上充泵水力性能分析

上充泵水力性能分析

在核电站冷态系统（回路）中，充液泵的功能复杂，具有低流量、高扬程度和高旋转速度的特点。通常使用多段式双壳结构的离心。百万千瓦级的核电站中一回路的绝对压力高于0.3MPa时,上充泵就必须运行。上充泵的功能主要有:①反应堆正常运行时为一回路补充含有硼酸的上充水,稳定回路系统压力15.15MPa,上充流量为10.15m3/h;②向3台主泵提供流量为5.4m3/h的机械密封冷却水,保证主泵机械密封正常工作,阻止主泵内有放射性的一回路水外泄;③当一回路出现如破口等失水事故时,上充泵在高压安注工况运行,将反应堆换料水箱中的高浓度硼酸水注入一回路,以控制反应性。当出现换料水箱低水位时,安注自动转入再循环阶段。上充泵需精确满足5个工况点的要求,上充工况:13.6m3/h,34m3/h,110m3/h;高压安注工况:148m3/h,160m3/h;此外还有一个极限小流量工况点5m3/h的要求,此工况点规格书要求至少能安全运行1小时。所以泵的水力模型设计难度很大,制造难度也很高。图1为核电站一回路示意图,扁圆框内为上充泵。法国几纳(GUINARD)公司生产的上充泵(如图2所示)为卧式双壳体12级离心泵,半抽芯结构,主要由叶轮、导叶、泵轴、机械密封、推力轴承、2道介质自润滑导轴承(左侧封闭端,中部)、泵盖等零部件组成。通常多级离心泵各级过流部件均采用相同的一种水力模型,若需要改善泵的汽蚀性能,则可采用2种水力模型组合的设计方案,即首级与其余各级几何参数不同,为保证2种水力模型都在高效区工作,要求2种水力模型最佳工况点流量相同或相近的叶轮水力模型。GUINARD公司上充泵水力模型采用3种设计方案:方案1为首级叶轮,共1级,叶片3片,叶轮吸入口最大;方案2为2～4级叶轮,共3级,叶片3片,叶轮吸入口适中;方案3为5～12级叶轮,共8级,叶片5片,叶轮吸入口最小。轴向力平衡:1～4级叶轮正向布置,吸入口朝向电动机,5～12级叶轮反向布置,正向布置叶轮轴向力与封闭端高压水作用力之和,与反向叶轮轴向力相平衡,残余轴向力由可倾瓦推力轴承来承受,正反叶轮之间的流体通过导叶上的内流道相连通。径向力平衡:径向力主要由转子重量构成,由中部和封闭端流体自润滑导轴承来承受。进出口管嘴与泵盖为焊接结构,与管道采用法兰联接。国内主要有2种型号的GUINARD上充泵,分别在大亚湾和岭澳核电站。泵的性能参数见表1。德国KSB公司(KSB-AG)生产的上充泵是卧式多级筒袋式泵,为全抽芯结构,如图3所示。泵出口名义直径100mm,叶轮外径205mm,共有12级,有一个吸入管嘴和一个出口管嘴。吸入管嘴与出口管嘴与泵外壳体为法兰联接,与管路联接形式为焊接,从泵吸入侧到吐出侧沿轴线依次装有各级径向式叶轮和导叶。首级叶轮与其余11级不同,首级叶轮5枚叶片,其余11级为7枚叶片,轴向推力由平衡鼓来平衡。可以作为一个整体从泵外壳体中抽出而不影响管路联接和电机的安装的泵芯包部件,包括转子部件、轴承部件、密封部件、泵吸入体、导叶、平衡鼓部件和泵盖。这种全抽芯设计可以使得检查和维护的时间及日常维护时对维护人员的核放射量减到最小。在圆柱形外壳体-泵壳的锻件制造过程中,应力分析及无损检验的工艺步骤可以方便和可靠地进行操作。为避免焊接,管路与泵外壳体的联接采用螺栓紧定的法兰联接。泵外壳体、泵吸入体,泵盖和密封室组成泵的压力边界。为防止转子部件在装配或解体时划伤,在安装叶轮的轴段处喷镀铬。由碳制成的耐磨环安装在静子上,与叶轮形成间隙。耐磨环、叶轮及它们之间的间隙相当于介质自润滑水动力轴承,有稳定转子的作用。泵与增速箱及增速箱与电动机之间均采用带有中间段的挠性联轴器联接。在拆除联轴器的中间段之后,不需要移动电动机就可对泵吸入侧的径向轴承和机械密封进行检查和维护。此类型的上充泵的设计优点为,在大多数情况下可以自运行,即除了电源,不需要任何外部系统支持。与其他设计不同,轴承部件不需要外部供油。叶轮和导叶采用精密铸造方法进行制造,达到了较高的尺寸精度和表面粗糙度,甚至不需要进行额外的机加工。在吸入侧,转子部件径向力由径向滚动轴承承受。在出口侧,一对角接触超精密弹簧预压紧式圆锥滚子轴承承受残余的轴向力,以确保泵在运行过程中无载荷端也在工作。德国KSB公司(KSB-AG)上充泵用于辽宁红沿河一期1、2、3、4号机组、福建宁德一期、海南昌江、广西防城港核电站。日本三菱(MITSUBISHI)公司生产的上充泵为卧式双壳体11级离心泵,如图4所示,为全抽芯结构,泵内壳体为轴向剖分结构,水力模型为首级双吸叶轮,其余10级径向单吸叶轮,2～6级叶轮与7～11级叶轮为背对背布置。双吸叶轮和背对背布置的叶轮自平衡轴向力。泵组主要由泵外筒体、出口泵盖、进口泵盖、进口管嘴、出口管嘴、泵内壳体、导叶、叶轮、底架、机械密封、轴承等零部件构成,其中泵外筒体、出口泵盖、进口泵盖、进口管嘴、出口管嘴为锻件,泵内壳体、导叶、叶轮为铸件。进口管嘴与出口管嘴焊接到泵外筒体上,与管路联接方式为法兰联接,泵支撑为焊接型式并与泵外筒体焊接;上充泵在从低温7℃到高温120℃的热冲击工况期间,为避免汽蚀,叶轮采用双吸结构以降低汽蚀的发生;导叶结构型式为流道式导叶以改善水力性能。日本三菱公司(MITSUBISHI)上充泵主要用于秦山二期、浙江方家山以及福建福清核电站1、2号机组。乌克兰苏米(SUMMY)公司生产的上充泵为卧式双壳体多级离心泵,泵机组为卧式、筒袋式阶段多级泵,共15级,泵进口接管与管路为法兰联接,出口接管与管路为焊接型式,转子由带油浴的滑动轴承来支撑,泵壳为锻件结构,泵壳有4个撑脚安装在焊接底架上,泵设计为全抽芯结构,以减少维修时间,拆下液压螺栓螺母(序号54、55)、与左端半联轴器相配的联轴器及相关仪表,无须拆卸电机、管路,就可由图5中右侧整体抽出芯包。由水力设计可知,泵轴向力由出口指向进口,总的轴向力10多吨,轴向力主要由平衡盘部件来平衡,大约平衡掉90～95%的总的轴向力,残余的轴向力由图5右侧的球轴承来承受,经过平衡盘装置节流后的工作介质经过机械密封组件后回到进口;由图5可以看出首级叶轮与其它14级叶轮不同,上充泵入口温度要经受从7℃～120℃瞬间变化,也就是我们所说的热冲击工况,增大首级叶轮的进口直径能有效地改善泵的汽蚀;泵的左右侧安装有甩油装置,防止轴承室内的润滑冷却油沿轴向外泄漏。用于我国江苏田湾核电站一期工程1、2号机组,由俄罗斯承建的核电站所用的上充泵,只执行上充功能,同时另外配备高压安注泵。秦山一期核电站,德国KSB公司立式RVM上充泵共有23级,全抽芯结构设计,泵壳为锻件型式,主要由以下功能部件组成:一个单端面机械密封,一个油润滑能承受径向力/轴向推力联合轴承,23级叶轮、导叶、中段泵壳,23级水润滑轴承,平衡鼓;平衡鼓能承受约95%的轴向力,残余轴向力由径向/轴向推力联合轴承来承受,泵吸入管嘴与泵壳为法兰联接形式,这样就避免了焊接;经由节流后流体通过密封腔冷却机械密封后沿泵壳直接导入到进口,改善了入口的吸入性能,轴承室安装有冷却盘管以降低轴承箱的温升,盒装式机械密封可以减少更换密封的时间;此泵除了电源外可直接启动无需任何外部辅助设备供应,立式结构也减小了安装空间。性能参数n=2955r/min,P=350kW,6000V,Q=25m3/h,H=1768m,D2=200mm,23级。国内制造商重庆水泵厂于2009年11月19日,和中国核电工程有限公司合作研发的百万千瓦级压水堆核电站离心式上充泵样机通过专家鉴定。外形照片如图7所示。综上所述表明,上充泵是涉及压水堆核电站安全的关键设备,俗称为核电站的一个重要的“安全阀”,目前该产品仅有美、法、日本等国家能够制造,我国核电上充泵全部依赖进口。上充泵的设计需确保泵组在事故工况时,能够承受介质温度从7℃瞬间上升到120℃的热冲击工况考验;上充泵在额定流量为5m3/h的极限小流量工况下运行lh以上;上充泵在事故工