核反應(yīng)堆冷卻劑泵

1、核反應(yīng)堆冷卻劑泵姓名：張國(guó)玉班級(jí)：J動(dòng)力（流體）1201學(xué)號(hào)：4121104013目錄一、 核反應(yīng)堆冷卻劑泵的簡(jiǎn)介3二、 核反應(yīng)堆冷卻劑泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3三、 核反應(yīng)堆冷卻劑泵的工作原理5四、 核反應(yīng)堆冷卻劑泵的分類(lèi)5五、 核反應(yīng)堆冷卻劑泵的現(xiàn)狀及其發(fā)展6六、 個(gè)人對(duì)核反應(yīng)堆冷卻劑泵的見(jiàn)解9七、 參考文獻(xiàn)9一、 核反應(yīng)堆冷卻劑泵的簡(jiǎn)介1 功能反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡(jiǎn)稱(chēng)主泵)的功能是使冷卻劑形成強(qiáng)迫循環(huán)，從而把反應(yīng)堆中產(chǎn)生的熱能傳送至蒸汽發(fā)生器，以產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功。2 基本要求反應(yīng)堆冷卻劑泵是壓水堆核電廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，也是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中唯一的回轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，對(duì)它的基本要求是：1) 能夠長(zhǎng)期在無(wú)人

2、維護(hù)條件下安全可靠地工作;2) 便于維修，輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單;3) 主泵轉(zhuǎn)動(dòng)組件應(yīng)能提供足夠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以便在全廠斷電情況下，利用主泵惰轉(zhuǎn)提供足夠流量，使反應(yīng)堆堆芯得到適當(dāng)?shù)睦鋮s;4) 過(guò)流零部件表面材料要求采用奧氏體不銹鋼，或其它同等耐腐蝕的材料;5) 帶放射性的冷卻劑的泄漏要少。二、 核反應(yīng)堆冷卻劑泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)：1.泵的葉輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子連成一體2.密封殼體3.殼體外以設(shè)冷水冷卻4.屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)子浸水結(jié)構(gòu)組成：泵體主要由泵殼體、葉輪、熱屏蔽、泵徑向軸承、主法蘭、軸密封系統(tǒng)等組成。1） 泵殼泵殼由低合金鋼整體鍛造而成，內(nèi)表面堆焊超低碳不銹鋼。泵殼是主系統(tǒng)承壓邊界的一部分，其壁厚應(yīng)能承受在事故工況下由接

3、管傳遞的各種載荷。即除考慮設(shè)計(jì)狀態(tài)外，還應(yīng)考慮事故工況下的最高工作壓力、溫度瞬態(tài)、地震載荷、管道破裂等各種載荷。在疲勞方面應(yīng)對(duì)泵在設(shè)計(jì)壽期內(nèi)交變應(yīng)力范圍作出估計(jì)，并進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。其結(jié)果均應(yīng)滿足ASME鍋爐及受壓容器規(guī)范第III篇核一級(jí)部件的要求。關(guān)于泵殼最佳形狀，美國(guó)、德國(guó)根據(jù)分析及試驗(yàn)資料，認(rèn)為球形泵殼、徑向出水的設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的渦殼形泵殼、切向出水的方案相比，雖然水力效率較低，但相差甚微，而帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)強(qiáng)度高，工藝簡(jiǎn)化，易于作探傷及產(chǎn)品質(zhì)量檢查。泵殼材料，以美國(guó)西屋公司為代表的廠商采用18-8型不銹鋼鑄件。由于整體鑄造工藝?yán)щy，過(guò)去國(guó)外用三塊鑄件拼焊，1977年日本鑄出第一只不銹鋼

4、整體泵殼，重量約30 t。2）轉(zhuǎn)軸部件泵軸由徑向軸承（導(dǎo)軸承）及推力軸承支承。其中泵軸靠葉輪上方的是水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承，由于水的潤(rùn)滑性能差，而且水的粘度隨溫度的升高而降低，因此潤(rùn)滑軸承的水溫一般應(yīng)控制低于70，它由內(nèi)部的冷卻回路冷卻。軸承箱中裝有上、下推力軸承及兩只油潤(rùn)滑的導(dǎo)軸承。推力軸承能承受雙向軸向力。由于主泵轉(zhuǎn)速高，推力軸承功耗可達(dá)200 kW左右。為防止軸瓦溫度過(guò)高，在潤(rùn)滑方式上采取了周密措施。兩只油潤(rùn)滑導(dǎo)軸承分別位于推力軸承的上、下方，它們使軸系有足夠的剛度。在泵軸穿過(guò)冷卻劑系統(tǒng)的承壓邊界處，采用三級(jí)相同的串聯(lián)布置的動(dòng)壓密封。為了補(bǔ)充受控泄漏流（約0.8 ）和防止主冷卻劑進(jìn)入軸密

5、封區(qū)域，需由化容系統(tǒng)提供注入水（約1.5 ）。KSB公司設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：即使注入水?dāng)嗍?，高壓密封水冷卻器仍有能力冷卻來(lái)自主系統(tǒng)的泄漏液。泵軸和傳動(dòng)軸靠剛性端面齒聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。這種型式的聯(lián)軸器，在更換軸密封部件或碳質(zhì)軸承后，能保證軸系具有良好的對(duì)中重現(xiàn)性。總之，轉(zhuǎn)軸部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是保障主泵機(jī)組可靠性的關(guān)鍵部件之一。3）飛輪對(duì)現(xiàn)有主泵機(jī)組來(lái)說(shuō)，飛輪都裝在電機(jī)內(nèi)。當(dāng)發(fā)生斷電事故時(shí)，飛輪是關(guān)系反應(yīng)堆安全的重要因素，他的破壞將帶來(lái)嚴(yán)重后果，因此，飛輪采用優(yōu)質(zhì)鍛鋼制成，并經(jīng)過(guò)100%超聲波探傷檢查。飛輪的主要功用是增加轉(zhuǎn)軸部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在斷電事故時(shí)，維持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)必要的慣性流量，隨后依靠自

6、然循環(huán)，進(jìn)一步帶走反應(yīng)堆衰變熱量，以確保堆芯安全。主泵轉(zhuǎn)軸部件的功能與它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及轉(zhuǎn)速平方成正比，主泵惰轉(zhuǎn)時(shí)間特性主要取決于主泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。4）電動(dòng)機(jī)主泵通常采用恒速鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電壓為6000 V或6600 V，主泵同步轉(zhuǎn)速在用50 Hz電源時(shí)通常取1500 rpm，用60 Hz電源時(shí)通常取1200 rpm。與普通立式電動(dòng)機(jī)相比，主泵用電動(dòng)機(jī)在某些方面提出了更嚴(yán)格的要求。例如，對(duì)電機(jī)絕緣提出特殊要求，由于安全殼內(nèi)環(huán)境溫度、濕度較高，且具有一定環(huán)境放射性水平，因而電機(jī)材料均應(yīng)經(jīng)過(guò)輻照性能試驗(yàn)。此外，主泵電機(jī)要求充分通風(fēng)冷卻，一般采用空冷，再用設(shè)備冷卻水來(lái)降低電機(jī)的排風(fēng)溫度。綜上所述

7、，應(yīng)用于核電廠的冷卻劑泵，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且工作條件苛刻，技術(shù)要求嚴(yán)格。為保證主泵長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，研制的樣機(jī)不僅要在全尺寸主泵試驗(yàn)回路上進(jìn)行長(zhǎng)期的考核運(yùn)行，而且要模擬核電廠實(shí)際條件，進(jìn)行規(guī)定的異常工況試驗(yàn)，例如冷卻水?dāng)嗍г囼?yàn)，注入水?dāng)嗍г囼?yàn)等。用戶還要求提供泵在冷態(tài)和熱態(tài)運(yùn)行條件下的性能曲線，以及啟動(dòng)和惰轉(zhuǎn)性能曲線。三、核反應(yīng)堆冷卻劑泵的工作原理反應(yīng)堆冷卻劑泵機(jī)組是壓水堆核電站的心臟設(shè)備，其功能是將一回路中的反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行升壓，客服冷卻劑在反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器，以及主回路管道中流動(dòng)的阻力，促使反應(yīng)堆冷卻劑以大流量通過(guò)反應(yīng)堆堆芯，把堆芯中產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷卻劑傳遞到蒸汽發(fā)生器。由于該安裝在反應(yīng)堆廠房

8、的主回路中故通稱(chēng)為-主泵。四、 核反應(yīng)堆冷卻劑泵的分類(lèi)反應(yīng)堆冷卻劑泵可分為兩大類(lèi)：屏蔽泵和軸密封泵。由于主泵以高溫、高壓、帶有放射性的水作為工質(zhì)，早期的壓水堆動(dòng)力裝置采用了屏蔽泵以解決密封問(wèn)題。屏蔽泵又稱(chēng)無(wú)填料泵，泵的葉輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子連成一體，并裝在同一只密封殼體內(nèi)，因此消除了冷卻劑外漏的可能性。這種泵在核動(dòng)力艦艇上早已使用，經(jīng)驗(yàn)證明其工作是安全可靠的。美國(guó)、蘇聯(lián)、法國(guó)的早期核電廠也曾使用屏蔽泵，但是存在以下問(wèn)題：1) 屏蔽泵效率低。一般泵組效率只有50%70%，例如法國(guó)舒慈核電廠主泵效率為66%，蘇聯(lián)于1973年建成的伏龍涅什電站三號(hào)機(jī)組，主泵效率僅52%。對(duì)于大容量核電機(jī)組來(lái)說(shuō)，顯然不夠經(jīng)濟(jì)

9、。2) 屏蔽電動(dòng)機(jī)大部分零部件使用耐腐蝕材料制造，造價(jià)昂貴，難度較高。3) 屏蔽電機(jī)若裝設(shè)飛輪，液體的阻力將使泵機(jī)組效率降低到不可接受的程度，因此，屏蔽泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通常很小。為了保障反應(yīng)堆安全，采用屏蔽泵的核電廠，必須對(duì)主泵供電的可靠性作更嚴(yán)格的要求。4) 維修不方便。鑒于以上理由，屏蔽泵一般應(yīng)用于容量較小的核能動(dòng)力裝置。據(jù)1980年資料，最大的屏蔽泵功率為2260 kW。但也有人建議對(duì)屏蔽泵進(jìn)行改進(jìn)以用于常規(guī)鍋爐及核電廠，例如有人提出采用濕定子的屏蔽泵，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組使用特制的塑料絕緣導(dǎo)線繞成，水在電動(dòng)機(jī)繞組間循環(huán)以加強(qiáng)冷卻，由于沒(méi)有屏蔽套，它的效率比一般屏蔽泵高，但因轉(zhuǎn)子阻力大，仍比常規(guī)電機(jī)為

10、低。隨著對(duì)核電廠安全性和經(jīng)濟(jì)性要求的提高，并為適應(yīng)大容量機(jī)組的要求，軸密封泵技術(shù)已趨成熟，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：1) 采用常規(guī)的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)，成本降低，效率提高。軸密封泵的效率一般比屏蔽泵高10%30%。2) 電機(jī)部分裝設(shè)一只很重的飛輪，因而大大提高了機(jī)組的惰轉(zhuǎn)性能，提高了發(fā)生全廠斷電事故時(shí)反應(yīng)堆堆芯的安全性。3) 軸密封技術(shù)可以同樣嚴(yán)格控制泄漏量，把安全殼的泄漏量控制在200 左右。4) 維修方便，軸密封結(jié)構(gòu)更換僅需十小時(shí)左右。軸密封泵自1965年第一次作為壓水堆核電廠主泵使用以來(lái)，已經(jīng)迅速取代了屏蔽泵的地位。但是，在某些場(chǎng)合下，例如艦船核推進(jìn)，金屬鈉冷快堆，某些試驗(yàn)研究堆等，屏蔽泵仍起重要作用

11、。五、 核反應(yīng)堆冷卻劑泵的現(xiàn)狀及其發(fā)展1 屏蔽式反應(yīng)堆冷卻劑泵示例為美國(guó)核潛艇Nautilus號(hào)核動(dòng)力裝置使用的反應(yīng)堆冷卻劑泵。該泵輸送壓力為14 MPa的冷卻劑，在3550 rpm時(shí)流量為900，揚(yáng)程為95 m。該泵由裝在一個(gè)能承受系統(tǒng)全部壓力的密封容器內(nèi)的屏蔽電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的定子繞組按常規(guī)結(jié)構(gòu)制造，用一層薄的屏蔽套使電機(jī)線圈隔離，因此電機(jī)定子是干的，沒(méi)有放射性元素對(duì)線圈帶來(lái)的危險(xiǎn)。屏蔽套一般用因科鎳（Inconel）或哈斯特羅（Hastelloy）合金制造。由于轉(zhuǎn)子浸沒(méi)在液體中，回轉(zhuǎn)阻力高以及屏蔽套有渦流損失，因此效率較低。 轉(zhuǎn)子由兩只徑向軸承及一只止推軸承支承。軸承由特種石墨制

12、成，并由輔助工作輪使冷卻劑通過(guò)電動(dòng)機(jī)的間隙，徑向與止推軸承構(gòu)成強(qiáng)制循環(huán)，以此進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。電機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的熱量通過(guò)盤(pán)管式熱交換器，由低壓的設(shè)備冷卻水導(dǎo)出。2 軸密封式反應(yīng)堆冷卻劑泵 壓水堆核電廠采用的軸密封式主泵一般為立式單級(jí)離心式或混流式泵。美國(guó)西屋公司是反應(yīng)堆冷卻劑泵的主要制造廠之一，它所生產(chǎn)的三種典型主泵的工作參數(shù)如表1所示。表1 西屋公司三種典型主泵的主要參數(shù) 參數(shù)93D型（50 Hz）100型（60 Hz）100型（50 Hz）額定流量，213502262022260額定流量時(shí)的揚(yáng)程，m86.31100100額定效率，%828787鑄件重量，t31.82

13、929鑄件直徑，m2.652.442.44出水管口位置切線方向徑向徑向臨界速度，rpm260016101800標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，231846362967電機(jī)額定功率，kW514758825882同步轉(zhuǎn)速，rpm150012001500以德國(guó)KSB公司為代表的反應(yīng)堆冷卻劑泵與西屋公司的產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)形式不同。上述兩種典型產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)比較如下：第一種結(jié)構(gòu)（西屋型）： 主要特征是泵軸與電機(jī)軸剛性聯(lián)結(jié)。轉(zhuǎn)軸部件由三支點(diǎn)支承，推力軸承置于頂部，并與電機(jī)的高位徑向軸承相結(jié)合。這種型式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)組高度低。但對(duì)電機(jī)軸和泵軸的對(duì)中要求十分嚴(yán)格。第二種結(jié)構(gòu)（KSB型）： 主要特征是泵軸與電機(jī)軸柔性聯(lián)結(jié)。機(jī)組

14、轉(zhuǎn)軸分為三段電機(jī)軸、泵軸及傳動(dòng)軸（或稱(chēng)主推力軸承軸），泵軸與傳動(dòng)軸之間則用剛性聯(lián)結(jié)。因此共有五只徑向軸承及兩只推力軸承（主推力軸承及在電機(jī)頂部的輔助推力軸承）。這種型式的主要優(yōu)點(diǎn)是泵軸及電機(jī)軸的對(duì)中要求有所降低。在檢修軸密封時(shí)，只需拆開(kāi)泵軸與傳動(dòng)軸之間的剛性聯(lián)軸器，用推力軸承自備的油壓千斤頂將推力軸承整體頂起，不需拆下電機(jī)即可檢修或更換軸密封。這種型式的缺點(diǎn)是機(jī)組較高，推力軸承的負(fù)荷稍大。除支承系統(tǒng)外，這兩種型式主泵的大部分部件相似，現(xiàn)以KSB公司的RER700型主泵為例，說(shuō)明結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。該泵用于秦山核電廠，為立式、單級(jí)、導(dǎo)葉式混流泵（國(guó)外有時(shí)也稱(chēng)離心泵）。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。表2 

15、秦山核電廠主泵設(shè)計(jì)參數(shù) 流量16100揚(yáng)程75 m汽蝕余量60 m轉(zhuǎn)速1488 rpm泵/電機(jī)總效率79%設(shè)計(jì)壓力17.2 MPa設(shè)計(jì)溫度350電機(jī)額定功率4500 kW電機(jī)電壓6000 V電機(jī)額定電流509 A秦山核電廠（一期）采用的是KSB公司的RER700型主泵，它是立式、單級(jí)、導(dǎo)葉式混流泵（國(guó)外有時(shí)也稱(chēng)離心泵）。其主要參數(shù)如上表所示。該泵由泵殼及其安全端、轉(zhuǎn)子部件、軸密封部件、軸承部件、油系統(tǒng)、軸封水和設(shè)冷水系統(tǒng)組成。機(jī)組總高9.5 m，反應(yīng)堆冷卻劑從底部軸向進(jìn)水，水平徑向排出，從傳動(dòng)端看泵為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn).秦山核電二期工程和大亞灣核電站都是采用100D 型反應(yīng)堆冷

16、卻劑泵(RCP)，大亞灣主泵是法國(guó)日蒙公司按照20 世紀(jì)70 年代從美國(guó)西屋公司引進(jìn)的技術(shù)和法國(guó)RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)制造的；而秦山二期工程主泵是1995 年由西屋公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，除主泵泵殼是按照RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)制造外，其它部件完全是按照ASME 等美國(guó)規(guī)范制造的。 目前國(guó)外生產(chǎn)軸封式主泵的廠家很多，美國(guó)有西屋、拜倫杰克遜、賓漢等公司。其中西屋公司的產(chǎn)品最多。法國(guó)的法馬通公司、意大利菲亞特公司、比利時(shí)的ACEC公司和日本三菱高砂制作所等，引進(jìn)了西屋公司的技術(shù)，它們都能生產(chǎn)上述主泵。德國(guó)KSB公司是西歐的主要核泵生產(chǎn)企業(yè)，其產(chǎn)品大量輸出。國(guó)外主泵生產(chǎn)廠家競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，美國(guó)西屋公司為了保持領(lǐng)先地位，總在

17、不斷更新主泵結(jié)構(gòu)。 我國(guó)反應(yīng)堆冷卻劑主泵的設(shè)計(jì)和制造水平與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距非常大，國(guó)內(nèi)所有在運(yùn)行和在建的核電站冷卻劑主泵全部是從國(guó)外采購(gòu)的。只有出口巴基斯坦恰?，斠黄?0萬(wàn)千瓦核電站的主泵是沈陽(yáng)水泵廠和哈爾濱電機(jī)廠與西德合作生產(chǎn)制造，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到50%。 其中泵殼是由中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)加工制造，核泵軸、導(dǎo)流罩、隔熱體等30余種關(guān)鍵部件的大鍛件是中科院沈陽(yáng)金屬研究所負(fù)責(zé)研制的，機(jī)械密封等關(guān)鍵部件是從國(guó)外進(jìn)口的。沈陽(yáng)水泵廠還建立了主泵綜合試驗(yàn)回路，該回路是沈陽(yáng)水泵廠參考大量國(guó)外資料自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)建造的試驗(yàn)臺(tái)架，能滿足300MW1300MW核主泵性能，測(cè)試和運(yùn)轉(zhuǎn)考核試驗(yàn)?？刂婆c儀表部分完全模擬核電站主

18、泵控制設(shè)計(jì)要求，可考核主泵聯(lián)鎖設(shè)計(jì)的合理性及備測(cè)試儀表的可靠性。主要設(shè)計(jì)參數(shù)：工作溫度20288；設(shè)計(jì)溫度350，工作壓力315MPa；設(shè)計(jì)壓力17.16Mpa，流量最大27000m3/h，功率8500kW。沈陽(yáng)水泵股份有限公司雖然是國(guó)內(nèi)唯一一家具有核主泵設(shè)計(jì)制造能力的廠家，但是在設(shè)計(jì)制造百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站主泵方面還有許多關(guān)鍵技術(shù)尚未突破。 六、個(gè)人對(duì)核反應(yīng)堆冷卻劑泵的見(jiàn)解泵的節(jié)能：電站雖然是電力生產(chǎn)單位，但同時(shí)也是用電大戶。主泵功率大，所以主泵的節(jié)能研究意義深遠(yuǎn)。結(jié)構(gòu)與材料：軸封，軸承以及過(guò)流部件都是泵中的易損件，其使用壽命直接影響著泵的檢修周期。目前對(duì)軸承和密封的研究較多，雖然也對(duì)材料進(jìn)行不斷改進(jìn)，但其提升空間仍然很大。生產(chǎn)工藝和制造水平：零部件失效一般都因材料的表面疲勞破壞引起，而提高材料的表面加工精度和表面處理工藝都是降低疲勞破壞的有效方式。隨著數(shù)控加工，激光技術(shù)，熱處理工藝等技術(shù)的不斷發(fā)展，材料的表面質(zhì)量得到了改善，延長(zhǎng)了零部件的使用壽命，可靠性提高，但國(guó)內(nèi)的整體水平還處于國(guó)際邊緣，因此還有待進(jìn)一步提高。七、參考文獻(xiàn)1、 汪永平，趙守峰，袁玉俊等.2020年中國(guó)核能發(fā)