AP1000核電循環(huán)水泵選型及配置分析

機電工翟拭術(shù)2012年第41卷第02期經(jīng)驗交流DOl:10.3969/jisn10099492.2012.02.020AP1000核電循環(huán)水泵選型及配置分析徐智淵’,程亮(1中國電能成套設備有限公司,北京100011;2.國家知識產(chǎn)權局專(zhuān)利局,北京100088)摘要:循環(huán)水泵與方案配置是否合理直接影響整個(gè)核電機組的熱經(jīng)濟性和安全性。從循環(huán)水泵的選型原則、方案選擇和經(jīng)濟性比較等方面,通過(guò)分析比較后給出金屬混流泵及混凝土蝸殼泵的優(yōu)缺點(diǎn),并指出這兩個(gè)技術(shù)方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍關(guān)鍵詞:AP1000核電;循環(huán)水泵;系統設計;選型分析中圖分類(lèi)號:TL353文獻標識碼:A文章編號:1009-9492(2012)02-0075-05analysis of Circulating Water Pump Selection and Configurationof aP1000 Nuclear Power plantXU Zhi-yuan, CHENG Liang(1. China Power Complete Equipment Co, Ltd, Beijing 100011, China; 2. State Intellectual Property Office of theP.RC, Beijing 100088, China)Abstract: The proper choose of circulating water pump model is direct affect the economic and security of Nuclear Power Unit. This articlegives the recommendatory scheme after comparison of metallic pump and volute pump form the aspect of type choosing, scheme choiceand economy comparison, and points out the merits, defects and the applicable scope of each scheme.Key words: AP1000 nuclear power; circulating water pump; system design; model choosing1引言廠(chǎng)用水系統(SWs)是非安全相關(guān),因此循環(huán)水循環(huán)水泵作為核電機組循環(huán)水系統的重要設泵房的設計與核安全無(wú)關(guān),按常規標準進(jìn)行設備,負責將經(jīng)過(guò)過(guò)濾的冷卻水輸送到冷凝器,保計,常規設計按三十三年一遇水位設計,百年證汽輪機排汽在凝汽器中不斷凝結,帶走機組的遇水位校核。余熱。因此對于循環(huán)水泵的選型及配置的方案對2核電循環(huán)水泵常用泵型及其特點(diǎn)核電機組的安全性及經(jīng)濟性有著(zhù)非常重要的作用目前核電站循環(huán)水泵主要可分為兩大類(lèi),即某APl000核電站循環(huán)水系統流程為:海生物混凝土渦殼泵(離心式泵)和金屬混流泵(包括攔截設施→取水明渠→泵房前池→粗格柵(附帶固定葉或動(dòng)葉可調)兩種。歐洲的核電廠(chǎng)及采用加氯框)→鋼閘門(mén)→欄污柵→鼓型旋轉濾網(wǎng)→循歐洲核電技術(shù)的國內廠(chǎng)址主要采用混凝土渦殼式環(huán)水泵→液控蝶閥→循環(huán)水壓力進(jìn)水管→凝汽器的循環(huán)水泵,如大亞灣核電、嶺澳核電、秦山核及輔機→循環(huán)水壓力回水管→虹吸井→排水暗溝電等。美國、日本的核電廠(chǎng)多釆用金屬混流式循一排水口→排水明渠→大海。環(huán)水泵,如日本泊3核電、臺灣龍門(mén)核電等。由其循環(huán)水量(海水)每臺機組約為67m/于A(yíng)P1000核電采用美國西屋的設計思路,因此在(包括常規島開(kāi)式冷卻水量lm3s,及核島開(kāi)式冷其標準設計中也推薦釆用金屬混流式循環(huán)水泵。卻水量2m/),一期工程兩臺機組總海水量約為核電站循環(huán)水系統流量比較大,百萬(wàn)千瓦核134m/s。由于本工程核島采用西屋公司先進(jìn)的非電機組循環(huán)TH中國煤化工揚程通常在能動(dòng)AP00技術(shù),核島的最終熱阱為大氣,核島10-13m左右CNMHG循環(huán)水泵常收稿日期:2011-09-25C75經(jīng)驗交流帆電工攫木2012年第41卷第02期Q-7HQ-HQ-NNPSHo/(m/s)m3/(a)離心泵(b)混流泵圖1離心泵與混流泵性能曲線(xiàn)采用低速離心泵或混流泵。離心泵與混流泵的主離開(kāi)此區間,泵的效率隨偏離而降低,偏離該數要性能差別:(1)離心泵起動(dòng)功率低,Q-N曲線(xiàn)越大降低的越多。比轉數n決定泵的結構,進(jìn)而沿流量方向上升;而混流泵起動(dòng)功率高,Q-N沿影響泵的效率區間,所以合理選擇泵的比轉速對流量方向下降;(2)離心泵的Q-H曲線(xiàn)均勻下設計選型具有重要的意義降,無(wú)拐點(diǎn);混流泵的Q-H曲線(xiàn)有拐點(diǎn);(3)離反映泵的汽蝕特征的參數為泵的汽蝕比轉數心泵一般釆用閉閥啟動(dòng);混流泵一般為開(kāi)閥啟動(dòng)。離心泵與混流泵性能曲線(xiàn)如圖1所示。562n3循環(huán)水泵選型原則NPSH循環(huán)水泵選型的目的是滿(mǎn)足供水性能需泵的人口相對流速是決定泵的汽蝕比轉數C要、安全運行需要、安裝維護方便、制造和運值大小的關(guān)鍵因素,泵的入口直徑越大,相對流行成本低等要求。選型的基本參數包括:輸送速越低,C值就越大,則泵的抗汽蝕性能越好介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、工藝參數(包括流量Q、但泵的設計要求水流通過(guò)葉輪的流速相對變化較揚程H、轉速n、裝置汽蝕余量 VPSHa等)、安小,也就是相對較高一些的入口流速可以獲得更裝條件好的流動(dòng)條件,有利于提高泵的效率。因而汽蝕在滿(mǎn)足流量、揚程性能的條件下,較高的效比轉數C值和泵的效率是一對矛盾,要根據泵的率能降低運行成本,較穩定的結構能增加運行的具體使用條件來(lái)選取。一般來(lái)講,同時(shí)兼顧泵效安全性,較低的汽蝕性能可減少安裝的成本、選率和泵抗汽蝕能力時(shí),C的選擇一般在800~1100用合適的材料能延長(cháng)使用壽命及維護成本。左右。泵設計選型所涉及的關(guān)鍵參數:泵的比轉數4循環(huán)水泵配置方式及經(jīng)濟性比較n和汽蝕比轉數C°6某AP1000循環(huán)水系統的設計參數為:每臺機3.65n(1)組的循環(huán)水總流量為67m/s,揚程為125m。根據計算,該循環(huán)十比桂為n=500,C=1072比轉數大小決定泵的效率,對于離心泵、混從圖1的水中國煤化適用該核電循流泵、軸流泵,最高效率在n=150~500之間,環(huán)水泵的東CNMH泵,這與實(shí)際C76瓿史工醒截木2012年第4卷第02期經(jīng)驗交流選型情況吻合。修。一機四泵方案占地面積比一機兩泵和一機三結合其他核電項目循環(huán)水泵配置實(shí)例,本泵方案大。流量小于20m/s的立式混流泵有廣泛AP1000核電工程考慮了一機配兩泵、一機配三泵的供貨業(yè)績(jì)和應用經(jīng)驗,在常規火電有成熟的使及一機配四泵三種配置方式。針對一機配兩泵又用業(yè)績(jì)。但一機四泵設備投資較大,且土建成本考慮了金屬混流泵和混凝土蝸殼離心泵兩種泵較高,不易布置,不是AP1000原型的標準設計型。通過(guò)各配置方式的技術(shù)經(jīng)濟比較,選出最優(yōu)不作為推薦方案。配置方案。4.2混凝土蝸殼泵方案4.1金屬混流泵方案混凝土蝸殼泵的進(jìn)出水流道均由混凝土現場(chǎng)若采用金屬混流泵,可行方案如下:一機兩澆筑而成,這是其主要特點(diǎn)?；炷廖仛け玫慕Y泵方案、一機三泵方案和一機四泵方案。采用更構形式完全不同于立式金屬泵,主要體現在進(jìn)水多臺數的配置方案也是可行的,但臺數越多時(shí)占流道、出水流道、受力方式以及相應的土建結地面積越大,不易布置,且采用金屬混流泵后,構,因此在方案選擇時(shí)考慮的側重點(diǎn)與立式金屬管路系統為有閥系統,水泵臺數越多其配套閥門(mén)混流泵完全不同。也越多,增加了故障出現的機率,因此不考慮4采用混凝土蝸殼泵時(shí)可行方案如下:一機兩臺以上的配置方案。下面簡(jiǎn)要分析各可行方案的泵方案、一機三泵方案和一機四泵方案。統計資特點(diǎn)。料表明以上三個(gè)方案中一機三泵方案初期投資稍機兩泵方案:水泵流量為34m/s,水泵揚低,但要將三臺泵的流量均勻分配給凝汽器兩個(gè)程為125m。本方案單泵流量過(guò)大,對淹沒(méi)深度、半室,同時(shí)要考慮隔離的需要,管路中要布置閥進(jìn)水池寬度和深度以及進(jìn)水流態(tài)提出了很高的要門(mén)],管路復雜,同時(shí)降低了系統的可靠性,因此求。如果進(jìn)水池流態(tài)不理想,很容易出現汽蝕和不推薦一機三泵方案。以下簡(jiǎn)要分析一機兩泵方振動(dòng);單泵重量很大,需要采用雙基礎;水泵軸案和一機四泵方案的特點(diǎn)。推力非常大,對電機要求很高;國內外沒(méi)有這類(lèi)機兩泵方案:水泵流量為32m3s,水泵揚大流量水泵的供貨業(yè)績(jì)和使用經(jīng)驗。一機兩泵方程為125m。一機兩泵方案中,每臺泵向凝汽器的案沒(méi)有成熟的技術(shù)條件和使用經(jīng)驗,存在一定的兩個(gè)半室單獨供水,無(wú)需設置閥,供水系統為簡(jiǎn)風(fēng)險,但可作為比較方案。單可靠的無(wú)閥系統。由于所采用的肘開(kāi)進(jìn)水流道機三泵方案:水泵流量約22ms,揚程有良好的整流作用,從而減小了水泵的淹沒(méi)深12.5m。循環(huán)水泵要向凝汽器的兩個(gè)半室單獨供度;蝸殼出水流道有良好的整流作用,從而保證水,一機三泵方案中要將三臺泵的流量均勻分配了水泵有較高的效率;水泵的重量及水推力無(wú)需給兩條供水管,同時(shí)要考慮檢修隔離的需要,其電機承擔;在其他核電項目上已有成熟的使用業(yè)閥門(mén)數量多、管路聯(lián)接復雜;另外單泵流量偏績(jì)。大,對淹沒(méi)深度及進(jìn)水池流態(tài)有較高的要求;水機四泵方案:水泵流量約16m/,揚程泵和水泵軸推力較大,需要采用雙基礎布置,且125m。一機四泵單泵流量小,水泵淹沒(méi)深度小其管路聯(lián)接復雜,單泵流量偏大,對流態(tài)要求較由于臺數多,占地面積大;四臺泵向凝汽器兩個(gè)高。與一機兩泵及一機四泵相比,一機三泵初期半室供水,需要將水泵兩兩并聯(lián),管路系統必須投資低,并且也是AP1000原型中采用的泵配置方設置閥門(mén)。式,若采用金屬混流泵,最佳方案是一機三泵方機四泵方案初期投資比一機兩泵高,且施案,該方案有豐富的經(jīng)驗可借鑒。工周期長(cháng),維護成本高。大亞灣核電、嶺澳一期都機四泵方案:水泵流量約16m/s,揚程是采用一機兩泵配置,從設計、采購管理、施工安125m。一機四泵單泵流量小,水泵淹沒(méi)深度小、裝、運行維護等方面積累了成熟的經(jīng)驗。一機兩泵進(jìn)水池寬度小、水泵重量輕。水推力小,可以采方案為無(wú)閥中國煤化工此,一機兩泵用單基礎布置,簡(jiǎn)化了土建結構,便于安裝檢方案優(yōu)于CNMHG方案。匚7經(jīng)驗交流機工程截木2012年第41卷第02期43技術(shù)經(jīng)濟比較運一臺泵即可),每臺泵的流量變小,還有利于以(1)機組采用一機配兩泵時(shí),動(dòng)葉可調立式后循環(huán)泵的國產(chǎn)化;一機配兩泵(動(dòng)葉可調立式混流泵與混凝土蝸殼泵比較見(jiàn)表1?；炝鞅?方案,采用動(dòng)葉可調后,其可靠性難以通過(guò)表1可以看出,從經(jīng)濟方面,兩臺立式保證,而且經(jīng)濟性并不占優(yōu)。因此在兩種方案年混流泵方案要優(yōu)于兩臺混凝土蝸殼泵方案,年總費用相差不大的情況下,推薦一機配三泵方案。費用相差約358萬(wàn)元。因年費用差別太大,不推5循環(huán)水系統方案分析薦立式混凝土蝸殼泵。通過(guò)上面的分析,循環(huán)水系統可采用兩類(lèi)泵(2)一機配三臺金屬混流泵(固定葉片)及型:金屬混流泵和混凝土渦殼泵,相應的方案有機配兩臺金屬混流泵(動(dòng)葉可調)比較見(jiàn)表2。-機三泵(金屬混流泵)和一機兩泵方案(混凝由表2計算結果可以看出:從經(jīng)濟方面,兩土蝸殼泵),從技術(shù)上講兩方案均可行,但從系統泵方案要略?xún)?yōu)于三泵方案,年總費用相差大約26的運行維護角度,采用金屬混流泵的方案更優(yōu)。萬(wàn)元;但從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō),固定葉片的循環(huán)水(1)混凝土蝸殼泵方案的優(yōu)缺點(diǎn)泵具有安裝、檢修方便,運行可靠性好等優(yōu)點(diǎn),采用混凝土蝸殼泵的一機兩泵方案為無(wú)閥系動(dòng)葉可調泵結構復雜,安裝檢修難度大,運行可統,系統簡(jiǎn)單、成熟可靠,混凝土渦殼泵水力性靠性差。能好、防腐性能好。機配三泵方案,冬季流量比較好調節(停主要缺點(diǎn)是:設備不易國產(chǎn)化;對土建與機褒1動(dòng)葉可調立式混流泵與混凝土蝸殼泵比較立式混流泵混凝土蝸殼泵備注水泵形式二層安裝,抽芯式,層上出水混凝土蝸殼,抽芯式動(dòng)葉可調驅動(dòng)方式電機直接驅動(dòng)電機通過(guò)減速箱傳動(dòng)水泉材質(zhì)接觸海水面采用雙相不銹鋼接觸海水面采用雙相不銹鋼水泵配置50%x2臺50%x2臺水泵單機流量m/s)水泵揚程(m)1515水泵機組效率(%)90882(減速箱效率98%)配套電機(kWx臺)減速箱不需要,可靠性好需要,可靠性差動(dòng)葉可調裝置需要,可靠性差不需要,可靠性好技術(shù)比較機組噪音低(85dB(A左右)高(90B(A)左右)出廠(chǎng)前進(jìn)行真機性能試驗,可保證現場(chǎng)順利模型試驗,只能進(jìn)行現場(chǎng)試驗,出現水泵出廠(chǎng)試驗安裝和水泵的水力機械性能問(wèn)題很難進(jìn)行調整泵組與土建的接口少(幾乎沒(méi)有預埋件)多(預埋件多、流道施T接口多)泵組安裝周期短(一次安裝)蝸殼模型制作周期長(cháng)初期設備成本(萬(wàn)元)6600土建成本(萬(wàn)元)5550安裝成本(萬(wàn)元)經(jīng)濟比配套設施(萬(wàn)元)以上設施年固定費用(萬(wàn)元)1566較凝汽器及供排水管道等年固定費用(萬(wàn)元)年運行費用(萬(wàn)元)中國煤化工年總費用(萬(wàn)元)CNMHGr78電工程技2012年笫41若笫02經(jīng)驗交流表2金屬混流泵(固定葉片)及金屬混流立式混流泵(兩臺)立式混流泵(三臺)水泵形式二層安裝,抽芯式,層上出水動(dòng)葉可調二層安裝,抽芯式層上出水固定葉片水泵單機流量(m/s)325243821.67水泵揚程(m)5/11IS配套電機(kWx臺)6000技術(shù)水泵出廠(chǎng)試驗由于流量太大,無(wú)法進(jìn)行真機試驗,只|出廠(chǎng)前進(jìn)行真機性能試驗,可保證在現場(chǎng)的順能進(jìn)行模型試驗利安裝和水泵的水力機械性能單泵總價(jià)(萬(wàn)元)33002000循泵總價(jià)〔萬(wàn)元)安裝成本(萬(wàn)元)土建費用(萬(wàn)元)5435經(jīng)濟性配套設施(萬(wàn)元)比較以上設施年固定費用(萬(wàn)元)17291755年固定費用(萬(wàn)元)2081年運行費(萬(wàn)元)3837年費用(萬(wàn)元7647電接口多,施工周期長(cháng);管路為無(wú)閥系統,不利版社,2006于抑制水錘。[3]楊詩(shī)成,王喜魁泵與風(fēng)機[M].北京:中國電力出(2)金屬混流泵方案的優(yōu)缺點(diǎn)版社,2006采用金屬混流泵的一機三泵方案水泵流量41cB70265-199.站設計規范[S小,電機功率小,設備易于國產(chǎn)化;水泵臺數[5]丘傳忻.泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2004.多,調度靈活;土建結構簡(jiǎn)單,機電與土建接口[6]皮積瑞.農田水利與泵站工程[M].北京:中國水利少,安裝簡(jiǎn)單;管路設置有閥門(mén),可控制閥門(mén)啟水電出版社,1993閉時(shí)間控制水錘壓力。[7]關(guān)醒凡.現代泵設計手冊[M].北京:宇航出版社,其缺點(diǎn)是:設備金屬部件多,防腐性能差;1995管路中設置有閥門(mén),增加了故障機率[8]陳禮,余華明.流體力學(xué)及泵與風(fēng)機[M].北京:高6結論等教育出版社,2007釆用金屬混流泵的一機三泵方案是AP10)原9施衛東流體機械M].成都:西南交通大學(xué)出版型的標準設計,在日本及美國的核電站有廣泛的應用,在設計、管理、采購和運行維護等方面積[10]金樹(shù)德,陳次昌.現代水泵設計方法[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1993.累了豐富的經(jīng)驗。且可靠性高,在冬季工況能停臺泵節省廠(chǎng)用電。鑒于核電廠(chǎng)單機容量大,可第一作者簡(jiǎn)介:徐智淵,男,1980年生,漸江杭州人,碩靠性要求高,APl0核電采用金屬混流泵一機三士,工程師。研究領(lǐng)域:核電站輔機設備設計及采購。泵的方案,保證了AP1000的設計,提高了運行的(編輯:王智圣)可靠性。參考文獻[1]關(guān)醒凡,施衛東,高天華.選泵指南[M].北京:宇航出版社,1998中國煤化工[2]姜乃昌.水泵及水泵站[M].北京:中國建筑工業(yè)出CNMHG