屏蔽泵在核電中的發(fā)展和應(yīng)用

王川 高亞強(qiáng)

摘要：本文主要介紹了在核電廠的發(fā)展歷程上屏蔽泵的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了屏蔽泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)以及屏蔽泵的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：核電；屏蔽泵；反應(yīng)堆冷卻劑泵；濕定子泵

泵的種類應(yīng)有盡有，被廣泛應(yīng)用于化工、石油、電力、食品等多個(gè)領(lǐng)域，并且在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)等各個(gè)行業(yè)也發(fā)揮著重要的作用。其中，屏蔽泵作為泵類設(shè)備中非常特殊的一種，由于其具有結(jié)構(gòu)特殊、功能特殊等特性，因此越來越為大家注意。又因其能夠達(dá)到絕對無泄漏，符合當(dāng)今人類社會(huì)安全與環(huán)保的主題，目前在化工、石化、醫(yī)藥、紡織、制冷、航天、核電、軍工等領(lǐng)域已充分采用。本文主要針對屏蔽泵在核電中的發(fā)展和應(yīng)用做以重點(diǎn)介紹。

我們都知道傳統(tǒng)的離心泵都是靠軸封密封完成的，其中，軸封分為機(jī)械式和填料式兩種，但是不論哪種軸封都不能完全達(dá)到無泄漏。在最早應(yīng)用的特殊化工行業(yè)中，存在各種易燃、易爆、劇毒等介質(zhì)：例如：液氯、光氣、環(huán)氧乙烷等，這些介質(zhì)一旦泄露到空氣中，就會(huì)對人體造成致命的危害，對環(huán)境造成難以估量的損失。正是在這種情況下，為了贏求絕對、完全地?zé)o泄漏，屏蔽泵應(yīng)運(yùn)而生。屏蔽泵是指將定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別置于密封金屬筒體內(nèi)的屏蔽電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、泵殼與驅(qū)動(dòng)電機(jī)外殼用法蘭密封相連，取消了泵軸動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的泵。追溯其歷史，距今大概已經(jīng)有一百多年了?，F(xiàn)在，屏蔽泵在核電行業(yè)中也逐漸被廣泛采用。始建于1954年，服役于1958年，已于1982年停運(yùn)的世界上第一座“專一民用核電站”美國希平港原子能發(fā)電站的反應(yīng)堆冷卻濟(jì)泵（即主泵）就是采用屏蔽泵。核電中的反應(yīng)堆冷卻劑具有高溫、高壓、高輻射等特點(diǎn)，而使用無泄漏的屏蔽泵作為主泵，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)簡單，省去了軸承潤滑油系統(tǒng)和復(fù)雜的軸封系統(tǒng)。下圖1為基本型的屏蔽泵，主要由電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子部件（軸）、葉輪、泵體、耐磨板、定轉(zhuǎn)子屏蔽套、軸承等幾部分組成。從上圖可以看出屏蔽泵的幾大特點(diǎn)：

1、電機(jī)和泵連成一體，與傳統(tǒng)的軸封泵和電機(jī)通過聯(lián)軸器相連有很大的區(qū)別，傳統(tǒng)的軸封泵通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，轉(zhuǎn)子位置是固定的，而屏蔽泵的轉(zhuǎn)子是動(dòng)態(tài)的，只有當(dāng)軸向力平衡時(shí)才能在某一位置達(dá)到平衡，當(dāng)介質(zhì)的特性如溫度、壓力、粘度等發(fā)生改變時(shí)，該轉(zhuǎn)子也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，換言之，同一臺(tái)屏蔽泵，輸送不同工況的介質(zhì)或者不同的溫度壓力等，平衡狀態(tài)是不一樣的?；诖耍P者得出這樣結(jié)論：想用好屏蔽泵，就一定要控制好軸向力。

2、電機(jī)轉(zhuǎn)子和泵軸為共用；即電機(jī)的轉(zhuǎn)子也是泵軸，兩者合二為一；

圖1 屏蔽泵結(jié)構(gòu)圖（基本型）

3、定子屏蔽套：定子屏蔽套是安裝在定子鐵芯里孔內(nèi)的一個(gè)很薄的金屬隔套，與定子里孔完全接觸，保證介質(zhì)與電機(jī)定子完全隔離，由于屏蔽泵轉(zhuǎn)子完全浸泡在介質(zhì)中，為減少屏蔽套內(nèi)產(chǎn)生的渦流損失并減少溫升、改善電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，屏蔽泵必須是采用非磁性、高電阻材料，并在保證其強(qiáng)度的條件下越薄越好，與轉(zhuǎn)子屏蔽套的間隙越小越好。據(jù)筆者了解，幾乎所有定子屏蔽套都是采用的Hastelloy C合金，厚度一般不超過0.6MM。也許大家會(huì)感覺這么薄怎么能承受介質(zhì)的壓力呢？這樣理解是不正確的：定子屏蔽套并非承受介質(zhì)壓力，只是起到隔離作用，其外部通過定子鐵芯和兩端的支撐筒（或叫加固套）來承擔(dān)。還有一種衍生出來的新的屏蔽泵就是濕定子泵， 這種泵甚至連屏蔽套也沒有，下文繼續(xù)介紹。

由于美國希平港核電站的順利竣工，吹響了歐美以及日本核電大發(fā)展的號角。在接下來的二十世紀(jì)六七十年代，全球興起了一波核電建設(shè)的浪潮。考慮到核電的經(jīng)濟(jì)性，這一時(shí)期建設(shè)的核電發(fā)電功率都在300MW以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出希平港的60MW。由于當(dāng)時(shí)屏蔽泵的制造難度及在制造工藝等各方面尚未成熟，同時(shí)當(dāng)時(shí)的屏蔽泵并不能滿足壓水堆核電廠的惰轉(zhuǎn)要求，但使用軸封泵可以通過設(shè)置很大的飛輪達(dá)到該項(xiàng)要求，所以在這一時(shí)期建設(shè)的核電站幾乎全部采用軸封泵，而放棄了屏蔽泵。我國的大亞灣核電站就是引進(jìn)的法國該時(shí)期的技術(shù)路線，而在大亞灣基礎(chǔ)上改進(jìn)型的嶺澳一期及正在建設(shè)的二代改進(jìn)型百萬千瓦壓水堆核電站兩個(gè)共用機(jī)組只采用了八臺(tái)核三級屏蔽泵，主要用于輔助廠房中硼酸的輸送以及硼回收系統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑的輸送。以上幾臺(tái)小的屏蔽泵由于溫度和壓力等工況不是很高，所以都和正常的屏蔽泵區(qū)別不大。

屏蔽泵和普通離心泵的分類形式基本相同，下文重點(diǎn)說明的是按照安裝方式的不同分為臥式和立式兩種。至于究竟選擇哪種安裝方式，則要根據(jù)廠房布置以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的因素來綜合考量。前面提到的八個(gè)核電用的屏蔽泵考慮到泵型較小，因此均采用臥式安裝。但是對于我們現(xiàn)在引進(jìn)的美國西屋公司第三代AP1000核電技術(shù)，它的主泵就是立式安裝的屏蔽泵。其充分考慮到立式安裝具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用面積小、易于系統(tǒng)布置等方面的特點(diǎn)。隨著世界制造工業(yè)的發(fā)展，核電行業(yè)也突飛猛進(jìn)，以前受制于大型屏蔽泵制造難度的問題現(xiàn)已不復(fù)存在。目前，AP1000的主屏蔽泵電機(jī)功率都達(dá)到幾千個(gè)千瓦，這在以前是很難想象的。我們都知道屏蔽電機(jī)的損耗高，發(fā)熱嚴(yán)重，定子屏蔽套使定子成為一個(gè)封閉區(qū)域，這樣定子鐵芯和繞組的冷卻只能靠溫度梯度產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)散熱。繞組端部由于散熱困難，成為溫度場中的熱點(diǎn)。屏蔽泵的電機(jī)設(shè)計(jì)原理是散熱困難，需盡可能的做到細(xì)而長，但是由于廠房及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的原因，我們又不可能把電機(jī)設(shè)計(jì)過長。因此，針對核電反應(yīng)堆回路的高溫、高壓以及惰轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，我們在原有基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做了一些特殊的設(shè)計(jì)，如：

1、電機(jī)繞組采用較高的絕緣等級；

2、通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有效的冷卻來降低電機(jī)各部分的溫度：

圖2 AP1000屏蔽泵結(jié)構(gòu)圖

a 在泵部分和電機(jī)之間設(shè)置迷宮密封阻隔泵殼腔內(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；

b設(shè)置外置熱交換器冷卻回路，通過外接冷卻水來冷卻電機(jī)的定轉(zhuǎn)子；

c在電機(jī)外殼設(shè)置冷卻水夾套，外接冷卻水來帶出電機(jī)定子發(fā)出的熱量；

d設(shè)置上下兩個(gè)飛輪。前面也提到了核電惰轉(zhuǎn)的要求，就是在電源喪失后反應(yīng)在一段時(shí)間內(nèi)維持一定的通過反應(yīng)堆的流量，以充分冷卻堆芯。同時(shí)，對設(shè)備冷卻水喪失惰轉(zhuǎn)能力不應(yīng)產(chǎn)生影響。在發(fā)生廠外和廠內(nèi)電源喪失事故并伴隨安全停堆地震時(shí)，主泵的惰轉(zhuǎn)能力也應(yīng)保持。為了滿足這個(gè)要求，每臺(tái)主泵應(yīng)裝有飛輪和慣量較大的轉(zhuǎn)子，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用于維持惰轉(zhuǎn)期間的冷卻劑的流量。屏蔽套直徑不能太大，就不能采用較大的長徑比，因此，最終確定設(shè)置兩個(gè)飛輪（上下各布置一個(gè)），材料被確定為鎢合金，它可在有限體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

此外，沸水堆上所使用的主泵，也算一種非常特殊的屏蔽泵，也叫濕定子泵，意思就是說電機(jī)的整個(gè)定子里都是充滿介質(zhì)的，把前面我們講到的定轉(zhuǎn)子屏蔽套全部去掉，內(nèi)部磁損較少，提高了機(jī)組的可靠性和效率。那如何提高提高濕定子泵的可靠性呢？關(guān)鍵就在于提高濕繞組電機(jī)絕緣系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，因此所采用的絕緣線包裹導(dǎo)電銅線的質(zhì)量以及引出線密封絕緣結(jié)構(gòu)這兩個(gè)問題就變得尤為重要。目前，濕定子泵在核電中主要應(yīng)用于沸水堆中，并且已經(jīng)積累了上千堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)表明，濕定子泵的一次檢修壽命長、效率高。

再有就是臺(tái)山EPR三代核電技術(shù)，是從法國引進(jìn)的第三代核電技術(shù)路線，單機(jī)容量達(dá)到1700MW，是世界上單臺(tái)核電裝機(jī)容量最大的核電機(jī)組。雖然主泵并未采用屏蔽泵，但是其輔助系統(tǒng)等則多處使用屏蔽泵，兩臺(tái)機(jī)組加起來數(shù)量有上百臺(tái)之多。由此可見，屏蔽泵正越來越引起大家的重視，其使用范圍也越來越廣泛。

綜上所述，隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，核電將扮演越來越重要的角色，特別是對運(yùn)轉(zhuǎn)泵的密封性、可靠性、使用壽命等都提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)及更為嚴(yán)格的要求，筆者堅(jiān)信屏蔽泵的優(yōu)勢會(huì)隨著新型核電各機(jī)組的發(fā)電及穩(wěn)定安全運(yùn)行而被核工業(yè)所熟悉和認(rèn)知，發(fā)揮舉足輕重的作用。

參考文獻(xiàn)：

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