核反應堆冷卻劑泵

1、核反應堆冷卻劑泵姓名：張國玉班級：J動力（流體）1201學號：4121104013目錄一、 核反應堆冷卻劑泵的簡介3二、 核反應堆冷卻劑泵的結構特點3三、 核反應堆冷卻劑泵的工作原理5四、 核反應堆冷卻劑泵的分類5五、 核反應堆冷卻劑泵的現(xiàn)狀及其發(fā)展6六、 個人對核反應堆冷卻劑泵的見解9七、 參考文獻9一、 核反應堆冷卻劑泵的簡介1 功能反應堆冷卻劑泵(簡稱主泵)的功能是使冷卻劑形成強迫循環(huán)，從而把反應堆中產(chǎn)生的熱能傳送至蒸汽發(fā)生器，以產(chǎn)生蒸汽，驅動汽輪機做功。2 基本要求反應堆冷卻劑泵是壓水堆核電廠的關鍵設備之一，也是反應堆冷卻系統(tǒng)中唯一的回轉機械設備，對它的基本要求是：1) 能夠長期在無人

2、維護條件下安全可靠地工作;2) 便于維修，輔助系統(tǒng)簡單;3) 主泵轉動組件應能提供足夠轉動慣量，以便在全廠斷電情況下，利用主泵惰轉提供足夠流量，使反應堆堆芯得到適當?shù)睦鋮s;4) 過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、 核反應堆冷卻劑泵的結構特點特點：1.泵的葉輪和電機轉子連成一體2.密封殼體3.殼體外以設冷水冷卻4.屏蔽電機轉子浸水結構組成：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。即除考慮設計狀態(tài)外，還應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。在疲勞方面應對泵在設計壽期內(nèi)交變應力范圍作出估計，并進行疲勞強度分析。其結果均應滿足ASME鍋爐及受壓容器規(guī)范第III篇核一級部件的要求。關于泵殼最佳形狀，美國、德國根據(jù)分析及試驗資料，認為球形泵殼、徑向出水的設計方案與傳統(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，而帶來的優(yōu)點是設計強度高，工藝簡化，易于作探傷及產(chǎn)品質量檢查。泵殼材料，以美國西屋公司為代表的廠商采用18-8型不銹鋼鑄件。由于整體鑄造工藝困難，過去國外用三塊鑄件拼焊，1977年日本鑄出第一只不銹鋼

4、整體泵殼，重量約30 t。2）轉軸部件泵軸由徑向軸承（導軸承）及推力軸承支承。其中泵軸靠葉輪上方的是水潤滑導軸承，由于水的潤滑性能差，而且水的粘度隨溫度的升高而降低，因此潤滑軸承的水溫一般應控制低于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滑的導軸承。推力軸承能承受雙向軸向力。由于主泵轉速高，推力軸承功耗可達200 kW左右。為防止軸瓦溫度過高，在潤滑方式上采取了周密措施。兩只油潤滑導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。在泵軸穿過冷卻劑系統(tǒng)的承壓邊界處，采用三級相同的串聯(lián)布置的動壓密封。為了補充受控泄漏流（約0.8 ）和防止主冷卻劑進入軸密

5、封區(qū)域，需由化容系統(tǒng)提供注入水（約1.5 ）。KSB公司設計的特點是：即使注入水斷失，高壓密封水冷卻器仍有能力冷卻來自主系統(tǒng)的泄漏液。泵軸和傳動軸靠剛性端面齒聯(lián)軸器聯(lián)結。這種型式的聯(lián)軸器，在更換軸密封部件或碳質軸承后，能保證軸系具有良好的對中重現(xiàn)性?？傊?，轉軸部件結構復雜，是保障主泵機組可靠性的關鍵部件之一。3）飛輪對現(xiàn)有主泵機組來說，飛輪都裝在電機內(nèi)。當發(fā)生斷電事故時，飛輪是關系反應堆安全的重要因素，他的破壞將帶來嚴重后果，因此，飛輪采用優(yōu)質鍛鋼制成，并經(jīng)過100%超聲波探傷檢查。飛輪的主要功用是增加轉軸部件的轉動慣量，在斷電事故時，維持反應堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)必要的慣性流量，隨后依靠自

6、然循環(huán)，進一步帶走反應堆衰變熱量，以確保堆芯安全。主泵轉軸部件的功能與它的轉動慣量及轉速平方成正比，主泵惰轉時間特性主要取決于主泵機組轉動慣量。4）電動機主泵通常采用恒速鼠籠式感應電動機驅動。電壓為6000 V或6600 V，主泵同步轉速在用50 Hz電源時通常取1500 rpm，用60 Hz電源時通常取1200 rpm。與普通立式電動機相比，主泵用電動機在某些方面提出了更嚴格的要求。例如，對電機絕緣提出特殊要求，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，因而電機材料均應經(jīng)過輻照性能試驗。此外，主泵電機要求充分通風冷卻，一般采用空冷，再用設備冷卻水來降低電機的排風溫度。綜上所述

7、，應用于核電廠的冷卻劑泵，不僅結構復雜，而且工作條件苛刻，技術要求嚴格。為保證主泵長期可靠運行，研制的樣機不僅要在全尺寸主泵試驗回路上進行長期的考核運行，而且要模擬核電廠實際條件，進行規(guī)定的異常工況試驗，例如冷卻水斷失試驗，注入水斷失試驗等。用戶還要求提供泵在冷態(tài)和熱態(tài)運行條件下的性能曲線，以及啟動和惰轉性能曲線。三、核反應堆冷卻劑泵的工作原理反應堆冷卻劑泵機組是壓水堆核電站的心臟設備，其功能是將一回路中的反應堆冷卻劑進行升壓，客服冷卻劑在反應堆、蒸汽發(fā)生器，以及主回路管道中流動的阻力，促使反應堆冷卻劑以大流量通過反應堆堆芯，把堆芯中產(chǎn)生的熱量通過冷卻劑傳遞到蒸汽發(fā)生器。由于該安裝在反應堆廠房

8、的主回路中故通稱為-主泵。四、 核反應堆冷卻劑泵的分類反應堆冷卻劑泵可分為兩大類：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，早期的壓水堆動力裝置采用了屏蔽泵以解決密封問題。屏蔽泵又稱無填料泵，泵的葉輪和電機轉子連成一體，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。這種泵在核動力艦艇上早已使用，經(jīng)驗證明其工作是安全可靠的。美國、蘇聯(lián)、法國的早期核電廠也曾使用屏蔽泵，但是存在以下問題：1) 屏蔽泵效率低。一般泵組效率只有50%70%，例如法國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機組，主泵效率僅52%。對于大容量核電機組來說，顯然不夠經(jīng)濟

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

10、低。隨著對核電廠安全性和經(jīng)濟性要求的提高，并為適應大容量機組的要求，軸密封泵技術已趨成熟，它具有下列優(yōu)點：1) 采用常規(guī)的鼠籠式感應電機，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) 電機部分裝設一只很重的飛輪，因而大大提高了機組的惰轉性能，提高了發(fā)生全廠斷電事故時反應堆堆芯的安全性。3) 軸密封技術可以同樣嚴格控制泄漏量，把安全殼的泄漏量控制在200 左右。4) 維修方便，軸密封結構更換僅需十小時左右。軸密封泵自1965年第一次作為壓水堆核電廠主泵使用以來，已經(jīng)迅速取代了屏蔽泵的地位。但是，在某些場合下，例如艦船核推進，金屬鈉冷快堆，某些試驗研究堆等，屏蔽泵仍起重要作用

11、。五、 核反應堆冷卻劑泵的現(xiàn)狀及其發(fā)展1 屏蔽式反應堆冷卻劑泵示例為美國核潛艇Nautilus號核動力裝置使用的反應堆冷卻劑泵。該泵輸送壓力為14 MPa的冷卻劑，在3550 rpm時流量為900，揚程為95 m。該泵由裝在一個能承受系統(tǒng)全部壓力的密封容器內(nèi)的屏蔽電機驅動。電機的定子繞組按常規(guī)結構制造，用一層薄的屏蔽套使電機線圈隔離，因此電機定子是干的，沒有放射性元素對線圈帶來的危險。屏蔽套一般用因科鎳（Inconel）或哈斯特羅（Hastelloy）合金制造。由于轉子浸沒在液體中，回轉阻力高以及屏蔽套有渦流損失，因此效率較低。 轉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電動機的間隙，徑向與止推軸承構成強制循環(huán)，以此進行潤滑和冷卻。電機內(nèi)所產(chǎn)生的熱量通過盤管式熱交換器，由低壓的設備冷卻水導出。2 軸密封式反應堆冷卻劑泵 壓水堆核電廠采用的軸密封式主泵一般為立式單級離心式或混流式泵。美國西屋公司是反應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額定流量時的揚程，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標準轉動慣量，231846362967電機額定功率，kW514758825882同步轉速，rpm150012001500以德國KSB公司為代表的反應堆冷卻劑泵與西屋公司的產(chǎn)品基本結構形式不同。上述兩種典型產(chǎn)品的基本結構比較如下：第一種結構（西屋型）： 主要特征是泵軸與電機軸剛性聯(lián)結。轉軸部件由三支點支承，推力軸承置于頂部，并與電機的高位徑向軸承相結合。這種型式的優(yōu)點是結構緊湊，機組高度低。但對電機軸和泵軸的對中要求十分嚴格。第二種結構（KSB型）： 主要特征是泵軸與電機軸柔性聯(lián)結。機組

14、轉軸分為三段電機軸、泵軸及傳動軸（或稱主推力軸承軸），泵軸與傳動軸之間則用剛性聯(lián)結。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頂部的輔助推力軸承）。這種型式的主要優(yōu)點是泵軸及電機軸的對中要求有所降低。在檢修軸密封時，只需拆開泵軸與傳動軸之間的剛性聯(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，不需拆下電機即可檢修或更換軸密封。這種型式的缺點是機組較高，推力軸承的負荷稍大。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，說明結構特點。該泵用于秦山核電廠，為立式、單級、導葉式混流泵（國外有時也稱離心泵）。其主要設計參數(shù)見表2。表2 

15、秦山核電廠主泵設計參數(shù) 流量16100揚程75 m汽蝕余量60 m轉速1488 rpm泵/電機總效率79%設計壓力17.2 MPa設計溫度350電機額定功率4500 kW電機電壓6000 V電機額定電流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、導葉式混流泵（國外有時也稱離心泵）。其主要參數(shù)如上表所示。該泵由泵殼及其安全端、轉子部件、軸密封部件、軸承部件、油系統(tǒng)、軸封水和設冷水系統(tǒng)組成。機組總高9.5 m，反應堆冷卻劑從底部軸向進水，水平徑向排出，從傳動端看泵為逆時針方向旋轉.秦山核電二期工程和大亞灣核電站都是采用100D 型反應堆冷

16、卻劑泵(RCP)，大亞灣主泵是法國日蒙公司按照20 世紀70 年代從美國西屋公司引進的技術和法國RCC-M 標準制造的；而秦山二期工程主泵是1995 年由西屋公司設計的產(chǎn)品，除主泵泵殼是按照RCC-M 標準制造外，其它部件完全是按照ASME 等美國規(guī)范制造的。 目前國外生產(chǎn)軸封式主泵的廠家很多，美國有西屋、拜倫杰克遜、賓漢等公司。其中西屋公司的產(chǎn)品最多。法國的法馬通公司、意大利菲亞特公司、比利時的ACEC公司和日本三菱高砂制作所等，引進了西屋公司的技術，它們都能生產(chǎn)上述主泵。德國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。國外主泵生產(chǎn)廠家競爭非常激烈，美國西屋公司為了保持領先地位，總在

17、不斷更新主泵結構。 我國反應堆冷卻劑主泵的設計和制造水平與發(fā)達國家的差距非常大，國內(nèi)所有在運行和在建的核電站冷卻劑主泵全部是從國外采購的。只有出口巴基斯坦恰?，斠黄?0萬千瓦核電站的主泵是沈陽水泵廠和哈爾濱電機廠與西德合作生產(chǎn)制造，國產(chǎn)化率達到50%。 其中泵殼是由中國第一重型機械集團加工制造，核泵軸、導流罩、隔熱體等30余種關鍵部件的大鍛件是中科院沈陽金屬研究所負責研制的，機械密封等關鍵部件是從國外進口的。沈陽水泵廠還建立了主泵綜合試驗回路，該回路是沈陽水泵廠參考大量國外資料自行設計開發(fā)建造的試驗臺架，能滿足300MW1300MW核主泵性能，測試和運轉考核試驗?？刂婆c儀表部分完全模擬核電站主

18、泵控制設計要求，可考核主泵聯(lián)鎖設計的合理性及備測試儀表的可靠性。主要設計參數(shù)：工作溫度20288；設計溫度350，工作壓力315MPa；設計壓力17.16Mpa，流量最大27000m3/h，功率8500kW。沈陽水泵股份有限公司雖然是國內(nèi)唯一一家具有核主泵設計制造能力的廠家，但是在設計制造百萬千瓦級核電站主泵方面還有許多關鍵技術尚未突破。 六、個人對核反應堆冷卻劑泵的見解泵的節(jié)能：電站雖然是電力生產(chǎn)單位，但同時也是用電大戶。主泵功率大，所以主泵的節(jié)能研究意義深遠。結構與材料：軸封，軸承以及過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。目前對軸承和密封的研究較多，雖然也對材料進行不斷改進，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，熱處理工藝等技術的不斷發(fā)展，材料的表面質量得到了改善，延長了零部件的使用壽命，可靠性提高，但國內(nèi)的整體水平還處于國際邊緣，因此還有待進一步提高。七、參考文獻1、 汪永平，趙守峰，袁玉俊等.2020年中國核能發(fā)