AP1000屏蔽式主泵倒轉(zhuǎn)運(yùn)行分析

摘要：AP1000主泵是大型屏蔽泵在核電機(jī)組的首次應(yīng)用，因其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其運(yùn)行方式也十分特別。文章介紹了AP1000主泵特有的倒轉(zhuǎn)運(yùn)行模式以及倒轉(zhuǎn)運(yùn)行對(duì)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(xiàng)。

關(guān)鍵詞：AP1000；屏蔽式主泵；倒轉(zhuǎn)運(yùn)行；再生制動(dòng)；核電機(jī)組 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 概述

AP1000核電機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)包含兩個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路包含一個(gè)熱段、兩個(gè)冷段及并列運(yùn)行的兩臺(tái)冷卻劑泵（以下簡(jiǎn)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(gè)泵組外殼是一回路壓力邊界的一部分。4臺(tái)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(dú)立的10.5kV、50Hz中壓母線取電，每臺(tái)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(dòng)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(diǎn)：（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(guò)渡段，降低了環(huán)路的壓降，簡(jiǎn)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(xiǎn)；（3）主泵沒(méi)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(jī)上設(shè)置了兩個(gè)鎢合金飛輪，以提高泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，延長(zhǎng)惰走時(shí)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(dòng)時(shí)的功率，從而最大限度地縮小了電機(jī)尺寸，同時(shí)滿足50Hz電網(wǎng)的要求，通過(guò)變頻器把50Hz的電能轉(zhuǎn)換為60Hz。另外，還因?yàn)樽冾l器的再生制動(dòng)功能，使主泵倒轉(zhuǎn)在AP1000電站中也是允許的。

2 AP1000主泵的運(yùn)行特點(diǎn)

在主系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，需要點(diǎn)動(dòng)主泵進(jìn)行動(dòng)態(tài)趕氣，并在滿足主泵啟動(dòng)條件時(shí)啟動(dòng)主泵對(duì)主系統(tǒng)升溫升壓。關(guān)于主泵啟動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速，為了增加停堆冷卻工況下發(fā)生瞬態(tài)時(shí)主泵軸承潤(rùn)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?yàn)檩S承潤(rùn)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(shí)間，增加RCP低速運(yùn)行時(shí)的升速速率，將主泵0rpm或-300rpm啟動(dòng)升速至425rpm過(guò)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(shí)，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(dòng)到-300rpm過(guò)程中，其升速速率設(shè)定為0.5Hz/sec。在RCP升速和降速過(guò)程中，在50%和88%轉(zhuǎn)速平臺(tái)設(shè)置一個(gè)10分鐘的停留時(shí)間，目的是使軸承各部分的溫度達(dá)到均勻。

AP1000沒(méi)有設(shè)計(jì)成部分主泵運(yùn)行在低功率水平，所以在額定功率運(yùn)行期間，如果一臺(tái)泵發(fā)生故障，電站就會(huì)停堆。如果電站處于低功率的水平，此時(shí)一臺(tái)泵停運(yùn)，不會(huì)引起停堆，可以通過(guò)變頻器將其他的泵降低到一個(gè)較低的轉(zhuǎn)速，然后將跳掉的泵重新啟動(dòng)。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(dòng)一段時(shí)間，對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)是重要的。為了提供該流量，每臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑泵都裝有高密度的飛輪和高轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)完成對(duì)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(tái)主泵在運(yùn)轉(zhuǎn)。為了獲得附加的噴淋流量，可以兩臺(tái)主泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。一臺(tái)主泵運(yùn)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(lái)完成對(duì)堆芯的冷卻。當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑溫度低于177℃，壓力達(dá)到2.76～3.10MPa范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)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(guò)熱交換器后，通過(guò)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(guò)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(yùn)行所要求的最小壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，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(yùn)行所要求的最小壓力；（2）當(dāng)RCS的溫度降到了82℃時(shí)，經(jīng)化學(xué)容積控制系統(tǒng)向RCS添加過(guò)氧化氫（H2O2），以降低RCS中的放射性。在注H2O2的全過(guò)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(yùn)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(jì)劃停閉的水平，則可以停閉正在運(yùn)行的反應(yīng)堆冷卻劑泵。

3 主泵倒轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)于機(jī)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?yàn)橹鞅玫牡罐D(zhuǎn)可能引起電機(jī)啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)致啟動(dòng)力矩過(guò)大和機(jī)械部件的損壞。對(duì)于一般的屏蔽泵也是不允許倒轉(zhuǎn)的，因?yàn)榈罐D(zhuǎn)可能會(huì)使泵發(fā)生氣蝕，失去平衡，影響泵的揚(yáng)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(dòng)以及泵的損傷。

3.1.2 對(duì)于電機(jī)的損傷。傳統(tǒng)壓水堆核電廠的主泵不允許倒轉(zhuǎn)，是因?yàn)槿绻鞅玫罐D(zhuǎn)，在合上主泵斷路器后，電機(jī)定子中有電流流過(guò)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子此刻在反轉(zhuǎn)，它又會(huì)在定子中感應(yīng)出一個(gè)磁場(chǎng)，這時(shí)主泵就相當(dāng)于一個(gè)異步發(fā)電機(jī)，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與定子中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，且無(wú)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(guò)高時(shí)會(huì)破壞定子絕緣。此外，定子電流磁場(chǎng)施加在轉(zhuǎn)子上的力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，增加了泵啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)力矩，會(huì)增加啟動(dòng)電流，加劇定子繞組的發(fā)熱，還可能會(huì)造成電機(jī)部件的機(jī)械損壞和緊固件的松動(dòng)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(yùn)行工作原理

對(duì)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(duì)于電機(jī)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(wèn)題。變頻器的變頻和調(diào)壓功能是通過(guò)改變可控硅的導(dǎo)通角來(lái)達(dá)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(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化來(lái)的電能就會(huì)使變頻器的貯能電容的電壓升高，升高到一定程度時(shí)，電壓就會(huì)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(guò)可控交變流器反饋給電網(wǎng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)把倒轉(zhuǎn)時(shí)主泵的貯能送到電網(wǎng)上而不會(huì)對(duì)電機(jī)造成影響。同時(shí)定子電流的磁場(chǎng)作用在轉(zhuǎn)子上的力會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減慢至零轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。變頻器有了再生反饋能力，可以實(shí)現(xiàn)靈活的主泵啟動(dòng)。在主泵啟動(dòng)的過(guò)程中，四臺(tái)主泵相繼啟動(dòng)。在第一臺(tái)主泵啟動(dòng)后，其余的主泵均倒轉(zhuǎn)運(yùn)行。但是在第二臺(tái)主泵供電以后，第二臺(tái)主泵受到制動(dòng)的電磁功率的作用，轉(zhuǎn)速逐漸下降到零，同時(shí)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的能量通過(guò)再生反饋回路傳遞給電網(wǎng)。在第二臺(tái)主泵轉(zhuǎn)速下降到零之后，變頻裝置才控制第二臺(tái)主泵逐漸升高速度至300rpm。其余泵的啟動(dòng)過(guò)程與第二臺(tái)主泵相同。AP1000主泵在轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速（1800rpm）的-85%～100%時(shí)，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(yùn)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(duì)其他系統(tǒng)的影響

根據(jù)主泵布置的特點(diǎn)，主泵的倒轉(zhuǎn)在任何環(huán)路上都有可能發(fā)生，且每臺(tái)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(dòng)余熱排出熱交換器PRHR。對(duì)于CVS，因?yàn)樯铣涑隹诠芫€裝有逆止閥，所以不會(huì)出現(xiàn)倒流，但CVS的凈化流驅(qū)動(dòng)力來(lái)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(duì)于PRHR，如果1環(huán)上的一臺(tái)主泵發(fā)生倒轉(zhuǎn)，不會(huì)引起熱端冷卻劑的倒流，根據(jù)上表，一臺(tái)泵倒轉(zhuǎn)，其最大的倒轉(zhuǎn)流量是-9107.7m3/hr，而另一臺(tái)的流量此時(shí)為22371.8m3/hr，所以此時(shí)熱端流量仍然是正向流，不會(huì)影響到PRHR的功能。但是如果1環(huán)的兩臺(tái)主泵都發(fā)生倒轉(zhuǎn)了，那么環(huán)路的冷卻劑流向就會(huì)反向，PRHR的功能就不能實(shí)現(xiàn)，這種情況是不允許的。所以AP1000在運(yùn)行上也要做到杜絕這種情況的發(fā)生。一環(huán)的兩臺(tái)主泵不能同時(shí)停運(yùn)，設(shè)計(jì)上把同一環(huán)上的兩臺(tái)主泵分別放在兩條獨(dú)立的中壓母線上，防止單一故障引起兩臺(tái)泵同時(shí)跳閘。另外在運(yùn)行規(guī)程中也對(duì)這點(diǎn)特別強(qiáng)調(diào)，提醒操縱員注意。

第二，對(duì)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(gè)系統(tǒng)，堆芯補(bǔ)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(dòng)作，所有的主泵都停運(yùn)，倒轉(zhuǎn)影響不大。對(duì)于RNS會(huì)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(shí)壓頭不會(huì)那么高，所以RNS仍然可以通過(guò)DIV注入，能滿足堆芯余熱的導(dǎo)出。

5 結(jié)語(yǔ)

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(yàn)階段，再生制動(dòng)功能使得主泵允許倒轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增加了RCS系統(tǒng)的可用性。但由于沒(méi)有可參考的同類型泵的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，使泵的運(yùn)行和維護(hù)存在一些不確定的因素，對(duì)于運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)，前期需要充分了解主泵的設(shè)計(jì)規(guī)范和運(yùn)行特點(diǎn)，制定可靠的、執(zhí)行性強(qiáng)的運(yùn)行規(guī)程以及嚴(yán)格的行政管理程序來(lái)保障主泵的可靠運(yùn)行。另外，也需要對(duì)主泵可能的故障作風(fēng)險(xiǎn)分析，制定應(yīng)對(duì)策略和維護(hù)方案，提高主泵的可用性。

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作者簡(jiǎn)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(yùn)行。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）