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3 主泵的设计准则——核安全技术共识 (接上期)人们清楚地认识到，核电站的核泄漏事故引发的灾难是不受国界的限制的。关于核电技术，尤其是核安全相关的技术交流以、技术合作和技术转让，在正常国家之间是不存在障碍的。核安全理念上的共识，成就了核安全技术上的共识。基于人们在轴封式主泵上多年研发和运行的实践，在反应堆主泵的设计和制造技术上达成了一些共识，而作为主泵设计的准则。本文只对压水堆主泵有关的问题进行阐述和讨论。 3．1 主泵功能的定位 反应堆冷却剂主循环泵是核电站最重要的设备之一，是NSSS中唯一的旋转设备。从容量的含义上看，它不过是一个辅助设备，但事实上，的确可以把它看成是核电站的心脏。 水冷却反应堆的可靠运行，在于它产生的热量由流经堆芯的冷却剂的强制循环传输出去，这是主泵的功能，因此，主泵在下列条件下，输送大量的冷却水： ——高的系统压力； ——高的介质温度； ——尽可能少的轴密封泄漏； ——高的可利用率和易于维护。 3．2 水力设计 压水堆系统的起动压力高，约为15～20 bar，正常运行时为150 bar。从安全设计出发，泵的水容积应尽可能小一些，泵效率尽可能高一些。 泵可以选择高的工作转速n和比转速ns ，对于同步转速n=1200rpm(60HZ)和n=1500rpm(50HZ)，泵的比转速ns 大都在n=400～500的混流泵范围。 重水加压水堆（HWPWR）的主泵，由于水容积的限制，必须采用蜗壳型的泵体，轻水加压水堆（LWPWR）大都采用轴对称的桶型或者准球型泵壳，从瞬变工况减少热应力的观点出发，后一种泵壳构型会更好一些。 相同比转速ns的叶轮，轴面通道的形状是径向流型，还是混流型，会影响到径向力的大小；设计理论和设计方法的不同也会导致泵的四象限全特性曲线中，等扬程曲线H=O射线的位置，会在不同的象限。 泵体承压边界静密封的可靠性，要求泵体上与泵盖匹配的开口直径尽可能减小，开口直径的大小与叶轮，导叶体的水力尺寸与构型是密切相关的。 3.3 轴承与润滑冷却系统 重负荷参数[PV]>12,000Nm/s.cm2 的双向推力轴承，布置在电机顶部或者泵上部，都需要有高压油顶升装置，后一种设计还带来了提高冷却能力的油冷器一体化的课题。与推力轴封一体化的导轴承与轴密封的距离，关系到密封处的轴振水平和轴密封的稳定运行。考虑到抑制轴承中的油膜振荡和机组对中时的调整，有中心支承可倾瓦的导轴承是最佳的选择。 泵内水润滑导轴承有流体动压型和流体静压型。叶轮的出口扬程是静压型的压力源，它无润滑水的限制，设计的径向负荷必须准确，这是轴承稳定运行的前提，主泵起动时和停机时，轴承的承载能力应加以关注。以浸渍金属的石墨为轴瓦材料的动压轴承，润滑水温通常要求低于80℃，事故工况下最高可达107℃。在冷却润滑水足够的场合，轴承可承受较高的比压。在确定水润滑导轴承尺寸时，在三轴承的静不定轴系中与在四轴承的静定轴系中，轴承的径向间隙和比压的差异也是应考虑的因素。事实上，在泵轴系的细节设计时，除了轴承以外，径向间隙处流体的动压或者静压效应，以及保证轴承润滑油或水循环的，内置螺旋泵叶轮、迷宫泵叶轮或镜板泵叶轮与系统与冷却器的匹配应十分仔细的考量和处理。 3.4 轴密封与系统 轴密封是主泵的承压边界上，转动件与静止件间的界面部件，在保证承压边界的完整性上是关键部件。根据轴密封的工作参数，采用动、静摩擦的表面不接触的可控泄漏密封是可靠的选择。由密封面间液膜形成方法而区分的流体静压密封和流体动压密封都是PWR主泵可以采用的成熟技术。核电站成功的运行经验表明，PWR主泵选用下列密封组合是恰当的： ——三道流体动压密封，这是欧式风格主泵轴密封的典型设计； ——一道流体静压和一道流体动压密封，这是美式风格主泵轴密封的典型设计。 每道单独的密封，必须能承受系统的全压力可靠的运行，这是关于轴密封技术共识的重要论点。主泵采用三道流体动压密封的另一个原因是，在NSSS的管泵作PT=235bar的水压试验时，无须拆卸轴密封，因为每级密封的压降约为50bar，但每级都按全压力来设计。 确切地说，西屋公司开发的美式风格的主泵轴密封是由二道静压密封组成。当第一道静压密封失效后，第二道密封在全系统压力下，通过密封环与环座变形的控制，端面机械密封变化成了斜面型密封面的静压密封。这是一款很有创意的密封设计，法国人沿袭至今，不作改变。 在轴密封与水导轴承下方，布置检修用的静密封，这是主泵易于维修的安全要求所必须的设计。在轴密封通大气侧布置蒸汽密封，停泵安全密封，是不同系统的技术规范要求的安全性设计。 欧式风格和美式风格主泵轴密封的设计定型，应该说是根据成熟的高端技术的传统和习惯，进行优选的结果。KSB AG在奥布里海姆的RER700型主泵上，曾选用了二道流体静压密封（台阶密封面型）和一道流体动压安全密封，运行了58，000小时而无需维修。（图3）西屋公司在分叉河核电站（Forked River）1120MW核电机组的70型主泵上，也曾选用了三道流体动压密封和一道低压蒸汽密封，主泵安全运行了44，200小时后检修。上述两家公司成功的实例并没有改变轴密封最终的设计定型。诚然，实际运行的成功经验十分重要，但是自主化技术特长和传统的充分发挥，对高端技术的持续发展更为重要。 图3 奥布里海姐核电站主泵的KSB密封部件。 
就设计理论而言，可控泄漏密封是借助了推力轴承的原理来形成密封面间的液膜的。可以认为：流体动压密封是米契尔（Michell）或者金斯伯里（Kingsbury）可倾瓦块式动压轴承与机械密封的联合；流体静压密封则是固定油楔面的油囊式（Oil Pocket）静压轴承与机械密封的联合。密封面间微小的轴向间隙被磨损后，会影响泄漏的稳定。轴密封注入水必须通过流通粒径≤5 μm 的过滤器，才能进入密封腔，这是两种轴密封的共同的基本要求。 除了高的可靠性以外，轴密封还必须满足： —— 起动压力低； —— 监测、检查方便； —— 更换安全、迅速，人员受幅照量低。 基于模块化设计的理念，1960年代KSB AG 在对主泵轴密封系统性试验研究的基础上，对系统压力Ps = 150 bar, 轴径Dw = 200 mm，转速 n =1470 rpm，和滑动速度V =20 m/s的典型设计的PWR主泵轴密封得到了表2中的技术数据。 表2 Dw =200 mm 主泵轴密封性能数据 表中：Z——相互串联的密封级数； QL —— 密封的泄漏量； NR ——Z级密封的机械摩擦功率； NE ——在系统压力下，补入液体（= QL）而消耗的功率； N Th ——冷却QL 液体所需热功率； QK 冷却密封系统所需要的冷却水量。 附注：（1）大约有0.2 m3/h的附加流量流过旁通管（压力分配器） （2）此数值与径向间隙的大小有关。 可以说，KSB AG的轴密封试验研究成果，以及轴密封在奥布里海姆核电站主泵和在诺沃—沃隆奈希(Nowo—Woronesch)型440 MW PWR主泵（三道流体动压密封加一道安全密封）上十分成功的运行实绩和经验，为形成轴密封设计的技术共识奠定了可信赖的基础。 3．5 模块化设计 在压水堆NSSS中，单环路功率N=300～350MW 的设计，已成为第二代PWR核电机组中的标准系统。一个反应堆压力容器，最多可布置4个环路，模块化设计的主泵便应运而生。 轴密封是与主泵安全性紧密相联的关键部件，理所当然的作为核心的固定载荷模块。KSB 推荐了BW 200mm轴径的轴密封用于RER型系列的主泵，日蒙公司在引进的西屋公司技术的基础上，完善了38英寸（轴径d0=200mm）轴密封，用于93型，93A型，93A1型、100D型和N24等5种主泵。流量范围Q=20，100～24，850m3/h，扬程范围H=80～106m，配套电机功率Nm=4800～7100MW，适用于3环路和4环路的机组功率为900～1500MW的PWR机组。 泵机组的高参数推动的轴承是另一个重要部件。系统的内压力在泵转子上形成的轴向推力负荷，只取决于轴密封中的一个有效直径，因而有高压油顶升装置的推力轴承及油冷却循环系统，也顺理成章地成为固定载荷模块。不同功率电机的转子与飞轮重量的变化，只影响到推力轴瓦上的比压，在设计范围内幅度不大的改变。 上述的5种规格的主泵中，有桶型和准球型两种低碳Cr—Ni不锈钢材质的铸造泵壳供选配。MHI在主泵的国产化中也试用过SA508 CL.3 低合金钢，整体锻造的泵壳（图4），内部过流表面堆焊低碳不锈钢。KSB AG 也只优选了一种形式的整体锻造泵壳。这样，由叶轮和导向器组成的力水部件就成了主泵的主要的可变有效载荷模块。 图4 SA 508 CL.3 整体锻造的泵体 
PWR核电机组中，主泵的配置是相对固定的，也可以说是“模块化”的配套。法马通核能公司只选择100D型主泵用于法国国内的1000～1300MW核电机组，自主开发的N24型主泵只用于法国风格的N4 1500MW 四环路设计和所谓的法国第三代核电技术的EPR 1600设计。MHI只选用93A1型主泵用于60HZ系统，100D型主泵用于50HZ系统。100A型主泵是100D型的改进设计，用于MHI自主开发的APWR1500型四环路核电机组。 3．6 全负荷试验台架 在核安全理念的共识下，为考核主泵的性能与可靠性，主泵在出厂前必须进行模拟实际运行工况的热态全负荷试验，首批产品的第一台主泵还需在全负荷工况下，运行足够长的时间。不具备全负荷试验装置时，若用户同意，在完成关键部件，比如轴密封的单独考核试验的前提下，可以在泵上安装小流量的叶轮，在模拟运行压力和温度的小管径试验回路上，检测除水力参数外的泵的性能。但是泵的水力性能必须有足够精度等级的水力模型试验用来见证和验收。 自1960年代轴封式主泵问世以来，世界范围先后建造了不少全负荷主泵热态试验台架。试验台管道的材质，也由碳钢或低合金钢发展为Cr—Ni不锈钢或低合金钢内表面堆焊不锈钢。据不完全的统计，试验台架分布于以下的厂商。 （1） NSSS设计与设备总包商 ——美国西屋公司EMD ——法国电力公司（EDF），简纳维里尔（Genevilliers）分部 ——日本三菱重工（MHI），高砂制作所 ——芬兰 Oy Finnatom AB (2)泵制造厂商 ——美国，拜仑—杰克逊公司（BJ） ——美国，宾汉—威里梅特公司（BW） ——德国，KSB AG ——瑞士，苏尔寿公司（Sulzer） ——比利时，ACEC ——英国，海沃特—泰勒公司（HT） ——英国，伟尔泵公司（WPL） 综合分析相关的资料，可以得知在核安全的共识下，不同年代建造的主泵试验台架的技术特点： （1） PWR主泵的全负荷试验台架最早是美国BJ公司于1960年代初期建造的，最迟建造的是，英国中央发电局（CEGB）投资，建造在伟尔泵公司的阿洛瓦（Alloa）工厂，于1991年运行的主泵试验台架。首台被测试的产品是日蒙公司生产的100D型主泵。由于决策的原因，适用于安全发电的PWR进入英国电力工业推迟了30年。 （2） 轴封式主泵发展的初期，在美国，泵制造商生产的主泵占主导地位，他们都建造了不止一座主泵试验台架，来满足主泵出厂前验收试验的需求。 —BW公司建有两座28英寸（DN700）的全负荷试验台架，共用一套温度、压力控制与测试系统。 美国BJ公司在1970年代已拥有了世界上仅有的7座全负荷试验台中的4座，其中的3座集中安装在洛杉基工厂的一个面积为2320m2 ，高30m，吊车能力为100吨的专用测试厂房内。一座试验台架的管径为25英寸（DN650）QD =6.3 m3/s；另两座台架相同，管径为42英寸（DN1000），QD=12.6 m3/s。管道由低合金碳素钢铸焊而成。 （3） NSSS设备总包商建造的主泵试验台架，大都是在垂直平面内的单环路台架，管路材质为不锈钢。图5中表示的MHI的主泵试验台架是典型的实例。用一个同口径的阀门来调节流量，测试流量的幅度，往往限制在设计流量的80～120%的较小的范围内。 图5 MHI 试验台架主回路结构图 
(4) 实用性强的简化设计是B-W公司的试验台架，基本的设计理念是，在相邻的两条平行地坑中，安装两条单环路试验管道，联接流量调节阀前后的支管被设计为一台蒸发器的一次侧管系。改变通大气的二次侧壳体的水位来控制冷却水的蒸发量，从而控制主管道的水温与压力。两座试验台架共用一套温控设备，一座专用排放水蒸汽的烟囱是必不可少的。从发展初期的主泵运行试验的要求来看，这是一款满足要求、操作简单和经济节能的设计。 （5） 复杂的设计是在CEGB投资建造仕伟尔公司的主泵试验台架（图6）。它是一个模仿电站中实际状况的空间管系的设计，主泵安装在活动支撑架上，横向与阻尼器相联，流量调节阀附近是整个测试管路的锚定的固定点。试验台架的功能扩展了，流量测定范围还是受到单一的同口径阀门的限制。 （6）专业技术性强，测试流量范围最大的试验台架，是KSB AG 建造在法兰肯塔尔（Frankenthal）的主泵试验台架（图7）。台架的管径DN1000，设计压力PD=180bar，设计温度TD=350℃。两条平行的主管道的远端，有9 根横向、平行的带有蝶阀的小口径管道相连接，可在大范围内调节流量。流量的微调是用安装在两要更小管径的平行管路上的节流阀来实现的。管路的材质是低合金钢，内表面与介质接触面堆焊低碳不锈钢。试验台架不仅在很大的流量范围内，平稳而准确地测试泵的性能，而且避免了大口径流量调节阀的技术难点和高的采购成本。 4 两种技术风格设计的差异点 在保证核安全的技术共识的前提下，美式风格和欧式风格的两种主泵，在满足PWR核电站的安全要求和可靠运行方面难分伯仲；在设计上，各自拥有自主的Know-How和专利技术；在结构的细节设计上，风格各异、各具特色。两种技术风格的主要特点的比较列在表3中。 表3 两种技术风格主泵特点的比较 比较内容 | | | | | | | 电机与泵由刚性联轴器联接，主推力轴承布置在电机顶部，轴系中有三个径向轴承 | 电机与泵由挠性联轴器联接，主推力轴承布置在泵上端部，轴系中有四个径向轴承 | | | | | 3道密封，No.1密封为静压密封，No.2密封为动压密封，No.3为安全密封，每道密封可承受系统全压力。 | 3道流体动压密封，每道密封可承受系统全压力。级间有级压力分配器。 | | 双向可倾瓦式设计、有高压油顶升装置，浸油式润滑。有外置管壳式冷油器，在铙板泵作用下保持油循环。 | 双向可倾瓦设计，有高压油顶升装置，浸油式润滑，一体化内置冷油器，有铙板泵与辅助叶轮保持油循环。设有安全排油箱 | | 内置式一体化设计，是热屏组件的一部分，起隔热作用。注入水中断时，保证进入轴密封的水的温度在允许的范围之内。 | 外置式管壳型设计，由泵轴上的迷宫泵叶轮驱动在泵内循环。注入水中断时，保证进入轴密封的水温在允许的范围之内。 |
值得指出的是，模块化设计主泵中的可变有效载荷模块，即泵的水力部件的性能与效率指标方面，与NSSS设备总包商的分部比较起来，专业的泵制造商充分表现出了在产品研发中的专业能力与技术底蕴。作为一个例子，表4列出了几种主泵性能的对比。 表4 主泵性能数据比较 说明：1）效率值是不包括电机的泵部分效率 2）KSB的效率包含主推力轴承耗功，括号内为机组效率。
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发表于 2015-10-26 19:58:41
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