淺析核電機組用泵的應用與研發(fā)

任威 何正石 郎雪琴

摘 要：在我國的核電領域內，核電廠所用泵絕大部分都是從國外進口，國內能夠提供的核電用泵相對較少。對此，本文便將針對核電機組用泵的應用與研發(fā)進行分析，希望能夠對核電用泵國產(chǎn)化提出一些意見或建議。

關鍵詞：核能發(fā)電；二級泵；三級泵

中圖分類號：TM623 文獻標志碼：A

核能作為新型能源中最具發(fā)展?jié)摿Φ墓δ芊绞街?，加大對其的發(fā)展力度、提高核能的發(fā)展速度對于優(yōu)化我國能源結構、保證我國能源供應有著極為重要的作用。同時也能夠讓我國對于化石燃料的需求大大降低，減輕由于化石燃料燃燒而造成的環(huán)境危害。在核電機組正常運行中，核電用泵扮演著重要角色。但是我國對于核電用泵的生產(chǎn)制造技術尚不成熟，因此我們必須加大該領域的研發(fā)力度，促進核電用泵的國產(chǎn)化進程。

1 核電用泵的研發(fā)現(xiàn)狀

核電廠是利用原子裂變所產(chǎn)生的熱量來作為主要的能量來源，再通過一系列能量轉化裝置使其轉換成為電能。由于原子裂變產(chǎn)生的熱量要遠遠超出傳統(tǒng)燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，因此核能發(fā)電效率也要高于傳統(tǒng)的發(fā)電方式。但也正因如此，在核電機組運行時，需要對反應堆實時提供冷卻水，使反應堆的溫度保持在安全范圍以內，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1.1 核電用泵的研發(fā)現(xiàn)狀

核電用泵的研發(fā)首先應當從核電用泵的研究設計開始。核電用泵的研究設計工作決定了核電用泵的生產(chǎn)工作能否順利進行、核電用泵在使用過程中能否避免安全事故的發(fā)生等重要因素。核電用泵設計工作主要分為兩個部分，其一是根據(jù)核電用泵所應該具備的功能進行設計，使之達到需要的水力性能；其二則是根據(jù)上文所述對核電用泵的設計進行優(yōu)化，使之結構達到最優(yōu)、生產(chǎn)成本降低等。

當前對于核電用泵水利性能設計主要通過對核電用泵的水力性能與零件形狀、內部結構等水泵參數(shù)之間的匹配性進行整合分析，從而確定核電用泵所應該滿足的工程參數(shù)；通過對核電用泵的水力性能與水泵葉輪形狀、轉速等參數(shù)之間的匹配程度進行整合分析，從而確定核電用泵所應該滿足的工程參數(shù)與運行參數(shù)；在核電用泵的基礎參數(shù)確定之后，便應該根據(jù)核電機組的實際需要對上述設計結果進行優(yōu)化，如在保證同等參數(shù)條件及核電機組用泵安全系數(shù)的條件下，如何才能夠最大幅度地降低生產(chǎn)成本，或是在保證生產(chǎn)成本不變的前提下盡可能提高核電機組的運行效率與安全性能。對于二級泵的設計工作而言，優(yōu)化設計要求相較于三級泵更高，三級泵雖然允許設計處于一定的范圍內，但是必須要求其滿足相關規(guī)定，并提交數(shù)據(jù)證明。

1.2 核電機組用泵的研發(fā)工作任務

首先，需要設計研發(fā)出較高水力性能的核電機組用泵模型，讓核電用泵在性能上達到國際平均水平，甚至有所超越。核電用泵設計不但要滿足工程需求，同時也要具有較好的安全性能。一般在設計工作中多采用換算法、速度系數(shù)法或者是二者合用法，以達到模型設計工作的具體要求。

其次，三級泵的設計需要以具體的核電機組作為設計依據(jù)，并使核電用泵的設計更加符合實際需要。三級泵設計工作需要滿足的各項要求較多，在此可以多借鑒國外的行業(yè)標準。對于已經(jīng)發(fā)生過的事故需要記錄在冊，并作為日后設計工作的技術規(guī)格。

最后，要在設計工作的基礎上對技術進行革新，讓優(yōu)勢設計制造技術更加廣泛地應用于實際生產(chǎn)。在設計圖紙應用于實際生產(chǎn)后，也需要對產(chǎn)品進行出廠檢測，檢測內容除了運行性能之外，還應包括抗震性能、抗磨損性能、抗氣蝕性能等，保證核電用泵的安全性能。

2 核電機組用泵的應用與研發(fā)

2.1 核電機組用泵的水力性能設計

為了能夠讓核電機組用泵的水力性能達到預期標準，在進行水力性能設計時需要著重注意泵體的葉輪與壓水室的設計工作。葉輪的作用是將泵體接收到的能量傳遞給水，讓冷卻水能夠順利達到指定位置。因此在對葉輪和壓水室進行設計時，葉輪的設計工作相對更為重要。葉輪的設計方法可以將上文提及的相似換算法和速度系數(shù)法聯(lián)合使用。其中，速度系數(shù)法以相似理論為主要依據(jù)，其在設計工作中可以將現(xiàn)有的具有較為優(yōu)良性能的泵的參數(shù)作為參考資料，因此設計工作可以有效簡化。對于離心泵而言，如果兩個離心泵的幾何尺寸相似，即各個零件以及結構尺寸成比例放大或縮小，其所具有的水力性能呈線性關系。以葉輪的設計工作而言，在既有高效核電機組用泵的前提下，可以以此來確定葉輪的速度系數(shù)，從而根據(jù)速度系數(shù)與葉輪轉數(shù)的函數(shù)式來得出葉輪的相關參數(shù)。

除此之外，葉輪的轉速也影響了核電機組用泵的氣蝕余量。在核電機組用泵正常運行時，通常狀況下機組運行效率越高，則對于氣蝕現(xiàn)象的抵抗能力越弱。即在要求核電機組用泵保持較高工作效率的同時提高其抗氣蝕性能基本不可能達到。對此，設計人員需要在核電機組用泵的工作效率與抗氣蝕能力之間進行合理選擇，在滿足實際工作需求的基礎上提高泵的抗氣蝕能力，避免一味地追求高運行效率而忽略泵的安全性能。在得出最為合適的配合方式之后，需要進行實驗驗證，最終得到實際生產(chǎn)活動中性能最為優(yōu)異的水力模型并用于產(chǎn)品生產(chǎn)。

2.2 核電機組的結構設計

核電機組的機構設計的對象主要包括兩個方面：其一是核電機組用泵的整體結構，即核電機組用泵的類型、主要構件的連接方式、重要結構的位置等；其二則是核電機組用泵的零件結構，即核電機組用泵零部件的種類、組合方法、功能部件的裝配等。

核電機組用泵的整體結構大多采用單級、單吸立式離心泵結構，其轉子部件為懸臂式結構。在這樣的結構條件下，水在泵的作用下被豎直提升至一定高度，再從出水口沿水平方向流出。泵體與供電電機需要安裝在不同的位置上，二者所依附的基礎設施應保持不同，并采取非剛性連接的方式進行連接；泵體需要采取嚴格的密封措施，重要部件需要定期采取潤滑養(yǎng)護。在進行核電機組用泵大型部件組裝時，需要嚴格控制整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保在受到外力的作用時不會發(fā)生位移從而使連接脫落。除此之外，也需要保證重要結構部件具有較高的硬度，在承受長時間的震動、摩擦、扭力、壓力等時仍能夠保證零部件的完整性。

核電機組用泵的零件需要滿足RCC-M標準，由于核電機組用泵在運行中需要承載較大的壓力和運行負荷，且連續(xù)不停的工作會使部件受到較為嚴重的磨損。因此，對于零件的選購需要著重注意。在進行零部件安裝工作時，需要嚴格遵循核電機組用泵的設計書和安裝說明書，確保每個零部件都處于正確的位置、不同零部件接觸嚴密、連接牢固。對于某些零件，在受到壓力時由于安裝方式的不同往往也會承受較大的剪應力，會極大地縮短零件的使用壽命。對于承壓件而言，確保安裝位置正確，連接穩(wěn)固則可以有效地避免由于泵體承壓而發(fā)生內部零件錯位、斷裂等問題的發(fā)生。對于容易磨損的精密部件，需要定期進行養(yǎng)護工作，如采取注入潤滑油等措施。

結論

雖然核能發(fā)電在對能源的需求愈發(fā)提高的今天極為重要，但是我們也應該意識到對核能進行有效控制相較于傳統(tǒng)的能源供應方式而言更加困難。如果核電機組用泵的運行效率達不到要求或者安全性能不達標，則極有可能讓核電機組在運行過程中發(fā)生安全事故，造成極大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。本文針對核電機組的應用與研發(fā)進行了簡要分析，希望能夠使我國二級泵、三級泵的生產(chǎn)工藝水平進一步提高。

參考文獻

[1]唐佑傳.基于ANSYS的離心泵葉輪數(shù)值分析及優(yōu)化[D].安徽：安徽理工大學，2017.

[2]石洋，袁建平，駱寅，等.基于MCSA的離心泵轉速測量與試驗研究[J].排灌機械工程學報，2017，35（11）：927-932.