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摘要：回顧了PWR核電廠冷卻劑主循環(huán)泵（主泵）從屏蔽電泵到軸封式泵的技術經(jīng)歷與發(fā)展，從核安全要求達成的技術共識，以及自主化技術背景下主泵的技術風格與流派。介紹了主泵技術的改進與創(chuàng)新，以及采用非能動安全系統(tǒng)、優(yōu)化及簡化的NSSS中，第三代PWR主泵有關的問題。
5 L0 j* A6 R6 B/ b' O關鍵詞：壓水堆冷卻劑主循環(huán)泵（主泵）技術經(jīng)歷技術風格與流派技術共識設計準則改進與創(chuàng)新非能動安全系統(tǒng) 內置泵堆內泵

1前言

      壓水堆（PWR）核蒸汽供應系統(tǒng)（NSSS）中，反應堆冷卻劑主循環(huán)泵（下稱主泵）是唯一的轉動設備，它的可靠性直接影響到反應堆的安全運行。按ASME核設備的安全等級分類標準，主泵是屬于核安全一級。
% u# C. a  J3 z       主泵在軍事和商用上問世之初，即受到廣泛關注，技術性能與可靠性進步很快。進入軸封式泵的時代，主泵的商用化要求泵的設計必須采用最成功的經(jīng)驗。在美國甚至成立了一個公用事業(yè)顧問委員會，幫助評論和改進軸封式泵的早期設計。有實力的知名泵制造廠商，致力于自主研發(fā)主泵，進入核電市場。資源匱乏而急于發(fā)展核電的國家，則全面引進核電技術，其中也包括主泵的技術。國際上主泵發(fā)展的經(jīng)歷表明，自主開發(fā)和技術引進兩種模式都獲得了成功。在政府推動下，核電技術自主化進程進展迅速。不同技術背景的自主化，形成了不同技術風格的主泵，并且長期并存。3 H; H  U+ t, N: s; f' n8 Y
      本文回顧了主泵技術發(fā)展經(jīng)歷，主泵技術上的共性及不同的技術風格與特點，技術上的改進與創(chuàng)新，對第三代核電技術的主泵的有關問題作了初步探討，相信對于發(fā)展我國自主的主泵技術的思路上會有所啟迪。

2 主泵的技術經(jīng)歷和技術流派

起源于軍用反應堆的屏蔽電機主泵，在商用試驗堆上被優(yōu)先選用，軸封式主泵則被研發(fā)，試用并定型于300MW級的商用堆。盡管主泵在發(fā)展的初期，或多或少有些知識產(chǎn)權上的局限，但是美國和歐洲都經(jīng)歷了相類的發(fā)展階段。1955—1965年是屏蔽式電機泵向軸封式泵發(fā)展的重要階段，核電機組容量為200-300MW等級，大都是屬于試驗性的商用堆。1965—1970年為商用堆發(fā)展的過渡階段，機組容量為400-650MW，軸封式主泵在此期間得到了充分的發(fā)展與完善。主泵技術的成熟期是在1970—1980年，NSSS有了3個環(huán)路的標準設計，單環(huán)路功率為300-350MW，機組功率為900-1000MW。主泵功率由4000kW提高到6500kW。1980年以后，開發(fā)了4環(huán)路NSSS的標準設計，機組功率達到了1300-1500MW。
& f! u( J7 n- U+ Z0 u 美國是領先發(fā)展核電的國家，世界上430多座核電站中，大約有四分之一建在美國。通用電氣公司（General Electric Corp., GE）和西屋電氣公司（Westinghouse Electric Corp., WH）分別致力于沸水堆（BWR）和壓水堆（PWR）核電技術的開發(fā)。關于主泵這一重要的設備，兩家集團公司有不同的經(jīng)營政策，通用公司是從著名的泵制造廠商采購，西屋公司安排下屬的以生產(chǎn)電機為主業(yè)的電氣機械分部（Electro-Mechanical Division, EMD）研發(fā)主泵，為西屋設計NSSS的配套。在歐洲，核電的發(fā)展基本上與美國同時起步，ABB，KWU等核島設備總包商，在主泵上選擇了與GE相同的政策，向泵、閥的專業(yè)制造廠商采購。不同的產(chǎn)品主業(yè)和專業(yè)技術，不同的制造工藝和生產(chǎn)設備，不同的技術底蘊和傳統(tǒng)經(jīng)驗，在開發(fā)有相同的核安全一級的技術質量要求的PWR主泵任務中，體現(xiàn)了各自的技術風格，形成了不同的技術流派。

2．1 三軸承軸系的美式風格主泵

為西平港（Shipping Port）商用試驗堆提供了屏蔽電抗式氣軸封泵后，西屋公司開發(fā)了用于單環(huán)路功率為150-170MW NSSS配套的63型軸封式主泵。該型號泵1963年首先安裝在康涅狄格州（Connecticut）的揚基（Yankee）300MW核電機組，1965年用于南加州（S.California）圣奧諾弗來（San Onofre）核電站的450MW機組，進行了改進和完善。軸密封和密封系統(tǒng)中的問題，大部分是在這個電站中解決的。單泵最長運行42，000小時，隨后完成了初步設計定型。63型泵的運行參數(shù)為：% E9 I( X" f# X
流量 Q=61，900 gpm (14,018 m3/h): |6 w! b6 g1 c6 H- E
揚程 H=240 ft (73 m): F( u+ M: u$ p5 ~# n
轉速 n = 1,180 rpm (60HZ)
2 x* x2 c1 ~* d9 h電機功率 Nm = 4,000 HP (2980 KW)! i. p+ r: @" W) Z! f: P
定型的主泵結構設計即是所謂的三軸承支承的軸系結構(圖1)：

（圖1 三軸承軸系結構主泵）

---------電機軸與泵軸用剛性聯(lián)軸器直聯(lián)，雙向主推力軸承布置在電機頂部，與電機兩個油潤滑導軸承中的上部導軸承組合成一體式結構。在泵部分的第三個導軸承是水潤滑軸承。
1 s9 C7 m* t( J' k: Y W--------軸密封系統(tǒng)由三道密封組成：第一道是可控泄漏密封，第二道是特殊設計的端面機械密封，第三道是端面機械密封，有2 呎（610 mm）液柱的背壓，防止干磨和汽化，形成了西屋特色的軸密封系統(tǒng)的基本形式。
! ~! [0 r2 M% l-------泵機組的結構剛性，轉子動力學以及電機與泵之間的軸系對中問題，是結構設計、計算和制造、安裝中的關鍵點。3 w$ m4 u% ?6 z! ~8 v
在以后的十多年的發(fā)展PWR軸封式主泵的鼎盛時期中，以電機制造為主業(yè)的EMD一直基于這種三軸泵結構，進行主泵的研究和完善工作。應該說明的是，除了主泵外EMD的核電產(chǎn)品還有反應堆的控制棒驅動機構和一回路中的核級閥門上，EMD主泵系列中的型號列于表1。

表1 西屋公司的軸封式主泵

附注：; s/ }. r* N7 ]/ c' m
1）泵的名義流量（gpm）除以1000得到的數(shù)字表示主泵型號。* \5 w7 x9 z5 c! {; q6 D! [4 n. ~
2）泵型號后的英文字母表示電源頻率，A代表60HZ，D代表50HZ，字母后的數(shù)字1表示第一次改進設計。; y# O. `9 Q6 T# E, p7 b+ G& l
3）數(shù)字后無字母的泵型號，是西屋公司的國內用泵，均為60HZ電源。
  ~# y  @3 Y' r, B       作為壓水堆NSSS技術的領跑者和技術的轉讓方，西屋公司成為外國核電技術受讓方公司的仿效對象，甚至在產(chǎn)品結構和生產(chǎn)體系上也加以模仿。" D" g9 j# B8 |9 E: q+ V1 W
      法國法馬通核能公司（Framatorne ANP）下屬的日蒙公司（Jeumont AG）是西屋主泵技術的受讓方，它是一家傳經(jīng)的電氣旋轉機械制造商，主導產(chǎn)品是電動機和柴油發(fā)電機組。
1 X! L) l7 O7 U* l+ V/ v2 D( h, `+ [       1965年日蒙公司為位于休斯（Chooz）的法國第一座商用核電站250MW機組提供了4臺屏蔽電機式主泵和控制棒驅動機構。1960年代下半葉，從93D型號起步得到西屋公司主泵許可證轉讓技術，到1979年底已建造和正在建造的主泵超過了100臺，成為法國唯一一家生產(chǎn)PWR軸封式主泵，反應堆控制棒驅動機構和和快中子增殖堆（FBR）的液態(tài)金屬鈉循環(huán)的制造公司。! {/ b+ `4 k9 H% l0 T( X# J
      日本是較早發(fā)展核電的國家之一，走的也是引進技術發(fā)展核電的道路。從美國購買成套核電設備的同時，引進相應的技術，東芝（TOSHIBA）和三菱重工（MHI）分別引進了美國GE公司的BWR和西屋公司的PWR核電技術。1968年關西電力（株）采購了63型主泵用于美濱一號340MW核電機組，1970年又采購了兩臺93A型主泵用于美濱二號500MW核電機組，三菱重工（MHI）則引進了93A型主泵技術。引進主泵技術的受讓方，高砂制作所（TAKASACO Machinery Works， TMW）是MHI的設計和制造大型旋轉機械的主要工廠，其主導產(chǎn)品是核電和火電主汽輪機，燃氣輪機，水輪機，風機與壓縮機，泵及冷凍設備。從西屋公司引進的93型，93A型和100型主泵的國產(chǎn)化和研究改進工作都在該工廠實行。1979年國產(chǎn)化，93A型泵用于九州電力（株）的玄海1號560MW核電機組。1987年國產(chǎn)化的100D型泵用于北海道電力（株）泊1號580MW核電機組。' f' J+ r( w9 @2 Q" ?3 X8 L) O
      比利時的主泵技術受讓方ACEC也是一家電機制造商，從美國聯(lián)合離心泵公司（United Centrifugal Pumps，UCP）引進了API 610標準的石化工業(yè)泵系統(tǒng)。并升級轉化為用于PWR的核2、3級泵。1970年代引進西屋公司主泵技術后，為400MW等級機組提供主泵，隨后發(fā)展為本國1000MW級核電機組提供93D型和100D型主泵。) y/ ?# K$ v' R) `" y$ p& I  h
      西屋公司EMD和其它主泵技術受讓方公司至少為全球一半以上的PWR核電站提供了這種三軸承結構的美式風格主泵。應該說明的是，同一時期中，美國著名的泵制造公司，比如拜化-杰克遜公司（Byron-Jackson，BJ），賓漢-威里梅特公司（Bingham—willamette limited，BW）研發(fā)的主泵，只能按三軸承結構的設計柜架生產(chǎn)，才能納入西屋公司主泵供貨商的名單地。他們更多的是向美國沸水堆（BWR）核電站的總包商GE公司提供BWR用的主泵。兩種主泵的驅動電機大多數(shù)是選擇GE的產(chǎn)品。
) |! q9 @# f! s6 K  v. w" |+ ]       美國另外一家核電站NSSS的總包商，燃燒工程公司（Combustion Engineering，CE）在美國建立了與KSB  AG合資的泵公司CE-KSB，全面引進KSB AB的包括主泵在內的核泵技術，為自己的核島系統(tǒng)配套主泵。

2.2 四軸承軸系的歐式風格主泵

歐洲有實力很強的集團公司設計常規(guī)火電站，并制造成套主要設備。在核電發(fā)展初期，他們很快地介入了核電市場，比如西門子（Siemens），ABB和KWU，主泵是從著名的泵制造商如KSB AG，Sulzer 等公司采購。主泵與不同集團的電機產(chǎn)品匹配時有不同的技術接口，泵與電機采用撓性聯(lián)軸器聯(lián)接，高參數(shù)的雙向作用推力軸承部件布置在泵的上部，是泵能與不同支承剛度和不同轉子動力為電動機匹配的最好的選擇。這樣便形成了四軸承軸系的歐式風格主泵(圖2)。在泵上增加一道與主推力軸承一體化的油潤滑導軸承，加上撓性聯(lián)軸器，除了使泵和電機軸的對中便利以外，機組的抗震設計和波動分析較容易分析和處理。

      德國KSB AG 和瑞士Sulzer兩家是采用風格相類似技術，自主研發(fā)主泵的泵、閥制造公司，都起步于軸封式主泵。1966年KSB AG為德國第一臺商用試驗堆，KWU的奧布里海姆(Obrigheim)  350MW PWR核電機組提供了首次研發(fā)的RER 700型主泵，技術參數(shù)如下：7 k" g4 \3 k4 |, S! ]! |4 {
流量 Q = 14,450 m3/h* q( i3 q; y# `/ S
揚程 H = 72 m
" D( |0 i. B1 K# x3 C6 p& ]轉速 n = 1485 rpm
0 Q+ r* _1 B& e' C" ?0 u4 {電機功率 Nm = 4200KW! ~& G& K3 n. |5 H. M* M: A
      Sulzer 起步稍遲一些，1968年 Sulzer Pumps 為荷蘭的波舍爾（Borssele）核電站 450MW的PWR機組生產(chǎn)了其首次研發(fā)的NPTVr 72-84型主泵。為了配合發(fā)展歐洲自己的，有球型安全殼的EPR設計，1971年Sulzer AG 和 KSB AG雙方投資在德國KSB AG總部法蘭肯塔爾（Frankenthal）建立了生產(chǎn)核級泵的合資企業(yè)Sulzer – KSB核電公司（SKK）。1974年Sulzer AG 出讓了SKK的股權，SKK合并入了KSB AG。此后為Siemens – KWU和西屋公司的PWR核電站 KSB AG 生產(chǎn)了超過100臺的主泵。6 [; B7 G( g' B1 F0 U
      泵制造廠商為西屋公司生產(chǎn)三軸承軸系的主泵時，盡管電機的供應商都是名牌電機廠，比如Siemens、ABB和GE等，在解決電機與泵對中的問題上，比西屋的EMD有更多的問題需要解決。為此，KSB AG為主泵研發(fā)了具有特殊球頂結構的，端面齒（Hirth型）半剛性聯(lián)軸器，很好地解決了這一問題。這也是GE 與 KSB AG 在美國建立合資企業(yè)的原因之一。
/ `' [1 ~1 E. k  y% k英國政府在壓水堆（PWR）、沸水堆（BWR）和氣冷堆（GCR）之間的徘徊中，選擇了氣冷堆。由于二氧化碳（CO2）作載熱劑上的技術限制，GCR核電機組的最大功率只能達到英國中央發(fā)電局（CEGB）規(guī)定的常規(guī)火電機組的標準功率660MW。盡管有開發(fā)以氦氣（He）作為載熱劑的高溫氣冷堆（HTGCR）的發(fā)展規(guī)劃，在1980年代末，CEGB還是選擇了壓水堆（PWR）作為1000MW級核電機組的堆型。6 B; j# v% P- ]+ c0 a% K4 H
      海沃特-泰勒（Hayward—Tyler & Co.,Ltd，HT）是美國最早開發(fā)PWR和BWR主泵的廠商。有趣的是，它的第一個核電主泵合同是出口合同，為意大利的科索（Caorso）核電站安裝的，美國GE公司的840MW的BWR提供可變轉速的軸封式主泵，來驅動堆內的噴射循環(huán)泵系統(tǒng)。% O( k, x, n/ N/ ^) Z
      反應堆主泵是包括反應堆在內的NSSS系統(tǒng)中不可分割的一部分。作為NSSS核設備制造的總包商，西屋公司選用EMD的主泵，法馬通公司選用日蒙公司的主泵是理所當然的。在著名的泵制造廠商逐漸淡出核電主泵市場的趨勢下，KSB AG的主泵卻一直在核設備市場上占有一席之地。主要的原因在于，這種歐式風格主泵在技術上，在運行可靠性上有顯著的優(yōu)點。國內進口的主泵運行實踐表明，KSB的主泵除了有高效率的水力特性外，盡管固有推力軸承原固泵機組高度比三軸承軸系主泵要高出約0.7m左右，但是在電機聯(lián)軸器卻估測得的旋轉軸的振動值（雙振幅），要遠遠低于美式風格的直聯(lián)泵，這已是一個不爭的事實。以Cr-Ni 鋼整體鍛造，用CNC機床加工，得出的閉式的混流泵葉輪來替代傳統(tǒng)的鑄造的主泵葉輪，是KSB AG在主泵上，把專業(yè)技術發(fā)揮到極致的一個典范。（未完，下期連載）

結構類型	Z	QL (m3/h)	NR (KW)	NE (KW)	N Th (KW)	QK (m3/h)
流體動壓式機械密封	2～3	0．001（1）	13.5	～1	8	3～5
流體靜壓式間隙密封	1～2	0．3～1.0	3	1～4	14～46	>QL
浮環(huán)密封	8	10～25 (2)	5～10	460～1000	460～1150	≈QL

比較內容	美國風格（WH為代表）	歐洲風格（KSB為代表）
產(chǎn)品生產(chǎn)體系	同時生產(chǎn)泵和電動機，向用戶提供主泵機組	只生產(chǎn)主泵，電動機外購配套
泵機組結構	電機與泵由剛性聯(lián)軸器聯(lián)接，主推力軸承布置在電機頂部，軸系中有三個徑向軸承	電機與泵由撓性聯(lián)軸器聯(lián)接，主推力軸承布置在泵上端部，軸系中有四個徑向軸承
泵殼材料	低碳不銹鋼整體鑄件	低合金鋼整體鍛件，內表面堆焊不銹鋼
軸密封系統(tǒng)	3道密封，No.1密封為靜壓密封，No.2密封為動壓密封，No.3為安全密封，每道密封可承受系統(tǒng)全壓力。	3道流體動壓密封，每道密封可承受系統(tǒng)全壓力。級間有級壓力分配器。
推力軸承部件	雙向可傾瓦式設計、有高壓油頂升裝置，浸油式潤滑。有外置管殼式冷油器，在鐃板泵作用下保持油循環(huán)。	雙向可傾瓦設計，有高壓油頂升裝置，浸油式潤滑，一體化內置冷油器，有鐃板泵與輔助葉輪保持油循環(huán)。設有安全排油箱
高壓冷卻器	內置式一體化設計，是熱屏組件的一部分，起隔熱作用。注入水中斷時，保證進入軸密封的水的溫度在允許的范圍之內。	外置式管殼型設計，由泵軸上的迷宮泵葉輪驅動在泵內循環(huán)。注入水中斷時，保證進入軸密封的水溫在允許的范圍之內。

制造廠商	(美)WH	(日)MHI	（美）BW	（德）KSB
泵型號	100D	100A	28x32x40 RDV	RER 750
流量Q（m3/h）	23,500	25,800	23,520	23,870
揚程H (m)	95	88	120	98
轉速n (rpm)	1490	1190	1190	1480
效率r (%)	84	>85	87	87(84)

模型泵	100D	100A	M728
流量Q（l/s）	306	274	216
揚程H (m)	10	8	8
轉速n (rpm)	1200	1200	1490
葉輪外徑（Dza mm）	357.4	331.7	288
模型縮比 λ	1/2.35	1/2.54	1/2.75
效率n D (%)	75	78.2	80.65
效率n BEP (%)	75	79.5	80.65

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