AP1000核電給水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改進(jìn)

程 亮，徐智淵

（1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局，北京 100088）；2.中國(guó)電能成套設(shè)備有限公司，北京 100011）

給水泵在電站輔機(jī)中占有重要的地位，作為二回路的主要?jiǎng)恿υ?，給水泵的功耗約為機(jī)組功率的2%，其安全可靠運(yùn)行，直接影響到整個(gè)電站的安全性和可用率[1]。

給水泵的作用是將除氧器的水抽出并升壓，經(jīng)高壓加熱器送到蒸發(fā)器，由于系統(tǒng)設(shè)置給水泵的作用是使給水獲得較高的壓力，以便能進(jìn)入高加后克服其中受熱面的阻力，在高加出口得到額定壓力參數(shù)的蒸汽。理論上給水在高加中吸熱是一個(gè)定壓過(guò)程，實(shí)際上由于存在壓力損失，所以給水泵出口處是整個(gè)系統(tǒng)中壓力最高的部位。本文針對(duì)海陽(yáng)核電給水泵系統(tǒng)的改進(jìn)項(xiàng)目，探析AP1000核電給水泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)。

1 電站給水泵系統(tǒng)常用設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

1.1 給水泵常用配置特點(diǎn)及系統(tǒng)組成

電站給水泵驅(qū)動(dòng)方式主要有小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種，配置方式有兩汽一電、兩電+一備、三電+一備、三電（無(wú)備用）等。為提高給水泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，大容量機(jī)組都采用變速調(diào)節(jié)的高速給水泵，轉(zhuǎn)速為5 000～8 000 r/min。在同樣的流量和揚(yáng)程條件下，采用高速給水泵，可以減少泵的體積，減輕泵的重量，節(jié)省材料，提高運(yùn)行可靠性[2-3]。

給水泵傳送的流體是高溫的飽和水，發(fā)生汽蝕的可能性較大。要使泵不發(fā)生汽蝕，必須使有效汽蝕余量大于必需的汽蝕余量。泵必需的汽蝕余量隨轉(zhuǎn)速的平方成正比地改變，因此，高速泵所需的汽蝕余量比一般水泵高得多，其抗汽蝕性能大大下降，當(dāng)滑壓運(yùn)行的除氧器工況波動(dòng)時(shí)極易引起汽蝕。為防止給水泵汽蝕，每臺(tái)給水泵前都安裝一臺(tái)低速前置泵。前置泵的轉(zhuǎn)速較低，所需的汽蝕余量大大減少，加之除氧器仍安裝在一定高度，故給水不易汽化。當(dāng)給水經(jīng)前置泵后壓力提高，增加了進(jìn)入給水泵的入口壓力，提高了泵的有效汽蝕余量，能有效地防止給水泵汽蝕，并可大幅度降低除氧器的布置高度[4]。

汽動(dòng)給水泵系統(tǒng)：汽動(dòng)給水泵系統(tǒng)比較復(fù)雜，除主設(shè)備給水泵汽輪機(jī)、主給水泵和前置泵外，還有高低壓供汽系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、排油煙系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、排汽系統(tǒng)、盤(pán)車裝置以及一套比較復(fù)雜的電液控制系統(tǒng)，任何一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都會(huì)影響汽動(dòng)給水泵的可靠性。系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 汽動(dòng)給水泵方案

電動(dòng)給水泵系統(tǒng)：電動(dòng)給水泵系統(tǒng)則相對(duì)簡(jiǎn)單，其主要設(shè)備為前置泵、電機(jī)、主給水泵、齒輪箱（或液力耦合器）[5]，輔助系統(tǒng)主要是潤(rùn)滑油系統(tǒng)（如圖2所示）。

圖2 電動(dòng)給水泵方案

1.2 常規(guī)火電配置

大機(jī)組常規(guī)火電給水系統(tǒng)通常配置兩臺(tái)50%容量的汽動(dòng)給水泵作為經(jīng)常運(yùn)行，一臺(tái)30%容量的電動(dòng)調(diào)速給水泵作為機(jī)組啟動(dòng)和汽動(dòng)給水泵故障時(shí)的備用泵。電動(dòng)給水泵在機(jī)組正常運(yùn)行期間處于熱備用狀態(tài)，當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷或汽動(dòng)給水泵突然出現(xiàn)故障時(shí)，電動(dòng)給水泵能立即投入運(yùn)行。電動(dòng)給水泵能夠自動(dòng)跟蹤汽動(dòng)給水泵的運(yùn)行狀態(tài)，并可以與汽動(dòng)給水泵并列運(yùn)行[6]。

1.3 其他核電配置

大亞灣、嶺澳一期核電：每臺(tái)機(jī)組配置三臺(tái)主給水泵（兩汽一電），正常工況時(shí)兩臺(tái)汽動(dòng)泵運(yùn)行，一臺(tái)電動(dòng)泵備用，汽動(dòng)泵最大容量為65%額定給水流量（大亞灣），汽動(dòng)泵最大容量為75%額定給水流量（嶺澳一期）。電泵為30%額定給水流量。嶺澳二期核電：每臺(tái)機(jī)組配置三臺(tái)主給水泵（三電），每臺(tái)電泵50%額定給水流量，正常工況時(shí)兩臺(tái)電泵運(yùn)行，一臺(tái)電泵備用[7]。

2 海陽(yáng)核電給水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

海陽(yáng)核電一期工程根據(jù)AP1000 的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用3臺(tái)33.3%容量的（額定給水流量2 548 m3/h）電動(dòng)定速主給水泵組并列運(yùn)行，不設(shè)備用給水泵。

2.1 性能要求

每臺(tái)主給水泵的設(shè)計(jì)功能為：在前置泵以1 490 r/min 和壓力級(jí)泵以4 750 r/min 運(yùn)行時(shí)，能以7.45 MPa 的揚(yáng)程輸送630 kg/s 的流量，因此每臺(tái)主給水泵的功率為8 100 kW，主要參數(shù)表如表1 所示。

表1 山東海陽(yáng)核電給水泵參數(shù)表

其中：工況A對(duì)應(yīng)于100%正常負(fù)荷工況；

工況B對(duì)應(yīng)于增加給水需求，以補(bǔ)充蒸汽發(fā)生器的水裝量損失；

工況C對(duì)應(yīng)于調(diào)節(jié)閥全開(kāi)工況。

2.2 系統(tǒng)組成及描述

主給水泵由前置泵、齒輪箱、電機(jī)、壓力級(jí)泵組成（如圖3所示）。

圖3 AP1000核電給水泵流程圖

來(lái)自除氧器的水經(jīng)過(guò)電動(dòng)隔離閥和臨時(shí)濾網(wǎng)進(jìn)入前置泵，然后進(jìn)過(guò)流量孔板和永久濾網(wǎng)進(jìn)入壓力級(jí)泵，經(jīng)過(guò)壓力級(jí)泵升壓后的給水經(jīng)過(guò)出口逆止閥和電動(dòng)隔離閥送到高壓加熱器。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）采用電動(dòng)泵，而非汽動(dòng)泵

海陽(yáng)核電選用電動(dòng)給水泵的原因主要和主機(jī)選型有關(guān)。大機(jī)組常規(guī)火電機(jī)組均是全速機(jī)組，參數(shù)較高，新蒸汽全部為過(guò)熱蒸汽，由于給水泵汽輪機(jī)的效率較高，長(zhǎng)期運(yùn)行效率可觀，因此采用汽動(dòng)給水泵作為運(yùn)行給水泵已基本達(dá)成共識(shí)。

對(duì)于核電機(jī)組，由于蒸汽參數(shù)較火電機(jī)組低很多，新蒸汽為帶一定濕度的飽和蒸汽，汽輪機(jī)為了考慮蒸汽除濕，內(nèi)功率有所降低，特別是主機(jī)采用半速機(jī)后，選用汽動(dòng)給水泵與電動(dòng)給水泵在運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面相差不大。大亞灣及嶺澳一期選擇汽動(dòng)給水泵原因是這兩個(gè)電廠都選用全速機(jī)，由于當(dāng)時(shí)主機(jī)末級(jí)葉片加工技術(shù)無(wú)法滿足，因此發(fā)電機(jī)組的軸系無(wú)法太長(zhǎng)，因此限制了汽缸排氣面積，為降低主機(jī)排汽損耗，提高主機(jī)低壓缸末級(jí)效率，因此選用汽動(dòng)給水泵。而嶺澳二期主機(jī)采用的是半速機(jī)，低壓缸末級(jí)效率得到提高，因此選擇采用電動(dòng)給水泵。海陽(yáng)核電汽輪機(jī)采用日本三菱與哈動(dòng)聯(lián)合供貨的半轉(zhuǎn)速（1 500 r/mim）凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，型式為單軸、中間再熱、四缸六排汽，因此選用電動(dòng)給水泵的方案是可行的。

（2）采用三臺(tái)電泵，沒(méi)有備用泵

根據(jù)AP1000的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，每臺(tái)機(jī)組只設(shè)置三臺(tái)容量分別為33.3%的電動(dòng)給水泵，而無(wú)需備用。根據(jù)AP1000的設(shè)計(jì)理念，給水泵設(shè)備可用率很高，且一旦出現(xiàn)單泵跳閘的問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)SG的水位，并且與核島進(jìn)行連鎖后降到70%功率運(yùn)行。該設(shè)計(jì)理念對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)給水泵的制造要求大大增加。特別是海陽(yáng)項(xiàng)目給水泵由上海電力修造總廠與日本三菱聯(lián)合制造，對(duì)于第一次接觸核電項(xiàng)目的國(guó)內(nèi)總承包公司，風(fēng)險(xiǎn)較大。

（3）采用齒輪箱，取代耦合器

采用齒輪箱的定速泵理念，而非采用耦合器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際的運(yùn)行工況變化多樣，采用定速泵后或多或少會(huì)使流量大于或小于實(shí)際的要求，對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響較大，但提高了系統(tǒng)運(yùn)行的簡(jiǎn)便性和安全性。

2.4 關(guān)于最大流量點(diǎn)問(wèn)題

采用定速泵無(wú)備用后，最大的問(wèn)題是如何解決單泵跳閘后系統(tǒng)最大流量點(diǎn)的問(wèn)題，而該問(wèn)題又與上述的設(shè)計(jì)理念有直接的聯(lián)系。

2.4.1 給水調(diào)節(jié)閥的工作原理

圖4 為三沖量給水調(diào)節(jié)示意圖。當(dāng)正常運(yùn)行期間，通過(guò)裝在給水出口管路的給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)向SG的供水量。

AP1000機(jī)組高負(fù)荷時(shí)，投入三沖量調(diào)節(jié)給水調(diào)節(jié)模式，通過(guò)SG水位、給水流量和蒸汽流量的測(cè)量值來(lái)控制給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，保證SG水位在設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖4 三沖量給水調(diào)節(jié)示意圖

如圖5 所示，當(dāng)單臺(tái)給水泵跳閘時(shí)，由于蒸汽/給水流量不匹配，需立即觸發(fā)Runback 快速降至70%負(fù)荷，反應(yīng)堆控制棒下插，通過(guò)降低功率來(lái)減少SG 的產(chǎn)汽量。汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)快關(guān)，以100%負(fù)荷/分鐘的速度在18秒時(shí)間降負(fù)荷至70%。

圖5 單泵跳閘后運(yùn)行工況示意圖

瞬態(tài)初期，給水流量小于蒸汽流量，蒸發(fā)器水位持續(xù)下降。通過(guò)三沖量調(diào)節(jié)，給水流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度將增大，減小調(diào)節(jié)閥的節(jié)流阻力，降低運(yùn)行給水泵出口背壓，克服SG 與除氧器間的差壓，來(lái)增加給水總量，緩和SG水位下降。此時(shí)兩臺(tái)運(yùn)行給水泵的水量遠(yuǎn)大于給水泵額定給水量，出現(xiàn)了給水泵的最大流量工況點(diǎn)。

單臺(tái)給水泵跳泵，給水流量降低，給水管路沿程阻力降低，運(yùn)行泵背壓降低，每臺(tái)泵供水量略大于額定流量，為A—＞B。

給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增加，管路阻力迅速降低以進(jìn)一步增加供水量，為B—＞C，C 點(diǎn)處給水泵流量最大，揚(yáng)程最低。

待SG水位開(kāi)始回升，給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小以保證汽水量平衡，為C—＞D。

根據(jù)WEC 提供的Runback 過(guò)程給水流量瞬態(tài)曲線分析，兩臺(tái)給水泵處于最大工況點(diǎn)的供水量相當(dāng)于三臺(tái)泵總給水量的88.8%。即最大流量工況點(diǎn)每臺(tái)泵提供44.4%總給水量，為給水泵額定流量的133.3%。為了滿足單泵跳閘Runback 瞬態(tài)工況下，SG對(duì)給水流量的需求，海陽(yáng)項(xiàng)目給水泵的流量、揚(yáng)程和電機(jī)功率有足夠設(shè)計(jì)裕量。運(yùn)行給水泵在瞬態(tài)期間的最大工況點(diǎn)流量為額定流量的133.3%，此時(shí)給水泵揚(yáng)程相對(duì)額定流量揚(yáng)程下降約0.8 MPa，但可以向SG 正常供水。正常運(yùn)行時(shí)，主給水調(diào)節(jié)閥為節(jié)流運(yùn)行，每臺(tái)給水泵的出口有0.8 MPa消耗在主給水調(diào)節(jié)閥上。此時(shí)，給水泵的揚(yáng)程裕量被主給水調(diào)節(jié)閥節(jié)流吸收，造成潛在經(jīng)濟(jì)損失。

3 海陽(yáng)核電給水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

3.1 目前海陽(yáng)核電給水泵系統(tǒng)存在的問(wèn)題

由于海陽(yáng)核電給水泵系統(tǒng)不設(shè)置備用給水泵，假定每年因一臺(tái)給水泵停運(yùn)而被迫70%功率運(yùn)行一天，損失電量為902 萬(wàn)kWh，上網(wǎng)電價(jià)按0.40 元/kWh 計(jì)，損失360 萬(wàn)元/年。機(jī)組在額定負(fù)荷時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥節(jié)流運(yùn)行，開(kāi)度僅60%，閥門(mén)阻力在0.89 MPa 以上。對(duì)應(yīng)消耗電功率大約2 400 kW（忽略給水節(jié)流升溫回收的能量），按年運(yùn)行7 000 h，上網(wǎng)電價(jià)0.40 元/kWh計(jì)算，每年因主給水調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失2 400×7 000×0.4=672 萬(wàn)元/年，即運(yùn)行三年的經(jīng)濟(jì)損失與一臺(tái)給水泵組的價(jià)格相當(dāng)。另外，主給水調(diào)節(jié)閥節(jié)流較大也使閥芯易磨損，影響壽命。

3.2 改進(jìn)措施

（1）配置一臺(tái)備用泵

為了避免標(biāo)準(zhǔn)AP1000核電機(jī)組主給水泵配置的缺陷，采用三運(yùn)一備給水泵的配置方案。每臺(tái)給水泵額定給水流量與標(biāo)準(zhǔn)AP1000 給水泵相同，為2 548 m3/h，3 臺(tái)33.3%容量給水泵運(yùn)行，備用泵投聯(lián)鎖作熱備用。當(dāng)單臺(tái)運(yùn)行給水泵跳閘時(shí)，備用泵聯(lián)啟，在7 秒后達(dá)到額定轉(zhuǎn)速?？梢匝杆倨胶馓迷斐傻乃坎▌?dòng)，SG水位和機(jī)組負(fù)荷略有降低后，逐漸回復(fù)穩(wěn)定。機(jī)組在跳泵期間保持穩(wěn)定，不需要觸發(fā)Runback。

（2）采用液力耦合器調(diào)節(jié)

采用液力耦合器的調(diào)節(jié)方式，使給水泵能針對(duì)不同的工況點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式較靈活，能同時(shí)滿足給水泵最大點(diǎn)流量問(wèn)題及正常運(yùn)行工況時(shí)的能耗。

3.3 改進(jìn)措施優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1）采用備用泵的優(yōu)勢(shì)在于：①SG水位和機(jī)組負(fù)荷擾動(dòng)??；②由于跳泵瞬態(tài)期間，給水量波動(dòng)減小，運(yùn)行給水泵不存在最大工況點(diǎn)，給水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程相對(duì)一期給水泵可降低約0.8 MPa，可大大節(jié)省設(shè)備初期投資的費(fèi)用；③在實(shí)際運(yùn)行工況中，主給水調(diào)節(jié)閥節(jié)流阻力可降低約0.8 MPa，可節(jié)省能耗；④運(yùn)行每臺(tái)主給水泵電機(jī)容量可降低約700～900 kW；⑤增加系統(tǒng)的安全性，一臺(tái)主給水泵停運(yùn)不影響機(jī)組出力，機(jī)組可以長(zhǎng)期滿功率運(yùn)行。

缺點(diǎn)在于：①給水泵和主給水調(diào)節(jié)閥需重新設(shè)計(jì)；②常規(guī)島廠房?jī)?nèi)增加一臺(tái)給水泵，影響內(nèi)部空間；③給水泵主要設(shè)備部件與一期原有設(shè)備不能互通使用；④單泵跳閘瞬態(tài)期間，SG水位的調(diào)節(jié)過(guò)程及對(duì)核島的影響需分析校核。

（2）采用夜里耦合器的優(yōu)勢(shì)在于：調(diào)節(jié)靈活，能同時(shí)滿足最大點(diǎn)運(yùn)行工況及正常運(yùn)行工況，減少正常運(yùn)行時(shí)的能耗。

缺點(diǎn)在于：液力耦合器較齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加一個(gè)故障點(diǎn)，增加了運(yùn)行維護(hù)的工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

總的說(shuō)來(lái)，由于AP1000主給水泵系統(tǒng)配置的缺陷，造成選擇的給水泵揚(yáng)程裕量過(guò)大，上述改進(jìn)是充分考慮了海陽(yáng)核電運(yùn)行的特點(diǎn)提出的。特別是采用三用一備的給水泵系統(tǒng)配置方式，將大大提高給水泵系統(tǒng)運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性，減少了因給水泵故障所引起的核島反應(yīng)堆跳閘及降功率運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，從而為核電站的安全高效運(yùn)行提供了技術(shù)保證。

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