王憲坤

（山東核電有限公司，山東 海陽265116）

1 AP1000核電站主泵系統(tǒng)特點

壓水堆核電站中的反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)泵簡稱主泵（RCP），它使冷卻劑通過反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和冷卻劑環(huán)路循環(huán)，將熱量從反應(yīng)堆堆芯傳送到蒸汽發(fā)生器，然后由蒸汽發(fā)生器傳遞給二回路系統(tǒng)。鑒于主泵的重要作用及其惡劣的運(yùn)行環(huán)境等因素，其設(shè)計、制造、運(yùn)行和維護(hù)都成為核電廠的重點工作。

AP1000核電站的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)為雙環(huán)路，每個環(huán)路分別配置一臺蒸汽發(fā)生器和兩臺屏蔽式主泵，兩臺主泵直接固定在蒸汽發(fā)生器的下封頭，連接于同一臺蒸汽發(fā)生器的兩臺主泵電源分別取自兩個高壓廠用變壓器。主泵的設(shè)計壓力為17.1 MPa，設(shè)計溫度為343 ℃，設(shè)計流量為17886 m3/h，揚(yáng)程為111.3 m，轉(zhuǎn)動慣量為668.3 kg·m2；每臺機(jī)組共4臺主泵，分別由汽輪機(jī)廠房的四段廠用中壓母線供電，供電方式如圖1所示。50 Hz、10.5 kV廠用中壓母線通過一個中壓開關(guān)柜送電至變頻器柜，正常運(yùn)行時，變頻器輸出60 Hz、6.9 kV的電源通過兩個串聯(lián)的核級開關(guān)供給主泵的電動機(jī)使用。屏蔽泵與傳統(tǒng)的軸封泵相比較主要優(yōu)點是取消了轉(zhuǎn)動密封，無需軸封注入水及引漏水系統(tǒng)，相應(yīng)的泵、管、閥、濾芯、動力及控制電纜、安全殼貫穿件均取消，減少了輔助系統(tǒng)，消除了全廠斷電或軸封損壞時冷卻劑大量泄漏的隱患；軸承均為水潤滑、水冷卻，無需頂軸油和潤滑油系統(tǒng)，簡化了啟動程序，消除了漏油的火災(zāi)隱患；取消了過渡段，反應(yīng)堆壓力邊界完整性更好、更可靠；泵組緊湊可靠，設(shè)計目標(biāo)是60年免維護(hù)。然而，由于屏蔽泵的結(jié)構(gòu)特點，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量相對較小，需要在發(fā)生全廠停電事故時電氣系統(tǒng)仍能延時提供3秒鐘的供電來延長泵轉(zhuǎn)動時間。另外，由于主泵啟動要求和電動機(jī)60 Hz工作電源等原因，需要加裝長期運(yùn)行的變頻器。

圖1 主泵電氣一次系統(tǒng)圖Fig.1 RCP electrical system

關(guān)于“3秒鐘供電”，在核島主合同中要求，當(dāng)汽輪機(jī)跳閘后至少3秒鐘內(nèi)，主泵的母線電壓仍可維持在要求的定值之上，從而保證主泵的流量不小于設(shè)計基準(zhǔn)事故分析中假設(shè)的流量；這就要求汽輪發(fā)電機(jī)組有足夠的轉(zhuǎn)動慣量，以保障無廠外電源、汽輪機(jī)又跳閘的極端情況下，汽輪機(jī)組惰轉(zhuǎn)持續(xù)到發(fā)電機(jī)出口斷路器（因汽輪發(fā)電機(jī)低電壓或勵磁過電流原因除外）斷開的時間至少為3秒鐘。

2 主泵電動機(jī)

主泵是一個單級、屏蔽式、高惰性、離心殼式電動泵。它將電動機(jī)和所有的轉(zhuǎn)動設(shè)備包在一個壓力容器內(nèi)，該容器包括泵殼罩、熱屏、定子殼以及定子帽，其設(shè)計壓力為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)全壓運(yùn)行時的壓力值，主泵驅(qū)動是單繞組、三相、四級、立式、水冷、鼠籠感應(yīng)式異步電動機(jī)，葉輪和轉(zhuǎn)子的軸包含在壓力邊界內(nèi)，泵罩、定子法蘭和熱屏之間的墊片和頂部密封連接，為泵的密封提供了永久的泄漏保護(hù)，所以不需要密封進(jìn)行限制主泵到泵殼外的泄漏。

屏蔽式主泵電動機(jī)與常規(guī)電動機(jī)的主要區(qū)別在于以下5個方面：

1）泵與電動機(jī)之間的熱屏：在泵殼內(nèi)泵與電動機(jī)之間裝設(shè)了熱屏，熱屏上部為高溫高壓的一回路冷卻劑，下部為82 ℃低溫低壓的電動機(jī)冷卻劑，熱屏內(nèi)部具有冷卻器，利用設(shè)備冷卻水進(jìn)行冷卻。

2）定轉(zhuǎn)子兩個屏蔽罩：電動機(jī)定轉(zhuǎn)子之間充滿液態(tài)冷卻劑，采用密封的定子屏蔽罩和轉(zhuǎn)子屏蔽罩，分別形成全封閉的轉(zhuǎn)子和全封閉的定子，隔絕了與冷卻劑的直接接觸；屏蔽罩為耐腐蝕、非磁性金屬合金，強(qiáng)度依靠背部的支撐件支持。

3) 三套軸承：主泵的兩個徑向軸承分別安裝在電動機(jī)轉(zhuǎn)子的上部和下部，推力軸承則位于電動機(jī)轉(zhuǎn)子非泵側(cè)的底部，軸承利用與軸形成的水膜進(jìn)行潤滑，無論任何運(yùn)行工況，旋轉(zhuǎn)的帶墊片的推力軸承為旋轉(zhuǎn)組件提供正向的軸向位置。

4) 兩個飛輪：熱套在轉(zhuǎn)子兩端的重金屬飛輪組件增加了主泵轉(zhuǎn)動慣量，延長惰轉(zhuǎn)時間，確保斷電事故時堆芯燃料元件不至燒毀，外部的屏蔽套防止應(yīng)力腐蝕。電動機(jī)的端蓋、殼體、熱屏法蘭、定子殼和主法蘭等部件，與冷卻劑接觸的材料(軸承材料除外)是奧氏體不銹鋼、鎳-鉻-鐵合金或者等效抗腐蝕材料。

5) 四個冷卻回路：分別為迷宮式密封（在轉(zhuǎn)子與熱屏之間的位置，阻隔泵殼腔內(nèi)的高溫冷卻劑和電機(jī)腔內(nèi)的低溫冷卻劑進(jìn)行熱交換）冷卻回路、熱屏冷卻回路、流經(jīng)定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套之間的冷卻劑回路和流經(jīng)電機(jī)外套的設(shè)備冷卻水回路。

電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的下端為中空結(jié)構(gòu)，靠近鐵芯處沿徑向開有兩個貫穿孔，構(gòu)成電機(jī)內(nèi)循環(huán)冷卻回路的水力驅(qū)動部分，冷卻劑向上流經(jīng)上部電機(jī)，帶走定子和轉(zhuǎn)子的熱量并潤滑上部徑向軸承，從電動機(jī)上部附近出去，進(jìn)入一個外部熱交換器，由核島設(shè)備冷卻水冷卻，然后冷卻的主冷卻劑向下返回至主泵底部，形成循環(huán)；定子組件的外圍由一部分流經(jīng)電機(jī)定子冷卻外套的設(shè)備冷卻水進(jìn)行冷卻。通過冷卻系統(tǒng)的有效工作使電機(jī)腔內(nèi)的冷卻劑溫度保持在80 ℃以下，定子繞組中的最高溫度不大于180 ℃，以此保證繞組絕緣的性能和壽命。因為屏蔽式電動機(jī)損耗高、散熱困難等特點，繞組采用N級（200 ℃）絕緣等級，并通過耐壓試驗和耐輻照試驗；為保障60年的使用壽命，安裝后建議不進(jìn)行交直流耐壓等破壞性試驗。

主泵的監(jiān)測系統(tǒng)主要包括5種方式：在電動機(jī)定子線圈中埋入一個電阻溫度計，進(jìn)行定子線圈溫度測量；裝有一套振動監(jiān)測系統(tǒng)，用來連續(xù)監(jiān)測泵組的振動，安全殼外讀出器包括警告報警和高振動水平報警，同時也向主控室輸出報警；4個冗余的電阻溫度探測器監(jiān)測電機(jī)循環(huán)冷卻水的溫度，溫度高（2/4邏輯）將導(dǎo)致主泵停運(yùn)，以防止設(shè)備冷卻水延時損失，同時這些溫度計也用于主控顯示和生成報警；一個傳感器監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，輸入信號到保護(hù)和安全監(jiān)控系統(tǒng)以產(chǎn)生主泵轉(zhuǎn)速低停堆信號，也可以在主控室中產(chǎn)生轉(zhuǎn)速低報警；電壓和電流傳感器提供電機(jī)負(fù)載和電壓輸入的信息。

3 主泵變頻器

主泵受反應(yīng)堆冷卻劑的密度、溫度、壓力等因素影響，需逐步升速、加功率，必須加裝變頻器；AP1000核電站的每臺主泵配有一臺西門子ASIRobicon公司生產(chǎn)的WCⅢ-HA型水冷高壓大容量變頻器。采用變頻器的作用和優(yōu)點主要是：

1）降低了對電機(jī)容量和過電流能力的要求，實現(xiàn)了主泵的軟啟動和無級平滑調(diào)速。

2）在正常運(yùn)行時，將50 Hz、10.5 kV的廠用母線電壓調(diào)整為更穩(wěn)定的60 Hz、6.9 kV電源供給主泵電動機(jī)。由于主泵是按美國工頻60 Hz設(shè)計的，我國工頻為50 Hz，所以在啟動結(jié)束后仍然要求變頻器連續(xù)運(yùn)行，以解決性能匹配、運(yùn)行方式等相關(guān)問題，同時也減小了電動機(jī)的體積和重量、降低了空載電流，同時也降低了廠用母線電源的電壓和頻率的波動對主泵電動機(jī)的影響。

3）無啟動過電流問題，主泵電機(jī)的壽命消耗慢，同時中低壓廠用交流電系統(tǒng)也不會因主泵啟動而造成電壓陡降，從而造成其他電氣設(shè)備異常跳閘。

4）由于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力高、流量和管徑大等原因，在進(jìn)出口無法設(shè)置逆止閥，主泵無防倒轉(zhuǎn)裝置，在主泵倒轉(zhuǎn)不超過1530 r/min情況下，變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)電動機(jī)加電制動并將其升為正常轉(zhuǎn)速。

變頻器包括隔離變壓器、功率轉(zhuǎn)換器、冷卻系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，通過使用一套帶有防止功率單元失效裝置的自動旁路、一套帶有備用的冷卻系統(tǒng)以及一套雙通道控制系統(tǒng)，實現(xiàn)變頻器系統(tǒng)的高可靠性。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了完全的冗余旁路控制，并以毫秒級的頻率運(yùn)行，當(dāng)兩個或三個功率單元發(fā)生故障，變頻器仍然能夠提供主泵全速運(yùn)行所需的電壓。

然而，由于變頻器需要長期運(yùn)行，主泵供電可靠性和效率有所降低，增加了投資和運(yùn)行費(fèi)用；且變頻器在換流時產(chǎn)生的高次諧波和沖擊電壓，將對電動機(jī)的振動和絕緣帶來安全隱患。當(dāng)失去冷卻后變頻器很快（數(shù)分鐘）停運(yùn)，冷卻系統(tǒng)是影響變頻器可靠性的重要因素，對電氣保護(hù)的配置等均有影響。另外，啟動一臺主泵時，需要將額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的主泵降到300 r/min再啟動，這是因為正常運(yùn)行的三臺主泵造成的倒灌流量的反力矩較大。

4 主泵1E級斷路器

位于反應(yīng)堆冷卻劑環(huán)路上的堆芯補(bǔ)水系統(tǒng)，在發(fā)生事故時對壓力容器堆芯提供補(bǔ)水和硼化，因為主泵的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)將干擾堆芯補(bǔ)水的運(yùn)行，所以在堆芯補(bǔ)水時要求應(yīng)可靠地迅速跳開主泵；1E級主泵斷路器由美國伊頓公司生產(chǎn)，是中壓廠用主交流電源系統(tǒng)中唯一提供與安全相關(guān)的核級設(shè)備，在每臺主泵電動機(jī)與變頻器之間分別配置兩臺串聯(lián)的1E級斷路器，它的作用就是在接到保護(hù)和安全監(jiān)控系統(tǒng)跳閘命令后能夠可靠的跳開主泵電源；由于變頻器輸出電源的頻率變化，要求1E級斷路器必須全頻率范圍內(nèi)的斷開能力都要好。

5 結(jié)束語

主泵廠商產(chǎn)品的可靠性在美國軍工和核電系統(tǒng)的長期運(yùn)行中得到了充分的驗證，但是帶有飛輪這么大容量的主泵還是第一次生產(chǎn)制造，更沒有同類型產(chǎn)品的運(yùn)行經(jīng)驗，主泵與變頻器的原型機(jī)正在進(jìn)行耐久試驗。為主泵和變頻器提供冷卻水源的核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)也是影響主泵系統(tǒng)安全運(yùn)行的一個重要環(huán)節(jié)；主泵的軸承、定子引出線陶瓷密封端子、屏蔽套材料、外置熱交換器、不銹鋼的外殼等部分關(guān)鍵部件在技術(shù)引進(jìn)和國產(chǎn)化等受到多方面因素的制約?；谄帘伪迷诿绹藙恿ε炌Ш秃穗姀S長期的高可靠性運(yùn)行事實以及屏蔽泵的獨(dú)特優(yōu)勢，未來必將應(yīng)用于更多的行業(yè)和領(lǐng)域；轉(zhuǎn)動慣性較大的可變頻大容量屏蔽泵系統(tǒng)的技術(shù)引進(jìn)不僅有利于AP1000三代核電技術(shù)的消化和改進(jìn)，更有利于帶動國內(nèi)泵和電機(jī)類制造業(yè)的技術(shù)更新和其他相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展。

[1]林誠格. 非能動安全先進(jìn)核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.（LIN Cheng-ge. Passive Safety of Advanced AP1000 Nuclear Power Plant[M]. Beijing:Atomic Energy Press,2008.）

[2]王正茂，閻治安，崔新藝，等. 電機(jī)學(xué)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社.（WANG Zheng-mao, YAN Zhi-an, CUI Xin-yi, et al. Electromechanics[M]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press.）