摘要：AP1000主泵是大型屏蔽泵在核電機組的首次應(yīng)用，因其獨特的設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)特點，其運行方式也十分特別。文章介紹了AP1000主泵特有的倒轉(zhuǎn)運行模式以及倒轉(zhuǎn)運行對電站其他系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，并指出了工作中的注意事項。

關(guān)鍵詞：AP1000；屏蔽式主泵；倒轉(zhuǎn)運行；再生制動；核電機組 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TL351 文章編號：1009-2374（2015）18-0083-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.043

1 概述

AP1000核電機組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)包含兩個環(huán)路，每個環(huán)路包含一個熱段、兩個冷段及并列運行的兩臺冷卻劑泵（以下簡稱主泵），如圖1所示。主泵吸入口直接焊在蒸汽發(fā)生器橢球形下封頭冷側(cè)水室的接口管嘴上，整個泵組外殼是一回路壓力邊界的一部分。4臺主泵為屏蔽泵結(jié)構(gòu)，額定電壓6.9kV，分別從電廠內(nèi)4條獨立的10.5kV、50Hz中壓母線取電，每臺主泵由變頻器將供電頻率變?yōu)?0Hz。

1.壓力容器；2.蒸汽發(fā)生器；3.一體化堆頂結(jié)構(gòu)；4.穩(wěn)壓器；5.波動管；6.主泵；7.冷段；8.熱段；9.安注接管嘴

與傳統(tǒng)壓水堆主泵相比，AP1000主泵有如下技術(shù)特點：（1）與蒸發(fā)器下封頭直接連接，取消了主泵與蒸發(fā)器之間的過渡段，降低了環(huán)路的壓降，簡化了蒸發(fā)器、泵和管道的支承系統(tǒng)；（2）化容系統(tǒng)不需要軸封功能，也不用從主泵和蒸發(fā)器的連接段上引出，減小了小破口事故期間堆芯裸漏的風(fēng)險；（3）主泵沒有軸密封裝置，因而消除了因軸密封失效和全廠失電事故導(dǎo)致冷卻劑泄露的可能性，從而大大提高了安全性，減少了泵的維修工作量；（4）主泵電機上設(shè)置了兩個鎢合金飛輪，以提高泵的轉(zhuǎn)動慣量，延長惰走時間，從而增加了失去電源后堆芯的熱工裕量；（5）主泵采用變頻調(diào)速裝置，減少了冷態(tài)啟動時的功率，從而最大限度地縮小了電機尺寸，同時滿足50Hz電網(wǎng)的要求，通過變頻器把50Hz的電能轉(zhuǎn)換為60Hz。另外，還因為變頻器的再生制動功能，使主泵倒轉(zhuǎn)在AP1000電站中也是允許的。

2 AP1000主泵的運行特點

在主系統(tǒng)啟動過程中，需要點動主泵進行動態(tài)趕氣，并在滿足主泵啟動條件時啟動主泵對主系統(tǒng)升溫升壓。關(guān)于主泵啟動過程中的轉(zhuǎn)速，為了增加停堆冷卻工況下發(fā)生瞬態(tài)時主泵軸承潤滑水膜的厚度，將VFD/RCP的最小轉(zhuǎn)速設(shè)定為425rpm（即23.6%額定轉(zhuǎn)速），因為軸承潤滑水膜的厚度隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。為了縮短RCP在低速區(qū)（-300～425rpm）的停留時間，增加RCP低速運行時的升速速率，將主泵0rpm或-300rpm啟動升速至425rpm過程中的升速速率設(shè)定為6～7Hz/sec。當(dāng)RCP從425rpm向更高轉(zhuǎn)速升速時，其升速速率設(shè)定為0.5Hz/sec，在RCP反轉(zhuǎn)工況下，VFD將主泵由較高的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速制動到-300rpm過程中，其升速速率設(shè)定為0.5Hz/sec。在RCP升速和降速過程中，在50%和88%轉(zhuǎn)速平臺設(shè)置一個10分鐘的停留時間，目的是使軸承各部分的溫度達到均勻。

AP1000沒有設(shè)計成部分主泵運行在低功率水平，所以在額定功率運行期間，如果一臺泵發(fā)生故障，電站就會停堆。如果電站處于低功率的水平，此時一臺泵停運，不會引起停堆，可以通過變頻器將其他的泵降低到一個較低的轉(zhuǎn)速，然后將跳掉的泵重新啟動。瞬態(tài)工況下，在發(fā)生反應(yīng)堆停堆或電力喪失之后，反應(yīng)堆冷卻劑繼續(xù)流動一段時間，對反應(yīng)堆保護是重要的。為了提供該流量，每臺反應(yīng)堆冷卻劑泵都裝有高密度的飛輪和高轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)子。

電站停閉第一階段依靠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)共同來完成對堆芯的冷卻。在這一階段RCS的溫度高于177℃，為了保持穩(wěn)壓器的噴霧流量，RCS系統(tǒng)1環(huán)路至少有一臺主泵在運轉(zhuǎn)。為了獲得附加的噴淋流量，可以兩臺主泵同時運轉(zhuǎn)。一臺主泵運行足以提供充分的流量以帶走堆芯余熱。電站停閉第二階段依靠正常余熱排出系統(tǒng)來完成對堆芯的冷卻。當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑溫度低于177℃，壓力達到2.76～3.10MPa范圍內(nèi)時，進入電站停閉第二階段。正常余熱排出系統(tǒng)從RCS的熱段吸入冷卻劑，經(jīng)過熱交換器后，通過反應(yīng)堆壓力容器直接注射管線將冷卻劑返回到反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)。

具體過程如下：（1）當(dāng)穩(wěn)壓器已被冷卻到與反應(yīng)堆冷卻劑泵運行所要求的最小壓力相對應(yīng)的飽和溫度時，保持穩(wěn)壓器中的冷卻劑壓力和溫度恒定，繼續(xù)冷卻一回路冷卻劑。在這期間，冷卻劑壓力保持在等于或高于反應(yīng)堆冷卻劑泵運行所要求的最小壓力；（2）當(dāng)RCS的溫度降到了82℃時，經(jīng)化學(xué)容積控制系統(tǒng)向RCS添加過氧化氫（H2O2），以降低RCS中的放射性。在注H2O2的全過程，為保持穩(wěn)壓器和RCS系統(tǒng)其他部分的冷卻劑中化學(xué)成份相平衡，反應(yīng)堆冷卻劑泵要繼續(xù)運行；（3）在RCS溫度降到了71.7℃之后，若RCS的放射性水平已降低到了計劃停閉的水平，則可以停閉正在運行的反應(yīng)堆冷卻劑泵。

3 主泵倒轉(zhuǎn)運行分析

3.1 傳統(tǒng)壓水堆核電廠主泵倒轉(zhuǎn)的危害

3.1.1 對于機械部件的損傷。在傳統(tǒng)壓水堆電廠中，主泵都有防倒轉(zhuǎn)裝置，因為主泵的倒轉(zhuǎn)可能引起電機啟動時導(dǎo)致啟動力矩過大和機械部件的損壞。對于一般的屏蔽泵也是不允許倒轉(zhuǎn)的，因為倒轉(zhuǎn)可能會使泵發(fā)生氣蝕，失去平衡，影響泵的揚程和流量，還可能產(chǎn)生異常的推力，導(dǎo)致軸承磨損、螺栓松動以及泵的損傷。

3.1.2 對于電機的損傷。傳統(tǒng)壓水堆核電廠的主泵不允許倒轉(zhuǎn)，是因為如果主泵倒轉(zhuǎn)，在合上主泵斷路器后，電機定子中有電流流過，同時在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出磁場，而轉(zhuǎn)子此刻在反轉(zhuǎn)，它又會在定子中感應(yīng)出一個磁場，這時主泵就相當(dāng)于一個異步發(fā)電機，感應(yīng)磁場的方向與定子中電流產(chǎn)生的磁場方向相反，且無法送到外電網(wǎng)上，只能消耗在定子上，引起定子的發(fā)熱，溫度過高時會破壞定子絕緣。此外，定子電流磁場施加在轉(zhuǎn)子上的力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反，增加了泵啟動時的啟動力矩，會增加啟動電流，加劇定子繞組的發(fā)熱，還可能會造成電機部件的機械損壞和緊固件的松動區(qū)，所以傳統(tǒng)核電廠主泵都有防倒轉(zhuǎn)裝置。

3.2 AP1000主泵倒轉(zhuǎn)運行工作原理

對于軸承的損傷，AP1000主泵使用雙向中心支承推力軸承，可以承受倒轉(zhuǎn)。對于電機的損傷，采用具有再生反饋能力的變頻器裝置連接到中壓母線上，有效地解決了這一問題。變頻器的變頻和調(diào)壓功能是通過改變可控硅的導(dǎo)通角來達到的，AP1000變頻器在控制回路上增加一套變流回路，當(dāng)合上主泵的斷路器，而主泵工作在倒轉(zhuǎn)狀態(tài)時，動能轉(zhuǎn)化來的電能就會使變頻器的貯能電容的電壓升高，升高到一定程度時，電壓就會反向，使正常的變頻回路處于關(guān)閉狀態(tài)、電子元件不導(dǎo)通，而使增加的交流回路的可控硅導(dǎo)通，使電能通過可控交變流器反饋給電網(wǎng)，這樣就可以實現(xiàn)把倒轉(zhuǎn)時主泵的貯能送到電網(wǎng)上而不會對電機造成影響。同時定子電流的磁場作用在轉(zhuǎn)子上的力會使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減慢至零轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)制動。變頻器有了再生反饋能力，可以實現(xiàn)靈活的主泵啟動。在主泵啟動的過程中，四臺主泵相繼啟動。在第一臺主泵啟動后，其余的主泵均倒轉(zhuǎn)運行。但是在第二臺主泵供電以后，第二臺主泵受到制動的電磁功率的作用，轉(zhuǎn)速逐漸下降到零，同時轉(zhuǎn)子儲存的能量通過再生反饋回路傳遞給電網(wǎng)。在第二臺主泵轉(zhuǎn)速下降到零之后，變頻裝置才控制第二臺主泵逐漸升高速度至300rpm。其余泵的啟動過程與第二臺主泵相同。AP1000主泵在轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速（1800rpm）的-85%～100%時，是允許倒轉(zhuǎn)的。

主泵倒轉(zhuǎn)在停堆或者低功率（小于10%功率）運行情況下可能發(fā)生。表1給出了主泵在冷態(tài)和熱態(tài)各種倒轉(zhuǎn)情況下的流量。

4 主泵倒轉(zhuǎn)對其他系統(tǒng)的影響

根據(jù)主泵布置的特點，主泵的倒轉(zhuǎn)在任何環(huán)路上都有可能發(fā)生，且每臺泵都有可能倒轉(zhuǎn)，意味著每一條環(huán)路，都有發(fā)生冷卻劑逆流的可能性。與主冷卻劑環(huán)路有接口的系統(tǒng)，其功能受到的影響分析如下：

第一，與蒸汽發(fā)生器下封頭有接口的系統(tǒng)，例如：化學(xué)和容積控制系統(tǒng)CVS和非能動余熱排出熱交換器PRHR。對于CVS，因為上充出口管線裝有逆止閥，所以不會出現(xiàn)倒流，但CVS的凈化流驅(qū)動力來自于主泵，所以如果主泵倒轉(zhuǎn)，CVS的凈化流就有可能失去。

對于PRHR，如果1環(huán)上的一臺主泵發(fā)生倒轉(zhuǎn)，不會引起熱端冷卻劑的倒流，根據(jù)上表，一臺泵倒轉(zhuǎn)，其最大的倒轉(zhuǎn)流量是-9107.7m3/hr，而另一臺的流量此時為22371.8m3/hr，所以此時熱端流量仍然是正向流，不會影響到PRHR的功能。但是如果1環(huán)的兩臺主泵都發(fā)生倒轉(zhuǎn)了，那么環(huán)路的冷卻劑流向就會反向，PRHR的功能就不能實現(xiàn)，這種情況是不允許的。所以AP1000在運行上也要做到杜絕這種情況的發(fā)生。一環(huán)的兩臺主泵不能同時停運，設(shè)計上把同一環(huán)上的兩臺主泵分別放在兩條獨立的中壓母線上，防止單一故障引起兩臺泵同時跳閘。另外在運行規(guī)程中也對這點特別強調(diào)，提醒操縱員注意。

第二，對于直接注入（DVI）管線，存在倒流的可能，但與DIV管嘴相連接的各個系統(tǒng)，堆芯補水箱（CMT）、安注箱（ACC）、安全殼內(nèi)置換料水箱（IRWST）管線上都裝有逆止閥，且CMT一動作，所有的主泵都停運，倒轉(zhuǎn)影響不大。對于RNS會有些影響，影響RNS正常的注入流量，但RNS泵和主泵的壓頭差不多，而主泵倒轉(zhuǎn)時壓頭不會那么高，所以RNS仍然可以通過DIV注入，能滿足堆芯余熱的導(dǎo)出。

5 結(jié)語

AP1000屏蔽主泵是大型屏蔽泵在核電領(lǐng)域的第一次應(yīng)用，目前還處于試驗階段，再生制動功能使得主泵允許倒轉(zhuǎn)，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，增加了RCS系統(tǒng)的可用性。但由于沒有可參考的同類型泵的運行經(jīng)驗，使泵的運行和維護存在一些不確定的因素，對于運行人員來說，前期需要充分了解主泵的設(shè)計規(guī)范和運行特點，制定可靠的、執(zhí)行性強的運行規(guī)程以及嚴(yán)格的行政管理程序來保障主泵的可靠運行。另外，也需要對主泵可能的故障作風(fēng)險分析，制定應(yīng)對策略和維護方案，提高主泵的可用性。

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作者簡介：趙孟杰（1988-），男，山東泰安人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：核電廠運行。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）