AP1000核电给水泵系统设计及改进.pdf

( 与 开 发 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 1 3 0 2 0 1 0 A P 1 0 0 0 核电给水泵系统设计及改进 程亮 ，徐 智渊 ( 1 国家知识产权局专利局， 北京 1 0 0 0 8 8 ；2 中国电能成套设备有限公司，北京 1 0 0 0 1 1 ) 摘要：详 细介绍了核电给水泵系统 的作用 、常用设 计及特点 ，并针对 火电和核 电给水泵系统配置进行 了分析 。重点 就AP 1 0 0 0 核电给水泵系统的性能要求，系统组成，系统设计特点及最大点流量问题进行了详细说明。最后引 对A p l 0 0 0 核电给水泵系统 改进措施提 了建议。 关键词 ：A PI O 0 0核电 ；给水泵 系统 ；系统设计 ；系统改进 中图分类号 ：T M 6 2 3 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 99 4 9 2( 2 0 1 3 ) 0 20 0 4 20 5 Th e S y s t e m De s i g n a n d I mp r o v e me n t o f Fe e d - W a t e r P u mp S y s t e m 0 f AP1 0 0 0 Nuc l e a r Po we r Pl a n t CHENG Li a n g XU Zh i y u a n ( 1 S t a t e i n t e l l e c t u a l p r o p e y o f f i c e o f t h e P R C ，B e i j i n g l 0 0 0 8 8 C h i n a ；2 C h i n a P o w e r C o mp l e t e E q u i p m e n t C o ，L t d B e i j i n g l 0 0 0 1 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T hi s a r i t c l e d e t a i l e d d e s e r i b e d t h e f u n c t i o n， c u r r e n t d e s i g n a n d c h a r a c t e r i s t i c o f f e e d wa t e r s y s t e m o f n u c l e a r p o we r p l a n t ， a n d a n a l y z e d o r di n a n c e o f f e e d wa t e r s y s t e m b e t we e n n u c l e a r p o we r p l a n t a n d p o we r p l a nt Emp h a s i z e d t h e p e r f o r ma n c e ， s y s t e m C O i l l p o s e ， s y s t e m d e s i g n c h a r a c t e r s i c a n d n l a x flo w p o i n t o f API O0 0 Nu c l e a r P u we r P l a n t I n t h e e n d， p u t f o r wa r d t h e a d v i c e o f f e e d wa t e r s y s t e m o f AP1 0 0 0 Nu c l e a r Po we r Pl a n t Ke ywo r d s ：AP1 0 0 0Nu c l e a r P o we r ； f e e d w a t e r p u mp s y s t e m ； s y s t mn d e s i g n； s y s t e m i mp r o v e me n t 给水泵在电站辅机中占有重要 的地位 ，作为 二 回路的主要动力源 ，给水泵的功耗约为机组功 率 的2 ，其安全可靠运行 ，直接影响到整个电站 的安全性和可用率 。 给水泵 的作用是将除氧器 的水抽 出并升 压 ， 经高压加热器送到蒸发器 ，由于系统设置给水泵 的作用是使给水获得较高 的压力 ，以便能进人高 加后克服其中受热面的阻力 ，在高加出 口得到额 定乐力参数的蒸汽 。理论上给水在高加中吸热是 一 个定压过程，实际上由于存在压力损失 ，所以 给水泵出 口处是整个系统 中压力最高的部位 。本 文针 对海 阳核 电给水泵系统 的改进项 目，探 析 A P I O 0 0 核 电给水泵系统的设计及改进。 1电站给水泵系统常用设计及其特点 1 1 给水泵常用配置特点及系统组成 电站给水泵驱动方式主要有小汽机驱动和电 动机驱动两种 ，配置方式有两汽一 电 、两 电+ 一 备 、j电+ 一备 、三电 ( 无备用 )等。为提高给水 泵运行的经济性 ，大容量机组都采用变速调节的 高速给水泵 ，转速为 5 0 0 08 0 0 0 r rai n 。在同样 的流量和扬程条件下 ，采用高速给水泵 ，可 以减 少泵 的体积 ，减轻泵 的重量 ，节省材料 ，提高运 行可靠性 - 。 给水泵传送的流体是 高温的饱和水 ，发生汽 蚀的可能性较大 。要使泵不发生汽蚀 ，必须使有 效汽蚀余量大于必需的汽蚀余量。泵必需的汽蚀 余量 随转速的平方成正 比地改变 ，因此 ，高速泵 所需 的汽蚀余量 比一般水泵高得多 ，其抗汽蚀性 能大大下降 ，当滑压运行 的除氧器工况波动时极 易引起汽蚀 。为防止给水泵汽蚀 ，每台给水泵前 都安装一台低速前置泵。前置泵的转速较低 ，所 需的汽蚀余量大大减少，加之除氧器仍安装在一 定高度 ，故给水不易汽化。当给水经前置泵后压 力提高 ，增加 了进入给水泵的人 口压力 ，提高 了 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 9 1 9 r 丁 ， _ _ T r _ 1 i 4 2 i 程 亮 等：A P 1 0 0 0 檬 电给水泵系统设计 及改进 研究与 泵的有效汽蚀余量 ，能有效地防止给水泵汽蚀 ， 并可大幅度降低除氧器的布置高度 。 汽 动 给水泵 系统 ：汽动 给水 泵系 统 比较 复 杂 ，除主设备给水泵汽轮机 、主给水泵和前置泵 外，还有高低压供汽系统、润滑油系统、排油烟 系统 、轴封系统 、疏水系统 、排汽系统 、盘车装 置 以及一套 比较复杂的电液控制 系统 ，任何一个 系统出现故障，都会影响汽动给水泵的可靠性。 系统 图如图 1 所示。 1 蒸发器2 汽轮机3 发电机4 J 、 汽机5 给水泵组 图1 汽动给水泵方案 电动给水泵系统 ：电动给水泵系统则相对简 单，其主要设备为前置泵、电机 、主给水泵、齿 轮箱 ( 或液力耦合器)15 1 ，辅助系统主要是润滑油 系统 ( 如图2 所示 ) 。 1 蒸发器2 汽轮机3 发电机4 前置泵5 主给水泵 图2 电动给水泵方案 1 2 常规火电配置 大机组常规火 电给水系统通常配置两台 5 0 容量的汽动给水泵作为经常运行，一台3 0 容量 的电动调速给水泵作 为机组启动和汽动给水泵故 障时的备用泵。电动给水泵在机组正常运行期间 处于热备用状态 ，当汽轮机甩负荷或汽动给水泵 突然 出现故障时 ，电动给水泵能立 即投入运行 。 电动 给水泵 能够 自动 跟踪 汽动给水泵 的运行 状 态 ，并可以与汽动给水泵并列运行 。 1 3其他核 电配置 大亚湾 、岭澳一期核 电：每台机组配置三 台 主给水泵 ( 两汽一电) ，正常工况时两 台汽动泵运 行 ，一 台电动泵备用 ，汽动泵最大容量 为6 5 额 定给水流量 ( 大亚湾 ) ，汽动泵最大容量为 7 5 额 定给水流量 ( 岭澳一期) 。电泵为3 0 额定给水流 量。岭澳二期核 电：每台机组配置三台主给水泵 ( 三 电) ，每 台电泵 5 0 额定给水流量 ，正常工况 时两台电泵运行 ，一 台电泵备用 。 2 海阳核电给水泵系统设计分析 海 阳核电一期工程根据 A P 1 0 0 0的标准设计 ， 采用 3台3 3 3 容量的 ( 额定给水流量2 5 4 8 m h ) 电动定速主给水泵组并列运行 ，不设备用给水泵。 2 1 性能要求 每台主 给水泵 的设 计功 能为 ：在前 置泵 以 1 4 9 0 r mi n 和压力级 泵 以4 7 5 0 r ra i n 运行 时 ，能 以 7 4 5 MP a 的扬程输送 6 3 0 k g s 的流量 ，因此每 台主 给水泵 的功率 为 8 1 0 0 k W，主要参 数表 如 表 l 所示 表 1 山东海阳核电给水泵 参数表 其中：工况A 对应于 l 0 0 正常负荷工况； 工况B 对应于增加给水需求，以补充蒸汽发 生器 的水装量损失 ； 工况 C对应于调节阀全开工况。 与开发 2 _ 2系统组成及描述 主给水泵 由前置泵 、齿轮箱 、电机 、压力级 泵组成( 如图3 所示) 。 图 3 A P 1 0 0 0 核 电给水泵流程图 来 自除氧器 的水经过 电动隔离阀和临时滤网 进入前置泵 ，然后进过流量孔板 和永久滤 网进入 压力级泵 ，经过压力级泵升压后 的给水经过 出口 逆止阀和电动隔离阀送到高压加热器 。 2 3系统设计特点 ( 1 )采用电动泵 ，而非汽动泵 海 阳核 电选用 电动给水泵的原因主要 和主机 选型有关 。大机组 常规火 电机组均是全速机组 ， 参数较高 ，新蒸汽全部为过热蒸汽 ，由于给水泵 汽轮机 的效 率较高 ，长期运行效率可观 ，因此采 用汽动给水泵作为运行给水泵已基本达成共识。 对于核 电机组 ，由于蒸汽参数较火 电机组低 很多 ，新蒸汽为带一定湿度的饱和蒸汽 ，汽轮机 为了考虑蒸汽除湿，内功率有所降低，特别是主 机采用半速机后 ，选用汽动给水泵与 电动给水泵 在运行经济性方面相差不大 。大亚湾及岭澳一期 选 择汽动 给水泵原 因是这 两个 电厂都 选用 全速 机 ，由于当时主机末级 叶片加工技术无法满足 ， 因此发 电机组 的轴系无法太长 ，因此 限制了汽缸 排气面积，为降低主机排汽损耗，提高主机低压 缸末级效率，因此选用汽动给水泵。而岭澳二期 主机采用 的是半速机 ，低压缸末级效率得到提高 ， 因此选择采用电动给水泵。海阳核电汽轮机采用 日 本三菱与哈动联合供货的半转速 ( 1 5 0 0 r m i m )凝 汽式汽轮发电机组 ，型式为单轴、中间再热、四 缸六排 汽 ，因此选 用 电动 给水泵 的方案是可行 的 。 ( 2 )采用三台电泵 ，没有备用泵 根据 A P 1 0 0 0的标准设计 ，每台机组只设置三 台容量分别为 3 3 3 的电动给水泵 ，而无需备 用。根据 A P 1 0 0 0的设计理念 ，给水泵设备可用率 很高 ，且一旦出现单 泵跳 闸的问题时 ，可以通过 调整给水调节阀调节 S G的水位 ，并且与核岛进行 连锁后降到 7 0 功率运行。该设计理念对系统设 计而言相对简单，但对给水泵的制造要求大大增 加 。特别是海 阳项 目给水泵 由上海 电力修造总厂 与日本三菱联合制造，对于第一次接触核电项目 的国内总承包公司，风险较大。 ( 3 )采用齿轮箱 ，取代耦合器 采用齿轮箱的定速泵理念 ，而非采用耦合器 进行调节，使系统比较简单 ，但是在实际的运行 工况变化多样 ，采用定速泵后或多或少会使流量 大于或小于实际的要求 ，对系统的经济性影 响较 大 ，但提高了系统运行 的简便性和安全性。 2 4 关于最大流量点 问题 采用定速泵无备用后 ，最大的问题是如何解 决单泵跳 闸后系统最大流量点的问题 ，而该问题 又与上述 的设计理念有直接的联系。 2 4 1 给水调节阀的工作原理 图 4 为 冲量给水调节示意图。当正常运行 期 间 ，通过装在给水 出口管路的给水调节阀开度 调节向S G的供水量。 A P 1 0 0 0 机组高负荷时，投人三冲量调节给水 调节模式 ，通过 S G水位 、给水流量和蒸汽流量 的 图4 三冲量给水调节示意图 程 亮 等 ：A P 1 0 0 0 核 电给水泵系统设计 及改进 测量值来控制给水调节阀开度，保证S G 水位在设 定范围内波动。 如图5 所示，当单台给水泵跳闸时，由于蒸 汽 给水流量不匹配，需立即触发R u n b a c k 快速降 至7 0 负荷，反应堆控制棒下插 ，通过降低功率 来 减 少 S G的 产汽 量 。 汽机 调 节 汽 门快 关 ，以 1 0 0 负荷 分钟的速度在 l 8 秒时间降负荷至7 0 。 流量 ( ma h )7 0 l o 0 图5 单泵跳闸后运行工况示意图 瞬态初期 ，给水流量小于蒸汽流量 ，蒸发器 水位持续下降。通过三冲量调节 ，给水流量调节 阀开度将增大 ，减小调节阀的节流阻力 ，降低运 行给水泵出 口背压 ，克服 S G与除氧器间的差压 ， 来增加给水总量，缓和S G水位下降。此时两台运 行给水泵的水量远大于给水泵额定给水量 ，出现 了给水泵 的最大流量工况点 。 单台给水泵跳泵 ，给水流量降低，给水管路 沿程阻力 降低 ，运行泵背压降低 ，每台泵供水量 略大于额定流量 ，为 A 一 B 。 给水调节阀开度增加，管路阻力迅速降低以 进一步增加供水量 ，为 B 一 C，C点处给水泵流 量最大 ，扬程最低 。 待S G 水位开始回升，给水调节阀关小以保证 汽水量平衡 ，为 C 一 D。 根据 WE C提供的 R u n b a c k 过程给水流量瞬态 曲线分析 ，两台给水泵处于最大工况点的供水量 相当于三台泵总给水量的8 8 8 。即最大流量工 况点每台泵提供4 4 4 总给水量，为给水泵额定 流量的 1 3 3 3 。为了满足单泵跳闸R u n b a c k 瞬态 工况下，S G 对给水流量的需求，海阳项目给水泵 的流量 、扬程和电机功率有足够设计裕量。运行 给水泵在瞬态期间的最大工况点流量为额定流量 的 1 3 3 3 ，此时给水泵扬程相对额定流量扬程下 降约0 8 M P a ，但可以向S G正常供水。正常运行 时 ，主给水调节阀为节流运行 ，每台给水泵 的出 口有 0 8 MP a 消耗在主给水调节阀上 。此时 ，给水 泵的扬程裕量被 主给水调节 阀节流吸收 ，造成潜 在经济损失。 3 海阳核电给水泵系统设计的改进 3 1目前海阳核电给水泵系统存在的问题 由于海阳核电给水泵系统不设置备用给水 泵 ，假定每年 因一台给水泵停运而被迫 7 0 功率 运行一天 ，损 失 电量为 9 0 2 万 k Wh ，上 网电价按 0 4 0 元 k Wh 计 ，损失 3 6 0万 元 年 。机组 在 额定 负荷 时，给水调节阀节流运行 ，开度仅 6 0 ， 阀 门阻力 在 0 8 9 MP a以上 。对 应消耗 电功 率大 约 2 4 0 0 k W ( 忽略给水节流升温回收的能量) ，按 年运行7 0 0 0 h ，上网电价0 4 0 元 k Wh 计算 ，每年 因主给水调节阀节流损失 2 4 0 0 x 7 0 0 0 x 0 4 = 6 7 2万 元 年，即运行三年的经济损失与一台给水泵组的 价格相当。另外 ，主给水调节阀节流较大也使阀 芯易磨损 ，影响寿命 。 3 2改进措施 ( 1 )配置一台备用泵 为了避免标准 A P 1 0 0 0 核 电机组主给水泵配置 的缺陷，采用三运一备给水泵的配置方案。每台 给水泵额定给水流量与标准 A P 1 0 0 0 给水泵相 同， 为 2 5 4 8 m t l ，3台 3 3 3 容量给水泵运行 ，备用 泵投联锁作热备用 。当单 台运行给水泵跳闸时 ， 备用泵联启 ，在 7 秒后达到额定转速 。可 以迅速 平衡跳泵造成的水量波动，S G 水位和机组负荷略 有降低后，逐渐回复稳定。机组在跳泵期间保持 稳定 ，不需要触发R u n b a c k 。 ( 2 )采用液力耦合器调节 采用液力耦合器的调节方式，使给水泵能针 对不 同的工况点进行调节 ，调节方式较灵活 ，能 同时满足给水泵最大点流量问题及正常运行工况 时的能耗。 3 3改进措施优缺点分析 ( 1 )采用备用泵的优势在于：s G 水位和机 组负荷扰动小；由于跳泵瞬态期间，给水量波 ( 与 开 发 动减小 ，运行给水泵不存在最大工况点 ，给水泵 设计扬程相对一期给水泵可降低约 0 8 MP a ，可大 大节省设 备初期投资 的费用 ；在实际运行工况 中，主给水调节阀节流阻力可降低约 0 8 MP a ，可 节省能耗；运行每台主给水泵电机容量可降低 约7 0 0 9 0 0 k W；增加系统的安全性，一台主给 水泵停运不影 响机组 出力 ，机组可以长期满功率 运行 。 缺点在于 ：给水泵和主给水调节阀需重新 设计 ；常规岛厂房内增加一台给水泵，影响内 部空间；给水泵主要设备部件与一期原有设备 不能互通使用；单泵跳闸瞬态期间，s G 水位的 调节过程及对核岛的影响需分析校核 。 ( 2 )采 用夜 里耦合 器 的优 势在 于 ：调节灵 活 ，能 同时满足最 大点运行 工况及 正常运行 T 况 ，减少正常运行时的能耗。 缺点在于 ：液力耦合 器较齿轮箱结构复杂 ， 增加一个故障点 ，增加了运行维护的工作 。 4 结束语 总的说来，由于 A P 1 0 0 0 主给水泵系统配置的 缺陷 ，造成选择 的给水泵扬程裕量过大 ，上述改 进是充分考虑了海 阳核电运行的特点提出的。特 别是采用 j = 用一备 的给水泵系统配置方式 ，将大 大提高给水泵系统运行 的安全性及稳定性 ，减少 了因给水泵故障所引起的核岛反应堆跳闸及降功 率运行 的风险 ，从而为核 电站 的安全高效运行提 供 技术保证。 参考文献： 1 陈娟，田瑞航 核电半速机组给水泵驱动方式的选择 J 广东电力，2 0 0 5( 8 ) ：3 8 4 1 2 1杨诗成，王喜魁 泵与风机 M 北京：中国电力出 版社 2 0 0 6 3 G B f F 5 0 2 6 5 9 7 泵站设计规范 S 4 丘传忻 泵站 M 北京 ：中国水利水电出版社 ， 2 0 04 5 全 国化 工设备设计技术 中心站 3 2 业 泵选 用手 册 M 北京：化学工业出版社，2 0 0 6 6 本书编委会 岭澳核电工程实践与创新一 设计管理与采 购卷 M1北京：原子能出版社 ，2 0 0 2 7 李梅 核电站给水泵及相关设备的改进 I J 1电力建 设 2 0 0 1 ( 9) ：4 0 4 2 第一作者简介 ：程亮 ，女 ，1 9 8 1 年生 ，陕两 安人 ，硕 L 研究乍 ，_ 程师。研究领域 ：泵及 缩机技术 ( 编 辑 ： 向 飞) +一 + +- +一 +- + +一 +一 +一 +- +一 +- +- +- +一 +- + +一 +一 +- +- +一 +一 +- + 卜- 卜 一 一 - +- 一- 一- 卜 卜- 氢燃料电动机车在西南交通大学问世 近 日，由西 南交通 大学历时 4 年 自主研发 ，功率 为 1 5 0 k W的 氢燃料 电池 电动机 车 “ 蓝天 号” ，在西南交大铁道专用线上成功运行 。实现大功率环境下燃料 电池、永磁 同步 电机等 多项技 术突破的该型机车，未来可广泛用于工程作业车、检修车和站场调车等轨道交通领域 。 氢燃料 电池动力具有清洁、高效 、安全和能源转化率高、比功率高等特点，被称为本世纪最 有前途的 “ 绿 色能源” 。作为新能源的产业化应用 ，具有高度稳定性和 “ 零排放”等特点的氢燃 料 电动机车，目前正为欧美各 国高度重视并大力发展。 “ 蓝天号”氢燃料 电池电动机车采用 1 5 0 k W燃料 电池作为牵引动力，2台1 2 0 k W永磁 同步电 机作为 牵引电机 ，设计时速每 小时6 5 k m、持续牵引力为2 O k N、牵引重量 2 0 0 t ，装满氢气可轻 载连 续运行 2 4 h 。 “ 蓝天号”的研发设计思路与氢燃料动力新能源汽车类似 ，是将氢气能源与空气中的氧气通 过化学反应产生电能，并提供给大功率永磁电机进行驱动 ，重点突破 了大功率运行环境下的控制 系统集成、燃料电池及永磁 同步电机等控制技术。由于其共产物为水，且不产生任何有害气体排 放 ，特 别适合在 相对密闭的地铁 、隧道 、矿 山等环境下使 用。下一步，工程 中心将 以此为依托 ， 继续研 究以氢燃料动力与电池动力为基础的混合动力电动机车，并尽快 实现产,3 E 4 。 + I + l + + l + +一 +一 +一 +一 +- +- +- +- +- + +- +- +一 +一 +- +- +一 + +一 +- +- +。 +。 +。 +。 +。 +。 +。 +。 +。 + +。 卜 t 。 T。 t 。 。 十 。 t ， 。 t 。 。 t 。 十 。 十 + 。 + ， t 。 t ， ，