百万千瓦级压水堆核电站汽动辅助给水泵研究
马利江 潘虹宇 冯照和 白荣腾 刘剑
摘要：为响应国家大力推进核电站国产化建设的要求，打破国内核电站核二、三级泵之汽动辅助给水泵长期以来依靠进口的局面，杭州汽轮机股份有限公司联合其他相关单位于2008年3月至2010年6月13日进行了汽动辅助给水泵的联合研制，并已通过国家级鉴定。现对汽动辅助给水泵技术参数、结构原理、控制系统进行了详细介绍，综合设备各部分结构得出以下结论：该设备结构紧凑，安装简捷，调速系统安全可靠，调节性能迅速、稳定，整体性能达到国际同类产品先进水平。
关键词：核电站国产化;国外垄断;汽动辅助给水泵;联合研制
0 引言
百万千瓦级压水堆核电站汽动辅助给水泵，属核二级重大技术装备。在核岛设备中，核二、三级泵已基本实现了国产化，唯独汽动辅助给水泵仍长期依赖进口。
就目前的核电技术来说，核电站系统是通过3个回路完成的：一回路是反应堆冷却剂的循环流程;二回路是在蒸汽发生器中，由冷却剂从反应堆中带走的热量与回路中的水发生热交换，产生蒸汽并驱动汽轮机发电的过程;三回路则是做功后的乏蒸汽在冷凝器中被海水或湖水（三回路水）冷凝为水的过程。
而辅助给水泵处于二回路中，是在正常给水系统丧失功能或不具备投运条件的情况下，向蒸汽发生器二次侧提供紧急替代水源，使一回路保持一个冷源，以排出反应堆的释热。
1 技术参数
汽动辅助给水泵的RCC-P安全等级为核三级，RCC-M规范等级为二级，质保等级为Q1，清洁等级为B级，因此样机的设计、采购、制造、检验、试验等执行标准为RCC-M[1]（2000版及2002年补遗）和RCC-E[2]（1993版）。该辅助给水泵的具体参数如表1所示。
2 结构简介
汽动辅助给水泵结构图如图1所示，从结构图中可以看出，泵为卧式两级离心泵，由汽轮机驱动。泵进口为水平轴向布置，出口垂直向上布置;汽轮机与泵的壳体整体铸造，左侧端为汽轮机部分，右侧为水泵，中间为中央水室;汽轮机的单级叶轮与泵的两级叶轮、诱导轮安装在同一根转子上。
整个转子的重量级运行时产生的径向力由两只安装在中央水室中的水润滑轴承承受，润滑水由第一级叶轮引出经过减压装置和滤水器后进入中央水室。中央水室中部位配有转速测量装置、机械飞锤、危急遮断器挂扣组件、中央水室稳压阀等。
泵组在运行时产生的轴向推力由平衡盘、平衡板及推力环来承受，摩擦面之间的介质为泵组出口压力水，平衡腔室和水泵段的轴承回水由一根回水管连接到泵组进口。整个机组由中央水室底部、泵端两侧搭子和公共底盘相连，公共底盘再与基础相连。汽泵壳体在汽轮机端处于悬空以允许热膨胀[3-4]。
3 汽轮机部分调节控制系统简介
3.1 汽开式主汽门
主汽门的结构详图如图2所示。
从图2可以看出，主汽门导杆内有一细孔，并与节流螺钉相通，这样使得从进口法兰过来的主蒸汽有一小部分会进入活塞右端并形成压力腔。假设主蒸汽压力为P，活塞右端腔室压力为P′。当蒸汽刚进入活塞右端腔室且PSB>PSA+P′SC时，主汽门将处于关闭状态。由此可知，在设计导杆与活塞时，要确保A、B处的受力面积。同时，当蒸汽持续不断地进入到活塞右端时，右侧压力腔的压力提高，当PSB≤PSA+P′SC时，主汽门打开[5]。此种主汽门具有如下特点：
（1）整个主汽门的开启以机组主蒸汽作为动力源，不需要额外的油通道部分，结构简单;
（2）汽开式主汽门开启时间较短，并在主蒸汽参数一定的情况下，可以通过调节阀杆上的节流通径来调节开启的时间;
（3）当排放活塞右端腔室的蒸汽时，即可实现主汽门的快速关闭;
（4）主汽门的左端有一手轮，可以通过其实现主汽门的强行关闭。
3.2 超速跳闸系统
机组具有两种不同类型的超速跳闸系统：电子跳闸、机械跳闸。该辅助给水泵的额定转速为8 000 r/min，电子跳闸值为额定转速的110%，当转速为额定转速的115%时发生机械跳闸。电跳和机跳的最终目的都是释放主汽门活塞右端腔体内的压力蒸汽。
图3给出了超速跳闸系统示意图，从图中可以看出电子跳闸的原理：中央水室中的两个速度传感器把接收到的转速信号传递给Woodward 505，当达到电子跳闸转速时，Woodward 505发出触电信号接通停机电磁阀，电磁阀阀头动作接通主汽门右端腔体和排汽管，从而释放主汽门活塞右端腔室内的压力蒸汽。
从图3中也可以看出机械跳闸的原理：安装在转子上的机械飞锤在达到机械跳闸转速时，因为离心力的作用动作击出，并通过挂扣装置使得锥形阀动作，从而接通主汽门右端腔体和排汽管。
电子跳闸系统和机械跳闸系统都可以实现就地和远端的复位功能。值得一提的是，该机组的机械飞锤目前属于国内首套设计，因为其工作环境处于0.5 MPa（g）的压力水中，所以为非常规设计。
3.3 调速控制系统
与国外该类型给水泵相比，本文所述汽动辅助给水泵具有調节转速的功能。当泵的给水量超过了蒸汽发生器的要求时，国外机组通过停机来实现流量的稳定，这种做法会给机组本身带来伤害，同时造成泵流量的不连续性。而本文所述机组在核电站发生紧急状况时，不仅可以实现快速启动至额定转速，给蒸汽发生器提供足够的冷却水，而且可以接收主控室的远程操作指令来控制泵转速，使泵的给水流量满足蒸汽发生器的要求，将蒸汽发生器的水位维持在符合要求的范围内。转速的可调节性使本机控制灵活、迅速、可靠。
调速控制系统由转速传感器、Woodward 505、电气转换器、气动执行机构与调节汽阀构成。转速控制原理图如图4所示。
Woodward 505接收转速传感器检测的给水泵转速，并与设定值比较，当两者不一致时，Woodward 505调速器输出一个4～20 mA的电流信号，电气转换器将该电流信号转换成20～100 kPa的气动信号，该气动信号驱动气动执行机构来控制调节汽阀的开度，从而控制主蒸汽流量，使给水泵转速稳定在设定转速。
4 汽动辅助给水泵机组特点
结合前几节的介绍，可知该机组具有以下特点：
（1）该辅助给水泵结构简单、紧凑，泵与汽轮机安装在同一根轴上，与泵和汽轮机分体的泵组相比更具有优势;
（2）机组具有速度控制调节功能，转速控制达到设定值的±1%以内，相比于国外同类型机组性能更加可靠，特别是在超速保护试验时不需要通过汽蚀方式达到;
（3）不需要外部润滑、额外的冷却水、机械密封、驱动联轴器，便于安装;
（4）可以快速响应并快速启动;
（5）可以在蒸汽压力比较宽的范围内运行;
（6）电子跳闸与机械跳闸双重保护。
5 结语
在样机的试制过程中，主要零部件都是严格按照《辅助给水汽动泵质量控制规程》《辅助给水汽动泵质量计划》、图纸及工艺文件的要求进行，即整个样机的试制都是在完全受控的状态下进行的，它的一次性装配调试成功，说明了杭州汽轮机股份有限公司完全具备设计、制造这种泵的全面质控能力。
本次汽动辅助给水泵样机的研制是成功的，各种性能均达到了《辅助给水汽动泵研制技术任务书》的基本要求，机组结构紧凑、安装简捷，调速系统先进可靠、操作实用方便、安全性能高，性能调节更加迅速、稳定、准确，整体性能达到了国际同类产品先进水平。
[参考文献]
[1] 核工业第二研究设计院.RCC-M 压水堆核电站核岛机械设备设计和建造规则[Z]，1998.
[2] 核工业第二研究设计院.RCC-E 压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则[Z]，1998.
[3] 邱宣怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社，1997.
[4] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004.
[5] 景思睿，张鸣远.流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.
收稿日期：2021-04-01
作者简介：马利江（1980—），男，浙江嵊州人，高级工程师，研究方向：汽轮机设计。