第六讲 冷却剂泵和稳压器

第六讲冷却剂泵和稳压器冷却剂泵（主泵）主泵又称冷却剂泵，用于驱动高温高压放射性冷却剂，使其克服回路中的压力损失而作强迫循环流动，连续不断地把堆芯中产生的热量传给蒸汽发生器，产生蒸汽，驱动汽轮机做功。压水堆核电厂的主泵目前有两种设计：一种是转子密封泵（屏蔽泵）；另一种是立式离心式轴封泵。反应堆冷却剂泵是压水堆核电厂的最关键设备之一，对它的基本要求是：o能够长期在无人维护情况下安全可靠地工作；o冷却剂的泄漏要尽可能的少；o转动部件应有足够大的转动惯量，以便在全厂断电情况下，利用泵的惰转提供足够流量，使堆芯得到适当的冷却；o过流部件表面材料要求耐高温含硼酸水的腐蚀；o便于维修。特点：电动机转子和泵体组装成一个全封闭结构，并装在同一只密封壳体内，因此消除了冷却剂外漏的可能性。屏蔽泵缺点：效率低（50%-70%）；惯性小（必须对供电的可靠性要求严格）；造价高（大部分零部件使用耐腐蚀材料）；维修不方便；容量小（功率最大为2260kW）。但在核动力舰艇，钠冷快堆以及一些实验研究堆等场合下，全密封泵仍发挥着重要作用。立式离心式轴封泵优点：电动机与泵体分开组装；电动机顶部装有一只很重的惯性飞轮；采用常规的鼠笼式感应电机，成本低，效率高（比屏蔽泵高10%-30%）；轴封技术可以严格控制泄漏量；维修方便。缺点：三道旋转密封圈只能保证15.5MPa压力与大气压之间的基本密封，还有微小泄漏量。大型压水堆核电厂采用的轴密封泵一般为立式离心式轴封泵，它的组成包括三部分：水力机械部件，轴封部件和电动机驱动部件。（一）立式离心式轴封泵的描述冷却剂主泵的水力机械部件主要包括泵壳、叶轮、泵轴、泵轴承和热屏等。水力机械部件1．泵壳镍-铬奥氏体不锈钢铸件，包含并支撑着泵的水力机械部件，是反应堆冷却剂压力边界的一部分。为了满足水力性能好、强度高、便于加工和探伤的要求，其形状近似于球形，进口接管在正下部，出口接管在叶轮的切线方向。2．叶轮用来以动能的形式把能量传递给反应堆冷却剂。叶轮安装在泵轴上，从顶部看叶轮是逆时针旋转的。由不锈钢铸成，有七个叶片，固定在泵轴的下端，并在轴端用螺母锁紧。直径833mm，重565kg。叶轮是泵的核心部件。靠叶轮的旋转使流体获取能量。3．泵轴承主泵轴承（径向轴承）用作主泵轴导向，以避免安装在轴末端的叶轮形成的悬臂过长。是一种具有石墨轴瓦的径向轴承，由来自化学和容积控制系统的部分水冷却和润滑，使通过轴承循环的水保持低温是重要的，高温将破坏石墨涂层，并使轴承损坏。4．热屏在泵壳和主泵轴承之间设有热屏，它是由一组同心的不锈钢蛇形管构成。它的作用是阻止来自温度为300℃的一回路水的热流沿轴上升，以避免轴承和轴封损坏，蛇形管内有来自设备冷却水系统的温度为35℃的水流动。在正常工况下，保证热屏以上处温度维持在90℃左右。设有热屏出口水温和流量测量系统及报警信号。轴密封部件是主泵的关键部件。立式离心式轴封泵采用了三道串联、可以控制泄漏量的轴封，将一回路15.5MPa的压力过渡到大气压，而又避免了一回路水泄漏到外界环境中去。轴密封部件三道轴封属于两种类型，1号轴封是带有光滑表面可控泄漏流体动态型轴封，由一个固定在轴上的旋转动环，和另一个不能转动的浮环组成，这两个不锈钢环的内表面覆盖着一层氧化铝，并经精密加工成光滑的“镜面”，没有弹簧，只受水力压力的作用。o位于泵轴承上方，它是密封组件中最重要的部件，又称主密封。o核电厂正常运行时，一回路处于加压状态；来自化容控制系统上充泵的轴封水具有足够压力，使第一道轴的两环之间形成一层约10m的水膜。其正常泄漏量为12L/min，其绝大部分通过位于轴封以上的管嘴返回到化容控制系统。第二、三道轴封是用弹簧组压紧的表面摩擦型的轴封。18-8不锈钢制成的旋转环的摩擦面上覆盖一层氧化铝，石墨环通过弹簧压紧在氧化铝上，并与泵的静止部分连成一体。（石墨）第二道轴封的作用是阻挡第一道轴封的泄漏，而当第一道轴封发生故障时，第二道轴封应能承受一回路的压力，并保持一段时间（30min），以便反应堆停闭。正常运行时，其泄漏量为7.7L/h，泄漏水被送到核岛排气及疏排水系统。第三道轴封的作用是阻挡第二道轴封的泄漏，它的泄漏流量特别小，为0.1L/h，可满足对轴封的湿润，泄漏水被送到核岛排气及疏排水系统；有来自硼和补给水系统的流量为10L/h的除盐水保证对第三道轴封的清洗，避免在轴封处有硼酸的结晶。泄漏水也被送到核岛排气及疏排水系统。冷却剂泵电动机是三相6600V，1500r/min，直接启动式电动机。正常运行功率约6-7MW。整个电动机驱动部件配有两个径向轴承和一个双向止推轴承，顶部有一个惯性飞轮。电动机轴是垂直安装的，可由一短轴把泵体与电动机连起来。电动机驱动部件转子、定子及电动机的冷却电动机为鼠笼式感应电动机。定子：由相互绝缘的高硅含量的钢片构成，圆筒形的，内表面有槽，用来放置对称的三相绕组AX、BY、CZ。转子：由迭放在一起的高硅含量钢环制成，装在转轴上，圆柱状。电动机的冷却：电动机用气腔内的空气冷却，以避免升温；在电动机出口，这些空气通过热交换器由设备冷却水系统的水冷却。径向轴承和止推轴承电动机驱动部件共有两个油润滑径向轴承（上部径向轴承和下部径向轴承）和一个双向止推轴承。下部径向轴承浸在下油池的油中，通过飞溅润滑保证正常运行。惯性飞轮和防逆转棘轮装置电动机的顶端装有惯性飞轮（重约6吨），它由高性能钢制成并经严格检验，在电源中断的情况下能延长泵的转动时间达数分钟，这段时间是确保紧急停堆安全所必需的。惯性飞轮还设有防逆转棘轮装置，以防止停运的主泵反转（一回路其它环路的主泵在运转）。冷却剂主泵是功率非常大的设备，为保证核电厂的安全，要求它能可靠地运行。在主泵启动和停运时，必须遵守某些基本原则如下：（二）主泵的运行冷却剂主泵启动的主要原则1．启动前一回路必须有足够的压力，以便可以：（1）防止主泵气蚀（液体汽化、汽泡产生、蒸汽凝结、汽泡破裂的整个过程及其一系列现象）；（2）保证第一道轴封的分离。由于第一道轴封是可控泄漏流体动态型轴封（避免投入运转时损坏，必须分离），只有当一回路压力大于2.3MPa时，它才能被“抬起”，冷却剂泵才能运转。2．必须打开第一道轴封的旁路管线。因为对第一道轴封，低压和过低的泄漏量不能保证泵轴承的正常润滑。只要第一道轴封泄漏量低于180L/h，旁路管线就一直开着。3．径向轴承和止推轴承要有正常油压和油位。为此，主泵启动前2分钟就必须使高压油泵运转，并且在冷却剂泵启动50秒后才允许停止。所提供的油压必须在4.2--10.0MPa之间，通常为9.0MPa。4．由于启动时载荷极大，因此每次只能启动一个电动泵组，每天最多启动次数限于6次。如冷却剂泵在停止后再次启动，则必须待电动机定子冷却后才能启动。5．冷却剂启动时，有关其它系统应具备的条件是：（1）化容系统在每台泵的热屏高度处必须有一股1.8m3/h的注入流量；（2）设备冷却水系统必须处于工作状态（油冷却器、电剂冷却器和热屏等）；（3）硼和补给水系统必须可用，以保证对平衡管进行补水和冲刷第三道轴封（防止硼酸结晶）。在发出停止冷却剂主泵运转指令之前，必须将高压油泵投入运行，直至冷却剂泵停止50s后。冷却剂泵停止的主要原则冷却剂主泵运行的极限工况当一回路冷却剂做硼化操作时，至少有一台冷却剂泵可利用或在运转；当气泡在稳压器中产生时，至少连至喷淋管路的某一个环路的冷却剂泵应该工作；如果可利用的或在运转的主泵不到两台，则不应将反应堆处于临界状态下，但低功率物理实验时可例外。参数转速：1485rpm流量：23790m3/h压头:92.7m电机功率：热态6490kW，冷态8685kW电压：6.6kV电源RCP01PO：LGDRCP02、03PO：LGA稳压器功能：1、压力控制；2、超压保护。其典型的几何参数为高13.64m，直径2.5m，上下端为半球型封头，总容积约40m3。净重约80吨。稳压器有气罐式和电加热式两种类型。气罐式稳压器是在水容积上部用压缩空气或高压惰性气体作为压力调节来源，由于压缩空气或高压惰性气体易泄漏，又易溶于水而玷污冷却剂，而且所需气体空间大，结构笨重，所以气罐式稳压器只在早期的核电厂中采用。在现代大功率的核电厂中，已由电加热式稳压器代替。分类稳压器由上、下封头和圆柱形直立筒体焊成，筒体材料选用和压力容器相同的低合金碳钢，内壁涂有不锈钢覆盖层。稳压器的描述稳压器的上部是蒸汽空间，顶端装有可降温降压的喷雾器；稳压器下部是水空间，电加热器浸没在水中，用来升温升压；底部为支撑裙筒，它支撑稳压器并保护电热棒的端子。筒体上设有维修用人孔，搬运用的吊耳。稳压器通过波动管与一回路系统某一个环路的热管段相连，波动管路上装有一个温度探测器。上封头有一组安全管嘴，与安全阀相连进行超压保护。电加热器：由78根电加热棒组成，每根电热棒套管中有镍铬合金电热元件，用氧化镁作绝缘。分为两组，一组为通断式加热组件，主要用于启动时的瞬态过程或系统压力下降比较大的情况，另一组为可调式加热组件，在压力小幅度波动时起作用，在稳态运行时，一方面补偿热量损失，另一方面补偿因连续喷淋所致的蒸汽冷凝。加热器的最小设计寿命为有效工作2万小时，每个加热元件可以单独更换。一回路的压力通过稳压器的水-蒸汽平衡状态来保持。由设在稳压器水空间内电加热器的加热和设在其顶部的喷雾器、安全阀组的冷却加以控制。（如右图）在压力低于整定点时启动加热器；一回路压力高于整定点时启动喷淋系统。稳压器压力调节根据稳压器水位与稳压器水位整定值之偏差信号自动控制化容控制系统的上充流量。稳压器水位调节当偏差信号达到低水位预定值时，自动启动备用上充泵；而当达到高水位偏差预定值时，自动启动备用的通断式电加热器组加热欠热水，并加大下泄流或减少上充水。1、作用凝结和冷却当稳压器超压时，通过卸压阀或安全阀排放到卸压箱的蒸汽，防止一回路冷却剂对反应堆安全壳可能造成的污染。稳压器卸压箱卸压箱是一个卧式的低压容器，它筒体的上部为氮气空间，装有一组喷雾器，筒体的底部沿轴线方向装有一根鼓泡管。蒸汽通过鼓泡管均匀排放到水中而冷凝。正常的情况下，卸压箱四分之三的容积为水，四分之一空间充氮气，水温被维持在49℃，在接受蒸汽排放后，水温增加，但不超过93℃。2、描述卸压箱的降温一方面是依靠来自硼和补给水系统的除盐水喷淋，另一方面依靠箱内蛇形冷却管，它由设备冷却水系统不间断地提供冷却水。卸压箱内充有氮气，箱内压力(额定压力0.12MPa)稍高于大气压，可以阻止空气的进入，氮气气压可以阻止一回路冷却剂所含有的氢与空气中的氧形成易爆混合物。如果箱内压力小于0.12MPa，由氮气分配系统充氮；如果箱内压力高于0.12MPa，就释放蒸汽。图2-31所示的超压保护卸压线路中，每条管线上有一只弹簧压力式安全阀，还有电动隔离阀。三里岛事故中，一回路升压导致卸压阀开启，卸压阀回座失效造成小破口事故。卸压阀缺乏位置指示和操纵员没及时发现卸压阀开启状态指示灯，造成了持续的泄漏。这暴露了超压保护装置在设计上的缺点。目前，多数大型压水堆核电厂采用先进的三个先导式安全阀组提供超压保护。超压保护每个先导式安全阀组由串联的两台阀门组成，如图2-32。一台提供卸压功能的上端阀门，称为保护阀；另一台下端阀门，其隔离作用，称作隔离阀。在正常运行期间，保护阀关闭，隔离阀开启。如果保护阀在开启之后再关闭失效时，则隔离阀关闭，防止反应堆冷却剂系统进一步卸压。保护阀的工作原理如下图。保护阀是自启动先导式阀门，由主阀部分和先导部分两个主要部分组成。主阀部分是一个液压启动随动阀。其下阀体带一个阀盘，座在喷嘴上，上阀体包含活塞，活塞表面积比阀盘表面积大，活塞使阀盘压住喷嘴；阀门的先导部分的先导活塞由稳压器压力启动，起压力传递和控制作用。运行时，稳压器压力低于保护阀的整定压力时，先到活塞的传动杆在上面位置，R1开启，保护阀关闭。稳压器压力升高时，传动杆向下，