng)

重負(fù)荷參數(shù)[PV]>12,000Nm/s.cm2 的雙向推力軸承，布置在電機(jī)頂部或者泵上部，都需要有高壓油頂升裝置，后一種設(shè)計(jì)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(dǎo)軸承與軸密封的距離，關(guān)系到密封處的軸振水平和軸密封的穩(wěn)定運(yùn)行?？紤]到抑制軸承中的油膜振蕩和機(jī)組對中時的調(diào)整，有中心支承可傾瓦的導(dǎo)軸承是最佳的選擇。

泵內(nèi)水潤滑導(dǎo)軸承有流體動壓型和流體靜壓型。葉輪的出口揚(yáng)程是靜壓型的壓力源，它無潤滑水的限制，設(shè)計(jì)的徑向負(fù)荷必須準(zhǔn)確，這是軸承穩(wěn)定運(yùn)行的前提，主泵起動時和停機(jī)時，軸承的承載能力應(yīng)加以關(guān)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(dá)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(dǎo)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(yīng)考慮的因素。事實(shí)上，在泵軸系的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時，除了軸承以外，徑向間隙處流體的動壓或者靜壓效應(yīng)，以及保證軸承潤滑油或水循環(huán)的，內(nèi)置螺旋泵葉輪、迷宮泵葉輪或鏡板泵葉輪與系統(tǒng)與冷卻器的匹配應(yīng)十分仔細(xì)的考量和處理。

   3.4 軸密封與系統(tǒng)

軸密封是主泵的承壓邊界上，轉(zhuǎn)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(guān)鍵部件。根據(jù)軸密封的工作參數(shù)，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(qū)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(shù)。核電站成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，PWR主泵選用下列密封組合是恰當(dāng)?shù)模?/font>

    ——三道流體動壓密封，這是歐式風(fēng)格主泵軸密封的典型設(shè)計(jì)；

    ——一道流體靜壓和一道流體動壓密封，這是美式風(fēng)格主泵軸密封的典型設(shè)計(jì)。

每道單獨(dú)的密封，必須能承受系統(tǒng)的全壓力可靠的運(yùn)行，這是關(guān)于軸密封技術(shù)共識的重要論點(diǎn)。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(yàn)時，無須拆卸軸密封，因?yàn)槊考壝芊獾膲航导s為50bar，但每級都按全壓力來設(shè)計(jì)。

確切地說，西屋公司開發(fā)的美式風(fēng)格的主泵軸密封是由二道靜壓密封組成。當(dāng)?shù)谝坏漓o壓密封失效后，第二道密封在全系統(tǒng)壓力下，通過密封環(huán)與環(huán)座變形的控制，端面機(jī)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(chuàng)意的密封設(shè)計(jì)，法國人沿襲至今，不作改變。

在軸密封與水導(dǎo)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(shè)計(jì)。在軸密封通大氣側(cè)布置蒸汽密封，停泵安全密封，是不同系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范要求的安全性設(shè)計(jì)。

歐式風(fēng)格和美式風(fēng)格主泵軸密封的設(shè)計(jì)定型，應(yīng)該說是根據(jù)成熟的高端技術(shù)的傳統(tǒng)和習(xí)慣，進(jìn)行優(yōu)選的結(jié)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(yùn)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(jī)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(yùn)行了44，200小時后檢修。上述兩家公司成功的實(shí)例并沒有改變軸密封最終的設(shè)計(jì)定型。誠然，實(shí)際運(yùn)行的成功經(jīng)驗(yàn)十分重要，但是自主化技術(shù)特長和傳統(tǒng)的充分發(fā)揮，對高端技術(shù)的持續(xù)發(fā)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(shè)計(jì)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?？梢哉J(rèn)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(jī)械密封的聯(lián)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(jī)械密封的聯(lián)合。密封面間微小的軸向間隙被磨損后，會影響泄漏的穩(wěn)定。軸密封注入水必須通過流通粒徑≤5 μm 的過濾器，才能進(jìn)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(jiān)測、檢查方便；

—— 更換安全、迅速，人員受幅照量低。

基于模塊化設(shè)計(jì)的理念，1960年代KSB AG 在對主泵軸密封系統(tǒng)性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)壓力Ps = 150 bar, 軸徑Dw = 200 mm，轉(zhuǎn)速 n =1470 rpm，和滑動速度V =20 m/s的典型設(shè)計(jì)的PWR主泵軸密封得到了表2中的技術(shù)數(shù)據(jù)。

表2  Dw =200 mm 主泵軸密封性能數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)類型	Z	QL  (m3/h)	NR  (KW)	NE  (KW)	N Th  (KW)	QK (m3/h)
流體動壓式機(jī)械密封	2～3	0．001（1）	13.5	～1	8	3～5
流體靜壓式間隙密封	1～2	0．3～1.0	3	1～4	14～46	>QL
浮環(huán)密封	8	10～25 (2)	5～10	460～1000	460～1150	≈QL

表中：Z——相互串聯(lián)的密封級數(shù)；

      QL —— 密封的泄漏量；

      NR ——Z級密封的機(jī)械摩擦功率；

      NE ——在系統(tǒng)壓力下，補(bǔ)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(tǒng)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(shù)值與徑向間隙的大小有關(guān)。

可以說，KSB AG的軸密封試驗(yàn)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(yùn)行實(shí)績和經(jīng)驗(yàn)，為形成軸密封設(shè)計(jì)的技術(shù)共識奠定了可信賴的基礎(chǔ)。

        3．5 模塊化設(shè)計(jì)

       在壓水堆NSSS中，單環(huán)路功率N=300～350MW 的設(shè)計(jì)，已成為第二代PWR核電機(jī)組中的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。一個反應(yīng)堆壓力容器，最多可布置4個環(huán)路，模塊化設(shè)計(jì)的主泵便應(yīng)運(yùn)而生。

軸密封是與主泵安全性緊密相聯(lián)的關(guān)鍵部件，理所當(dāng)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(jìn)的西屋公司技術(shù)的基礎(chǔ)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(yáng)程范圍H=80～106m，配套電機(jī)功率Nm=4800～7100MW，適用于3環(huán)路和4環(huán)路的機(jī)組功率為900～1500MW的PWR機(jī)組。

泵機(jī)組的高參數(shù)推動的軸承是另一個重要部件。系統(tǒng)的內(nèi)壓力在泵轉(zhuǎn)子上形成的軸向推力負(fù)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(huán)系統(tǒng)，也順理成章地成為固定載荷模塊。不同功率電機(jī)的轉(zhuǎn)子與飛輪重量的變化，只影響到推力軸瓦上的比壓，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)幅度不大的改變。

上述的5種規(guī)格的主泵中，有桶型和準(zhǔn)球型兩種低碳Cr—Ni不銹鋼材質(zhì)的鑄造泵殼供選配。MHI在主泵的國產(chǎn)化中也試用過SA508 CL.3 低合金鋼，整體鍛造的泵殼（圖4），內(nèi)部過流表面堆焊低碳不銹鋼。KSB AG 也只優(yōu)選了一種形式的整體鍛造泵殼。這樣，由葉輪和導(dǎo)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(jī)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(nèi)的1000～1300MW核電機(jī)組，自主開發(fā)的N24型主泵只用于法國風(fēng)格的N4 1500MW 四環(huán)路設(shè)計(jì)和所謂的法國第三代核電技術(shù)的EPR 1600設(shè)計(jì)。MHI只選用93A1型主泵用于60HZ系統(tǒng)，100D型主泵用于50HZ系統(tǒng)。100A型主泵是100D型的改進(jìn)設(shè)計(jì)，用于MHI自主開發(fā)的APWR1500型四環(huán)路核電機(jī)組。

3．6 全負(fù)荷試驗(yàn)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(jìn)行模擬實(shí)際運(yùn)行工況的熱態(tài)全負(fù)荷試驗(yàn)，首批產(chǎn)品的第一臺主泵還需在全負(fù)荷工況下，運(yùn)行足夠長的時間。不具備全負(fù)荷試驗(yàn)裝置時，若用戶同意，在完成關(guān)鍵部件，比如軸密封的單獨(dú)考核試驗(yàn)的前提下，可以在泵上安裝小流量的葉輪，在模擬運(yùn)行壓力和溫度的小管徑試驗(yàn)回路上，檢測除水力參數(shù)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(yàn)用來見證和驗(yàn)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(fù)荷主泵熱態(tài)試驗(yàn)臺架。試驗(yàn)臺管道的材質(zhì)，也由碳鋼或低合金鋼發(fā)展為Cr—Ni不銹鋼或低合金鋼內(nèi)表面堆焊不銹鋼。據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)臺架分布于以下的廠商。

（1）    NSSS設(shè)計(jì)與設(shè)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(guān)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(yàn)臺架的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）    PWR主泵的全負(fù)荷試驗(yàn)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(fā)電局（CEGB）投資，建造在偉爾泵公司的阿洛瓦（Alloa）工廠，于1991年運(yùn)行的主泵試驗(yàn)臺架。首臺被測試的產(chǎn)品是日蒙公司生產(chǎn)的100D型主泵。由于決策的原因，適用于安全發(fā)電的PWR進(jìn)入英國電力工業(yè)推遲了30年。

（2）    軸封式主泵發(fā)展的初期，在美國，泵制造商生產(chǎn)的主泵占主導(dǎo)地位，他們都建造了不止一座主泵試驗(yàn)臺架，來滿足主泵出廠前驗(yàn)收試驗(yàn)的需求。

—BW公司建有兩座28英寸（DN700）的全負(fù)荷試驗(yàn)臺架，共用一套溫度、壓力控制與測試系統(tǒng)。

美國BJ公司在1970年代已擁有了世界上僅有的7座全負(fù)荷試驗(yàn)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(nèi)。一座試驗(yàn)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(shè)備總包商建造的主泵試驗(yàn)臺架，大都是在垂直平面內(nèi)的單環(huán)路臺架，管路材質(zhì)為不銹鋼。圖5中表示的MHI的主泵試驗(yàn)臺架是典型的實(shí)例。用一個同口徑的閥門來調(diào)節(jié)流量，測試流量的幅度，往往限制在設(shè)計(jì)流量的80～120%的較小的范圍內(nèi)。

圖5 MHI 試驗(yàn)臺架主回路結(jié)構(gòu)圖

    (4)     實(shí)用性強(qiáng)的簡化設(shè)計(jì)是B-W公司的試驗(yàn)臺架，基本的設(shè)計(jì)理念是，在相鄰的兩條平行地坑中，安裝兩條單環(huán)路試驗(yàn)管道，聯(lián)接流量調(diào)節(jié)閥前后的支管被設(shè)計(jì)為一臺蒸發(fā)器的一次側(cè)管系。改變通大氣的二次側(cè)殼體的水位來控制冷卻水的蒸發(fā)量，從而控制主管道的水溫與壓力。兩座試驗(yàn)臺架共用一套溫控設(shè)備，一座專用排放水蒸汽的煙囪是必不可少的。從發(fā)展初期的主泵運(yùn)行試驗(yàn)的要求來看，這是一款滿足要求、操作簡單和經(jīng)濟(jì)節(jié)能的設(shè)計(jì)。

（5）  復(fù)雜的設(shè)計(jì)是在CEGB投資建造仕偉爾公司的主泵試驗(yàn)臺架（圖6）。它是一個模仿電站中實(shí)際狀況的空間管系的設(shè)計(jì)，主泵安裝在活動支撐架上，橫向與阻尼器相聯(lián)，流量調(diào)節(jié)閥附近是整個測試管路的錨定的固定點(diǎn)。試驗(yàn)臺架的功能擴(kuò)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(yè)技術(shù)性強(qiáng)，測試流量范圍最大的試驗(yàn)臺架，是KSB AG 建造在法蘭肯塔爾（Frankenthal）的主泵試驗(yàn)臺架（圖7）。臺架的管徑DN1000，設(shè)計(jì)壓力PD=180bar，設(shè)計(jì)溫度TD=350℃。兩條平行的主管道的遠(yuǎn)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(nèi)調(diào)節(jié)流量。流量的微調(diào)是用安裝在兩要更小管徑的平行管路上的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)的。管路的材質(zhì)是低合金鋼，內(nèi)表面與介質(zhì)接觸面堆焊低碳不銹鋼。試驗(yàn)臺架不僅在很大的流量范圍內(nèi)，平穩(wěn)而準(zhǔn)確地測試泵的性能，而且避免了大口徑流量調(diào)節(jié)閥的技術(shù)難點(diǎn)和高的采購成本。

4 兩種技術(shù)風(fēng)格設(shè)計(jì)的差異點(diǎn)

在保證核安全的技術(shù)共識的前提下，美式風(fēng)格和歐式風(fēng)格的兩種主泵，在滿足PWR核電站的安全要求和可靠運(yùn)行方面難分伯仲；在設(shè)計(jì)上，各自擁有自主的Know-How和專利技術(shù)；在結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，風(fēng)格各異、各具特色。兩種技術(shù)風(fēng)格的主要特點(diǎn)的比較列在表3中。

表3 兩種技術(shù)風(fēng)格主泵特點(diǎn)的比較

比較內(nèi)容	美國風(fēng)格（WH為代表）	歐洲風(fēng)格（KSB為代表）
產(chǎn)品生產(chǎn)體系	同時生產(chǎn)泵和電動機(jī)，向用戶提供主泵機(jī)組	只生產(chǎn)主泵，電動機(jī)外購配套
泵機(jī)組結(jié)構(gòu)	電機(jī)與泵由剛性聯(lián)軸器聯(lián)接，主推力軸承布置在電機(jī)頂部，軸系中有三個徑向軸承	電機(jī)與泵由撓性聯(lián)軸器聯(lián)接，主推力軸承布置在泵上端部，軸系中有四個徑向軸承
泵殼材料	低碳不銹鋼整體鑄件	低合金鋼整體鍛件，內(nèi)表面堆焊不銹鋼
軸密封系統(tǒng)	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(tǒng)全壓力。	3道流體動壓密封，每道密封可承受系統(tǒng)全壓力。級間有級壓力分配器。
推力軸承部件	雙向可傾瓦式設(shè)計(jì)、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(huán)。	雙向可傾瓦設(shè)計(jì)，有高壓油頂升裝置，浸油式潤滑，一體化內(nèi)置冷油器，有鐃板泵與輔助葉輪保持油循環(huán)。設(shè)有安全排油箱
高壓冷卻器	內(nèi)置式一體化設(shè)計(jì)，是熱屏組件的一部分，起隔熱作用。注入水中斷時，保證進(jìn)入軸密封的水的溫度在允許的范圍之內(nèi)。	外置式管殼型設(shè)計(jì)，由泵軸上的迷宮泵葉輪驅(qū)動在泵內(nèi)循環(huán)。注入水中斷時，保證進(jìn)入軸密封的水溫在允許的范圍之內(nèi)。

值得指出的是，模塊化設(shè)計(jì)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(biāo)方面，與NSSS設(shè)備總包商的分部比較起來，專業(yè)的泵制造商充分表現(xiàn)出了在產(chǎn)品研發(fā)中的專業(yè)能力與技術(shù)底蘊(yùn)。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(shù)據(jù)比較

制造廠商	(美)WH	(日)MHI	（美）BW	（德）KSB
泵型號	100D	100A	28x32x40 RDV	RER 750
流量Q（m3/h）	23,500	25,800	23,520	23,870
揚(yáng)程H (m)	95	88	120	98
轉(zhuǎn)速n (rpm)	1490	1190	1190	1480
效率r (%)	84	>85	87	87(84)

說明：1）效率值是不包括電機(jī)的泵部分效率

      2）KSB的效率包含主推力軸承耗功，括號內(nèi)為機(jī)組效率。

  

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七件夏天衫～

5 引進(jìn)消化后的改進(jìn)與創(chuàng)新

        PWR主泵是具有核安全1級，QC 1級和抗震1級的核級產(chǎn)品，設(shè)計(jì)定型幾十年來，是一種變化最小，改進(jìn)最少的泵類高端技術(shù)產(chǎn)品。1979年美國三哩島（Three Mile Island）核泄漏事故后，西屋公司的核電事業(yè)陷入停頓。西屋核電技術(shù)的受讓方，消化了引進(jìn)技術(shù)后，在PWR主泵上有所改進(jìn)與創(chuàng)新。

        5．1  法國日蒙公司的改進(jìn)與創(chuàng)新

        西屋公司與法馬通公司的核電技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同于1990年初宣告結(jié)束。法馬通在法國政府支持下開發(fā)了具有法蘭西風(fēng)格的命名為N4型的4環(huán)路PWR核電機(jī)組，功率在1500MW。第一臺N4機(jī)組建造在安裝法國首臺250MW商用核電機(jī)組的休斯（Chooz）核電站旁邊，新電站命名為Chooz B。日蒙公司為N4型PWR研發(fā)了N24型主泵，主要技術(shù)參數(shù)如下：

Q=24，850 m3/h

H = 106m

n = 1485 rpm

Nm = 7100Kw

在N24型主泵上，日蒙公司注入了自己的研發(fā)成果來改進(jìn)主泵的設(shè)計(jì)：

—— 改善水力性能，提高效率

△    全新設(shè)計(jì)的葉輪和導(dǎo)葉

△    新設(shè)計(jì)的與導(dǎo)葉通道匹配的泵殼

—— 改善泵轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性

△    改進(jìn)轉(zhuǎn)子的支承方式，水潤滑導(dǎo)軸承從熱屏部件上方移動葉輪口環(huán)處；

△    用流體靜壓軸承取代了流體動壓軸承；

△    泵軸與葉輪間的錐形軸頸加鐃的聯(lián)接改為赫斯（Hirth）型平面端齒聯(lián)接。

N24型主泵至少在4個N4型1500MW機(jī)組中，有16臺泵在運(yùn)行，最早的一臺泵運(yùn)行至今已有10年。阿海法（AREVA）集團(tuán)推出的第三代核電EPR1600設(shè)計(jì)中，仍采用N24型主泵，表明日蒙公司在N24型主泵上的改進(jìn)與創(chuàng)新是成功的。

    5.2 日本三菱重工（MHI）的改進(jìn)與創(chuàng)新

MHI通過續(xù)簽技術(shù)協(xié)議一直保持著與西屋公司EMD的技術(shù)轉(zhuǎn)讓關(guān)系，在1970年代引進(jìn)技術(shù)的同時也啟動了自主的試驗(yàn)研究發(fā)展計(jì)劃。高砂制作所在主泵上的改進(jìn)是分階段逐步實(shí)施的，主要有以下的項(xiàng)目：

——軸密封部件

  △    第一階段用流體動壓密封取代了原設(shè)計(jì)的No.2和No.3密封（圖8）

  △    第二階段改進(jìn)了No.1流體靜壓密封的設(shè)計(jì)，用大斷面的陶瓷替代了小斷面的陶瓷環(huán)（圖9）

  圖8 MHI改進(jìn)的No.2和No.3密封

  圖9 MHI改進(jìn)的No.1密封

  ——水潤滑軸承

  圓筒型的滑動軸承改為有4個窄楔面動壓水槽的新設(shè)計(jì)，消除了泵運(yùn)行中的半速低頻振動（圖  10）

  圖10 MHI改進(jìn)的水潤滑軸承

  ——水力部件

為MHI自主開發(fā)的APWR 1500的NSSS系統(tǒng)開發(fā)了100A型主泵。水力模型選用西屋公司原設(shè)計(jì) 的100D型葉輪，縮小直徑D2，配以新設(shè)計(jì)的徑向?qū)~。水力模型試驗(yàn)表明，泵效率提高了4.5%，該模型用了60HZ系統(tǒng)的100A型主泵。由于MHI和西屋公司間主泵的技術(shù)轉(zhuǎn)化協(xié)議持續(xù)有效，100A型主泵只允許用到美國和加拿大以外的地區(qū)。

從水力設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，對于比轉(zhuǎn)速ns=480的泵，選用100D型泵舊設(shè)計(jì)的葉片數(shù)為Z=7的葉輪，但縮小直徑，配上新設(shè)計(jì)布置在泵殼中部的徑向?qū)~，應(yīng)該說是較保守的設(shè)計(jì)。表5對已公布的水力模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)作比較。表中葉輪外徑D2a最小的M728是筆者在1970年代為泰山一期（代號728工程）300MW核電機(jī)組主泵研發(fā)的水力模型。表中的數(shù)據(jù)是模型泵在浙江省機(jī)械科學(xué)研究所一級精度試驗(yàn)臺上復(fù)測的結(jié)果。水力模型的研究項(xiàng)目通過了上海市機(jī)電一局組織的全國性鑒定會議的核查和認(rèn)可。隨后，完成了模型泵的全特性試驗(yàn)，得到了完整的四象限全特質(zhì)曲線，可以用于NSSS系統(tǒng)的安全計(jì)算分析。

表5 水力模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

模型泵	100D	100A	M728
流量Q（l/s）	306	274	216
揚(yáng)程H (m)	10	8	8
轉(zhuǎn)速n (rpm)	1200	1200	1490
葉輪外徑（Dza mm）	357.4	331.7	288
模型縮比 λ	1/2.35	1/2.54	1/2.75
效率n D (%)	75	78.2	80.65
效率n BEP (%)	75	79.5	80.65

    圖11 表示了100A和M728兩種水力模型軸軸面單線圈。100A水力模型是在西屋現(xiàn)在的100D水模型上，縮小葉輪尺寸，修改導(dǎo)葉設(shè)計(jì)。M728水力模型是借鑒了100D模型軸面水力通道的輪廓，重新設(shè)計(jì)了葉輪和導(dǎo)葉，并確定了與之相近配的相關(guān)尺寸比Dk/D2a，Hk/D2a。這是兩個水力模型在技術(shù)路線上的根本區(qū)別。

        5.3 三軸承軸系軸封式主泵的發(fā)展

西屋公司的EMD被柯蒂斯—萊特（Curtiss-Wright,CW）公司收購，由于C-W公司產(chǎn)品的屬性，EMD要重振PWR的軸封式主泵的領(lǐng)跑風(fēng)范的可能性極小。MHI為日本自主開發(fā)的APWR1500級NSSS開發(fā)了100A的主泵后，沒有更多的關(guān)于主泵的改進(jìn)和研究的報導(dǎo)。第一套APWR1500型核電機(jī)組的正式運(yùn)行至少要等到2014年。

以PWR主泵為主業(yè)的日蒙公司加強(qiáng)了主泵技術(shù)基礎(chǔ)研究的力度，建造了用于主泵水力模型的三個試驗(yàn)臺架：封閉式水力模型的性能測試臺，泵內(nèi)水力負(fù)荷及阻力特性的測定和流態(tài)可視化的專用試驗(yàn)臺，以及以空氣為介質(zhì)的泵四象限綜全特性試驗(yàn)臺，選用的模型縮比為1/2.44。其目的明顯是，通過精確的水力模型試驗(yàn)，深入了解主泵的水力特性和阻力特性，同時達(dá)到以模型試驗(yàn)作為客戶對主泵水力性能驗(yàn)收的依據(jù)。有意思的事是，首臺納入模型試驗(yàn)研究計(jì)劃的主泵是法國國內(nèi)從不采用的60HZ頻率的93A1型泵。第一座代表法國第3代核電技術(shù)EPR1600的芬蘭奧爾基洛托(Olkiluoto)核電站正在建造中，隨著EPR1600設(shè)計(jì)的推廣和運(yùn)行，三軸承軸系主泵在N24型泵的基礎(chǔ)上，將會有更新的改進(jìn)和創(chuàng)新。

6 第三代PWR核電技術(shù)的主泵

在壓水堆NSSS的設(shè)計(jì)中采用的、由第二代核電技術(shù)發(fā)展而來的第三代核電技術(shù)有以下特點(diǎn)：

    —— 優(yōu)化和簡化后的系統(tǒng)；

    —— 安全上創(chuàng)新的技術(shù)設(shè)計(jì)；

    —— 成熟技術(shù)的延續(xù)發(fā)展；

    —— 效費(fèi)比和經(jīng)濟(jì)性更高。

        6.1 AP1000的非能動安全系統(tǒng)

    國際上公認(rèn)的第三代PWR核電技術(shù)有阿海法（AREVA）集團(tuán)的EPR1600和西屋聯(lián)隊(duì)的AP1000。前者從法馬通核能公司的N4型1500設(shè)計(jì)發(fā)展而來，主泵仍沿用在N4型中運(yùn)行的N24型主泵；后者是基于AP600的初步概念設(shè)計(jì)，采用了非能動安全系統(tǒng)（Passive safely system，PSS），并簡化了系統(tǒng)，主泵又回到屏蔽電泵的設(shè)計(jì)。

世界上PWR發(fā)生的最嚴(yán)重的安全事故是1979年三哩島核電站的堆芯熔化泄漏事故。30多年的輕水堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，執(zhí)行相同安全防護(hù)原則和法規(guī)的沸水堆（BWR）從未發(fā)生過堆芯損毀或熔化事故。專業(yè)機(jī)構(gòu)研究表明，一般而言BWR堆芯熔化的概率大約比PWR低一個數(shù)量級。美國PWR設(shè)計(jì)師在借鑒了BWR的安全設(shè)計(jì)理念后，1990年推出了兩環(huán)路AP600型600MW機(jī)組NSSS的概念設(shè)計(jì)。

AP600設(shè)計(jì)從改進(jìn)型沸水堆（ABWR）中吸納了內(nèi)置泵的設(shè)計(jì)原則，從簡化型沸水堆（SBWR）中吸納了非能動冷卻系統(tǒng)（Passive Cooling System，PCS）。所謂非能動冷卻系統(tǒng)的主體是位于BWR在壓力容器上方12m的大小池，壓力容器連接了一個特殊設(shè)計(jì)的隔離閥。當(dāng)LOCA發(fā)生時，隔離閥快速打開，急劇卸去堆內(nèi)約7Mpa的壓力，壓力降到30psig（約2.1bar）時，大小池中的水開始流入堆芯，故又稱之為重力驅(qū)動堆芯冷卻系統(tǒng)（Gravity-Driver Core Cooling System，GDCCS）。SBWR的系統(tǒng)中，有三個各自獨(dú)立的GDCCS，能確保證在所有的LOCA工況下，堆芯始終被水覆蓋。PWR系統(tǒng)壓力為15Mpa等級，快速卸壓的隔離閥的性能和可靠性成為了一個重要的課題。AP600采用非能動安全系統(tǒng)，優(yōu)化和簡化了系統(tǒng)、減少了設(shè)備。圖12表示AP600反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)，圖13表示AP600的屏蔽電機(jī)或主泵。AP1000是以AP600設(shè)計(jì)發(fā)展和完善而來，仍舊是二環(huán)路4臺主泵的系統(tǒng)，單環(huán)路功率由300MW提升到500MW等級。至關(guān)重要的非能動安全系統(tǒng)也為該相應(yīng)增加容量或者獨(dú)立系統(tǒng)的數(shù)量。

6.2 AP1000的冷卻劑循環(huán)泵

無軸封泵是較為適合反應(yīng)堆系統(tǒng)優(yōu)化簡化后需要的內(nèi)置泵結(jié)構(gòu)的要求。實(shí)際上，無軸封泵的兩種類型：屏蔽電機(jī)泵和濕定子電機(jī)泵很早就作為反應(yīng)堆主泵在核電站和核動力堆上廣泛應(yīng)用了。西屋公司的AP1000設(shè)計(jì)，作為傳統(tǒng)的成熟技術(shù)，EMD選用屏蔽電機(jī)泵為內(nèi)置式的主泵。

       內(nèi)置式主泵最早應(yīng)用于BWR核電站，1970年代起KWU和ABB的BWR選用了KSB AG的FER型軸封式泵和PSR型濕定子電機(jī)泵，已有1400泵年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其中PSR型約占40%。歐洲的試驗(yàn)與核電廠實(shí)踐表明，用少量的純凈注入水（約比軸封泵注入水低一個數(shù)量級）注入無軸封泵的熱頸部件（電機(jī)與泵之間的窄環(huán)型通道），可以避免泵與電動機(jī)之間水的交換，并有少量水流入反應(yīng)堆。實(shí)踐的結(jié)果消除了濕定子電機(jī)泵放射性污染難以清除的疑慮。1980年代日本東芝公司（TOSHIBA）從KSB AG引進(jìn)了PSR型泵的技術(shù)。通用電氣公司聯(lián)隊(duì)（GE—TOSHIBA—HITACHI）在改進(jìn)型沸水堆ABWR 1350設(shè)計(jì)，選用了PSR為反應(yīng)堆內(nèi)置泵。1997年運(yùn)行以來，至少有20臺泵已安全運(yùn)行了10年以上。日本在建的和計(jì)劃建造的ABWR 1350至少有7座。

BWR的內(nèi)置循環(huán)泵是直接安裝在反應(yīng)堆容器的下部，又稱堆內(nèi)泵（Reactor Internal Pump，RIP），堆芯頂部以下無大口徑冷卻劑管道。即使LOCA事故時，反應(yīng)堆芯始終被水淹沒，燃料元件溫度會超過了1000℃，出現(xiàn)鋯水反應(yīng)。上述情況說明，在AP1000的NSSS中，不管主泵是屏蔽電機(jī)泵還是濕定子電機(jī)泵，在LOCA和全廠斷電的事故，主泵仍舊必須滿足斷電后惰轉(zhuǎn)速率變化的要求，比如停泵10秒鐘后，泵轉(zhuǎn)速不得低于50%額定轉(zhuǎn)速。

圖13中AP600的高轉(zhuǎn)動慣量主泵的設(shè)計(jì)方案，顯然是把推力軸承的推力盤人為地加大尺寸（增加轉(zhuǎn)動慣量）使其具有維持惰轉(zhuǎn)的飛輪功率。眾所周知，圓盤在連續(xù)流體介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)時的摩擦力矩是與流體的比重γ(即流體的密度)成正比的。在海平面20℃溫度時，空氣的比重約為水比重的1/830，與300℃的水相比，也只有1/590。用無軸封泵替代了軸封泵以后，必須把電機(jī)上，在空氣中運(yùn)轉(zhuǎn)的大直徑，扁平形狀的飛輪改變成在水中運(yùn)轉(zhuǎn)的小直徑，厚度增大的飛輪，同時，它在有水的摩擦阻力矩的作用下，必須具有滿足泵惰轉(zhuǎn)速率變化要求的轉(zhuǎn)動慣量J=mr2，這是一個技術(shù)難點(diǎn)。在電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端各布置一段飛輪，可以減少外徑的限制對飛輪轉(zhuǎn)動慣量J的影響。泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時飛輪因?yàn)槟Σ亮貙?dǎo)致的泵效率下降和摩擦熱引起的水的局部溫升對主推力軸承的承載能力的影響（圖14）都是必須關(guān)注和評估的課題。

與ABWR1350的設(shè)計(jì)一樣，AP1000也是采用電機(jī)變頻調(diào)速的方法來調(diào)節(jié)主泵的流量。主泵是NSSS中的心臟設(shè)備，不應(yīng)該加以過多的負(fù)荷。在電源及供電系統(tǒng)與主泵這一主設(shè)備之間進(jìn)行換位的考量與評估，或許能解決只局限于泵軸上安裝一塊或兩塊有足夠呆重的飛輪在水中旋轉(zhuǎn)而引發(fā)的不安全因素的難題。如果在主泵供電系統(tǒng)中，選用帶有變速型液力耦合器的電動發(fā)電機(jī)組為主泵提供可變頻的電源，那么，在變頻發(fā)電機(jī)組中，很容易裝上需要的高轉(zhuǎn)動慣量的飛輪來控制斷電時主泵轉(zhuǎn)速衰減的速率。這種在BWR系統(tǒng)發(fā)展初期就已經(jīng)被應(yīng)用的變頻供電技術(shù)，移植到PWR系統(tǒng)應(yīng)該不存在技術(shù)障礙。

7 結(jié)束語

回顧了國際上PWR主泵的技術(shù)的經(jīng)歷與共識，實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)以及發(fā)展的方向與課題，可以獲得一些較為清晰的理念：

— PWR的軸封式主泵是一種問世很早、定型多年、運(yùn)行可靠、改進(jìn)很少的高端泵類產(chǎn)品，是具有高安全性與高質(zhì)量要求的工程用泵，效率不是首要的指標(biāo)。

— 要發(fā)展核電必須開發(fā)主泵，它是以保證核安全的技術(shù)共識為前提，整合了可靠的先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品，無論是自主研發(fā)還是引進(jìn)技術(shù)，具有不同技術(shù)背景的主泵制造商，為了不斷地做得更好，他們會不由自主地進(jìn)入“以我為主，自主發(fā)展”的途徑。

— 制造商的技術(shù)底蘊(yùn)和技術(shù)特長，造就了不同技術(shù)風(fēng)格的主泵；不同的技術(shù)特色和工藝優(yōu)勢，使不同風(fēng)格的主泵能長期并存。

— 主泵的研發(fā)工作是具有厚積薄發(fā)特點(diǎn)的嚴(yán)謹(jǐn)而踏實(shí)的過程。任何一點(diǎn)的改進(jìn)和創(chuàng)新，都必須建立在多學(xué)科的基礎(chǔ)研究成果和長期驗(yàn)證試驗(yàn)工作的基礎(chǔ)之上，并在實(shí)際的運(yùn)行考核中不斷作細(xì)節(jié)上的完善化。

“它山之石，可以攻玉”，國際上主泵技術(shù)發(fā)展中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)值得借鑒。為實(shí)現(xiàn)我國宏大的核電發(fā)展規(guī)劃，在正確決策的指引下，還是需要一代人，把核電站主泵的開發(fā)作為一項(xiàng)事業(yè)來加以努力奮斗的。

1 v& s' c7 x3 d3 P

hc2003

樓主這個行業(yè)嗎？

七件夏天衫～

主泵終究過的還是密封這一關(guān)?？纯催@些技術(shù)發(fā)展歷程來龍去脈挺有意思，歐系風(fēng)格，美系風(fēng)格，就跟大俠說的一樣，你圖紙往人家面前一攤是不是你的人家自然就懂。

zsddb

這玩樣一看就懂，只是具體的數(shù)據(jù)需要校核

七件夏天衫～

zsddb 發(fā)表于 2015-10-26 21:43
3 K# L+ o" M! x5 g這玩樣一看就懂，只是具體的數(shù)據(jù)需要校核

哈哈，能變現(xiàn)是另外一回事了
7 C% J( b% n. F4 w" e) S