反应堆冷却剂泵)

8
湿定子泵(图3.16)。 不用屏蔽套，定子绕 组也是湿的，采用特 制的绝缘导线 制成，水在电动机绕 组间循环以加强冷 却，泵的外壳与堆压 力容器壁焊在一起。 日本ABWR采用此种 泵。
9
3 轴封泵
优点： • 采用常规的鼠笼式感应电机，成本降低，效 率提高，比屏蔽泵效率高10%—20%； • 电机部分可以装一只很重的飞轮，提高了泵 的惰转性能，从而提高了全厂断电事故时反 应堆的安全性； • 轴密封技术同样可以严格控制泄漏量； • 维修方便，轴密封结构的更换仅需10个小时 左右。
（1）轴承 两个径向轴承和一个止推轴承。转子下端的径 向轴承浸在下油池中。转子上部的是径向轴承和适 于上下止推的双向金斯泊里型止推轴承的组合体， 放在上油池中，在泵工作时是自润滑的。止推轴盘 上有槽道，离心作用使油循环到外部油冷却器，再 由设冷水冷却。设置了一个泵启动时使用的止推轴 承油提升系统，以减小启动电流和防止轴承损坏。 小型高压油泵（顶轴油泵），在泵启/停前提升轴 瓦。 21
1 反应堆冷却剂泵概述
反应堆冷却剂泵（主泵）(Reactor coolant pump)的功能是为反应堆冷却剂提供驱动 压头，保证足够的强迫循环流量通过堆 芯，把反应堆产生的热量送至蒸汽发生 器，产生推动汽轮机做功的蒸汽。
1 反应堆冷却剂泵概述
基本要求： • 长期无人维护下安全可靠地工作； • 冷却剂泄漏尽可能少； • 能提供足够大的转动惯量； • 过流部件表面材料耐高温耐硼酸水腐蚀； • 便于维修。
ρ gqV H ρ qV H = P= 1000η 102η
47
4.1 叶轮泵的主要特性参数
汽蚀余量/净正吸入压头(Net positive suction head)NPSH 汽蚀(Cavitation)现象： • 流体动力作用→运动液体的局部压力低于 饱和压力→液体汽化形成汽泡→汽泡随液 体移动→到达区域静压超过饱和压力→蒸 汽凝结汽泡破裂→高频水力冲击→损伤构 件
13
3.1.1 水力机械部分 （1）泵壳
包容并支撑着泵的水力部件，是反应堆 冷却剂系统压力边界的一部分。泵壳是一个 外形呈准球状的不锈钢铸件，其出入口接管 焊接在一回路系统管道上。冷却剂从泵壳底 部沿叶轮轴线流入，向上经导流管进入叶 轮。通过叶轮后的冷却剂经扩散器后通过与 叶轮成切线方向的出口接管排出。
32
去疏水箱 自立管注入水 装弹簧孔
三号轴封
静环 去2号轴封泄漏管线 动环
泵轴
3.3 轴封泵的运行
反应堆冷却剂泵启动的条件： （1）有关的支持系统:
• 化容系统提供1.8 m3/h的轴封水； • 设备冷却水系统向电机的空气冷却器和油冷却器 提供冷却水； • 反应堆硼和水补给系统可用，以便（支持化容系 统）向立管及3号轴封供水； • 反应堆冷却剂泵电动机的电源是由非重要厂用电 供给，供电须保证。
27
1号密封
• 1号密封位于泵轴承上方，它是密封组件中 最重要的部件，又称主密封。 • 1号密封是一种密封表面彼此不接触的的流 体动力密封。液膜是由通过此级密封上下 游间的压降建立的，因而存在可控泄漏。 又称为“受控泄漏”。 • 压降约15.4MPa，泄漏量维0.7m3/h
28
静环
一号轴封
动环 轴中心线 a A2 f 拐点b A1 d e 断点a
（2）飞轮
• 一个飞轮用键固定在电动机轴的顶端，以增 加反应堆冷却剂泵机组的转动惯量，从而延 长泵的惰转时间 • 飞轮是关系到反应堆安全的重要部件。它的 破坏将带来严重后果，因此飞轮采用优质锻 钢制作,并经过100％超声波探伤检查。
22
• 主泵惰转时间与转动惯量的关系：
I=
ωη
P0
2 0 0
×
⎡ ⎣ n0 / n ( t ) ⎤ ⎦ −1
2号密封
• 2号密封的主要作用是阻挡1号密封的泄 漏，将其导向化容系统。它作为1号密封损 坏时的备用密封，在1号密封失效时，承受 全部运行压力，维持一段时间（30分钟） 以便停运反应堆冷却剂泵。 • 压降约0.35MPa，泄漏量维0.0076m3/h
30
装弹簧孔
2号轴封 泄漏去疏 水箱
二号轴封
1号轴封泄漏 去容控箱
轴流泵(Axial flow pump)
旋涡泵(Vortex pump)
混流泵(Mixed flow pump)
离心泵(Centrifugal pump)
4.1 叶轮泵的主要特性参数
体积流量(Volumetric flow)qv • 指单位时间内泵输送的流体体积，m3/h。 扬程(Lift/Head of delivery)H • 泵所输送的单位重量流体流经泵所获取的能 量，以液柱高表示。单位重量的液体所具有 的能量在水力学中称为水头(Head)。 转速(Revolving speed)n • 泵叶轮每分钟转数，r/min。
24
25
（4）电动机定子空气冷却器
电动机定子绕组是由空气冷却的。电动机 转子两端均带有风叶，电动机旋转时，风叶 强迫空气流动。空气冷却器管内有设备冷却 水通过。从安全壳吸入的空气经该空气冷却 器降温后流入电动机机架中的冷却槽冷却定 子绕组，然后排入安全壳大气中。
26
3.2 轴封组件
• 位于泵水力机械部分和电机之间，作用：保证在 电厂正常运行期间从反应堆冷却剂系统沿主泵泵 轴向安全壳气空间的反应堆冷却剂泄漏量基本为 零。 • 三级密封：自下而上依次称为1号、2号、3号密封 • 从化学和容积控制系统引来的高压纯净轴封水在 泵下部径向轴承和1号密封之间注入，之后一路向 下冷却泵轴承，一路向上进入密封段。
14
3.1.1 水力机械部分
（2）叶轮
叶轮由不锈钢铸成，有七个叶片，用热 装和加键固定在泵轴的下端，并在轴端用 螺母锁紧。叶轮是泵的核心部件。靠叶轮 的旋转使流体获取能量。
15
3.1.1 水力机械部分
（3）吸入导流管和扩压器
吸入导流管是一个不锈钢圆筒，用螺栓 固定在泵壳的内侧，把吸入流体引进叶轮中 心。 扩压器由不锈钢铸造而成，它有12个导 叶，位于叶轮外侧。扩压器的作用是降低在 扩压叶片之间的延伸流道中的流体流速。把 流体的速度头转换成静压头。
核电厂系统及设备 第四讲 冷却剂系统(2)
（2010—2011学年第二学期） 主讲：李然
1 反应堆冷却剂泵概述 2 屏蔽电机泵 3 轴封泵 3.1 总体结构; 3.2 轴封组件; 3.3 轴封泵的 运行 4 叶轮泵的一般特性 4.1 特性参数; 4.2 工作原理; 4.3 特性曲线; 5 离心泵的全特性曲线
（5）热屏组件
在叶轮与泵径向轴承之间装有热屏。阻止泵壳 内高温的反应堆冷却剂向泵上方的泵径向轴承和 密封组件的传热，使泵径向轴承免受高温。 由两部分组成：一是安装在导叶内侧的隔热套 （防护套筒）；二是叶轮与泵径向轴承间的由盘 管组成的扁平状热交换器，其内循环着设备冷却 水（35oC）
18
3.1.2 电机部分
驱动反应堆冷却剂泵的电动机是立式、 鼠笼、单速三相感应式，采用防滴结构(设 有电机绕组电加热器，停运后加热器自动 启动，防止受潮)，由空气冷却，而空气由 两台热交换器用设备冷却水冷却。 • 组成：轴承、飞轮、防逆转装置、电动机 定子空气冷却器……
19
补充知识：电机
• 三相异步电机可分为鼠笼式和绕线式
45
4.1 叶轮泵的主要特性参数
功率(Power) • 泵功率指原动机输送给泵轴上的功率，又 称为轴功率，记为P。有效功率是根据泵 的扬程与流量计算的功率，即在单位时间 内，泵对流经的液体所作的有效功率，记 为Pef，单位都是kW。
46
4.1 叶轮泵的主要特性参数
效率(Efficiency)η • 泵的有效功率Pef与轴功率P之比。泵在工作 时，由于存在水力损失（即流体在流道中 的摩擦和局部阻力），流量损失（由于密 封不严及流体回流），以及机械损失（部 件摩擦损耗），因而轴功率不可能完全转 变为有效功率。
49
4.1 叶轮泵的主要特性参数
• 在高频水力冲击（水锤作用）下，流道与 液体接触表面上产生局部应力和局部温度 升高，并产生噪声和振动。加上液体与零 件材料之间的化学和电化学腐蚀作用，最 终造成具有海绵状或蜂窝状特征的汽蚀损 坏。
50
4.1 叶轮泵的主要特性参数
可用汽蚀余量NPSHav • 流体进入水泵前所剩余的并能有效的加以 利用来防止汽蚀的这部分能量。
汽蚀现象
• 汽蚀是这样一种现象：由于流体动力作用，运动 液体的局部压力降低到液体温度下的饱和压力 时，液体就开始汽化而形成汽泡，汽泡随液体到 达静压超过饱和蒸汽压力的区域时，蒸汽突然凝 结而使汽泡破裂，这种破裂在很短时间内发生， 周围的液体以极高的速度向汽泡原来所占的空间 冲去，产生了强烈的高频水力冲击。从而使泵的 构件受到严重损伤。这种液体汽化--汽泡产生、 蒸汽凝结--汽泡破裂的整个过程及其一系列现 象，称为汽蚀。
34
（2）对泵的要求:
• 泵电机上下轴承的油位正常； • 2号密封下游立管的水位正常。
（3）对反应堆冷却剂系统的要求:
• 一回路的压力大于2.3MPa时，主泵才能启动，以 保证1号密封静、动环的分离。 • 防止泵发生汽蚀（见下一节）
35
图3.21 主泵运行曲线
压力 / MPa
主泵的操作要点： • 主泵启动前，需启动顶轴油泵，油压需高 于4.2MPa；主泵启动后50s顶轴油泵才能停 运。 • 主泵停运，须先启动顶轴油泵。
pv w p NPSH av = − + ρ g ρg 2g
2
p pv w
泵进口处绝对压力/Pa 液体在相应温度下的饱和压力/Pa 泵进口截面上的液体平均速度/m/s
1 反应堆冷却剂泵概述
• 反应堆冷却剂泵可分为两大类：屏蔽电机 泵和轴封泵。
5
2 屏蔽电机泵
结构特点: • 泵的叶轮和电机转子连成一体 • 密封壳体 • 壳体外以设冷水冷却 • 屏蔽电机转子浸水 早期PWR；核动力舰艇；钠冷快堆；AP1000
6
参见44页图3‐15
7
• 优点 密封性能好，运行安全可靠。 • 局限性 效率低（比轴封泵低10%~20%），屏蔽电动 机造价昂贵，容量小，不宜安装飞轮，转动 惯量小，维修不便。
10
3 轴封泵
现代压水堆核电厂使用最广泛的冷却剂泵 是立式、单源自文库、轴密封泵
参见46页图3‐17
11
3.1 总体结构
1)水力机械部分 2)电机部分 3)轴封组件
12
3.1.1 水力机械部分
• 组成：泵壳、叶轮、吸入导流管和扩压 器、泵轴承及热屏组件…… • 其基本功能是将泵轴的机械能传递给流体 并变为流体的静压能。
静环 动环 泵轴
1号轴封泄漏
3号密封
• 3号密封是一个具有摩擦面的双侧型密封， 作用是将2号密封的泄漏引导到疏水箱（属 于排气疏水系统，废物处理系统之一）。 同时，还要防止含硼水流产生硼结晶，保 证对密封面材料的润滑和冷却。不按承受 全部系统压力设计。 • 有一根立管提供静压头，高于3号密封2米 水柱，并可监测3号密封是否损坏。
16
3.1.1 水力机械部分
（4）泵轴承
泵径向轴承为泵轴提供径向支撑和对 中。它由斯太立合金堆焊的不锈钢轴颈和石 墨环构成的套筒组成，用水润滑和冷却。使 通过轴承的水保持低温是重要的，因为高温 会破坏石墨环并使轴承损坏。所用的轴承冷 却水是化容系统的轴封注入水的一部分。
17
3.1.1 水力机械部分
37
4 叶轮泵的一般特性
• 泵(Pump)是把机械能转换成液体的能量， 用来增压输送液体的机械。
按原理分类： • 叶轮泵(透平泵)：离心泵，轴流泵，混流泵，旋 涡泵 • 容积泵：往复泵，回转泵 • 喷射泵 • 水锤泵 • 真空泵
38
4 叶轮泵的一般特性
叶轮泵的结构分类： • 按流体吸入叶轮的方式：单吸式泵，双吸 式泵 • 按级数分类：单级泵，多级泵 • 按泵体形式分类：蜗壳泵，筒形泵 • 按主轴安放情况分类：卧式泵，立式泵， 斜式泵
t
I 主泵机组转动惯量/kg·m2 P0 泵额定有效功率/W ω0 泵额定角速度/rad/s η0 泵额定效率 n0 泵额定转数/r/min t 断电开始计算的时间/s
23
（3）防逆转装置
• 若一台反应堆冷却剂泵停运，而其他环路 上的泵还在运行着，停运的环路上冷却剂 将发生逆向流动。逆流还会使停运的泵反 转，这时若启动该泵，就会产生过大启动 电流，可能导致电机过热或引起其他损 坏。