屏蔽泵在核电中的发展和应用

王川 高亚强

摘要：本文主要介绍了在核电厂的发展历程上屏蔽泵的应用，重点介绍了屏蔽泵的结构特点、优缺点以及屏蔽泵的发展前景。

关键词：核电；屏蔽泵；反应堆冷却剂泵；湿定子泵

泵的种类应有尽有，被广泛应用于化工、石油、电力、食品等多个领域，并且在农业、林业、渔业等各个行业也发挥着重要的作用。其中，屏蔽泵作为泵类设备中非常特殊的一种，由于其具有结构特殊、功能特殊等特性，因此越来越为大家注意。又因其能够达到绝对无泄漏，符合当今人类社会安全与环保的主题，目前在化工、石化、医药、纺织、制冷、航天、核电、军工等领域已充分采用。本文主要针对屏蔽泵在核电中的发展和应用做以重点介绍。

我们都知道传统的离心泵都是靠轴封密封完成的，其中，轴封分为机械式和填料式两种，但是不论哪种轴封都不能完全达到无泄漏。在最早应用的特殊化工行业中，存在各种易燃、易爆、剧毒等介质：例如：液氯、光气、环氧乙烷等，这些介质一旦泄露到空气中，就会对人体造成致命的危害，对环境造成难以估量的损失。正是在这种情况下，为了赢求绝对、完全地无泄漏，屏蔽泵应运而生。屏蔽泵是指将定子绕组和转子绕组分别置于密封金属筒体内的屏蔽电动机驱动、泵壳与驱动电机外壳用法兰密封相连，取消了泵轴动密封结构的泵。追溯其历史，距今大概已经有一百多年了。现在，屏蔽泵在核电行业中也逐渐被广泛采用。始建于1954年，服役于1958年，已于1982年停运的世界上第一座“专一民用核电站”美国希平港原子能发电站的反应堆冷却济泵（即主泵）就是采用屏蔽泵。核电中的反应堆冷却剂具有高温、高压、高辐射等特点，而使用无泄漏的屏蔽泵作为主泵，结构紧凑，系统简单，省去了轴承润滑油系统和复杂的轴封系统。下图1为基本型的屏蔽泵，主要由电机定子、转子部件（轴）、叶轮、泵体、耐磨板、定转子屏蔽套、轴承等几部分组成。从上图可以看出屏蔽泵的几大特点：

1、电机和泵连成一体，与传统的轴封泵和电机通过联轴器相连有很大的区别，传统的轴封泵通过联轴器与电机连接，转子位置是固定的，而屏蔽泵的转子是动态的，只有当轴向力平衡时才能在某一位置达到平衡，当介质的特性如温度、压力、粘度等发生改变时，该转子也会发生相应的移动，换言之，同一台屏蔽泵，输送不同工况的介质或者不同的温度压力等，平衡状态是不一样的。基于此，笔者得出这样结论：想用好屏蔽泵，就一定要控制好轴向力。

2、电机转子和泵轴为共用；即电机的转子也是泵轴，两者合二为一；

图1 屏蔽泵结构图（基本型）

3、定子屏蔽套：定子屏蔽套是安装在定子铁芯里孔内的一个很薄的金属隔套，与定子里孔完全接触，保证介质与电机定子完全隔离，由于屏蔽泵转子完全浸泡在介质中，为减少屏蔽套内产生的涡流损失并减少温升、改善电机的运转条件，屏蔽泵必须是采用非磁性、高电阻材料，并在保证其强度的条件下越薄越好，与转子屏蔽套的间隙越小越好。据笔者了解，几乎所有定子屏蔽套都是采用的Hastelloy C合金，厚度一般不超过0.6MM。也许大家会感觉这么薄怎么能承受介质的压力呢？这样理解是不正确的：定子屏蔽套并非承受介质压力，只是起到隔离作用，其外部通过定子铁芯和两端的支撑筒（或叫加固套）来承担。还有一种衍生出来的新的屏蔽泵就是湿定子泵， 这种泵甚至连屏蔽套也没有，下文继续介绍。

由于美国希平港核电站的顺利竣工，吹响了欧美以及日本核电大发展的号角。在接下来的二十世纪六七十年代，全球兴起了一波核电建设的浪潮。考虑到核电的经济性，这一时期建设的核电发电功率都在300MW以上，远远超出希平港的60MW。由于当时屏蔽泵的制造难度及在制造工艺等各方面尚未成熟，同时当时的屏蔽泵并不能满足压水堆核电厂的惰转要求，但使用轴封泵可以通过设置很大的飞轮达到该项要求，所以在这一时期建设的核电站几乎全部采用轴封泵，而放弃了屏蔽泵。我国的大亚湾核电站就是引进的法国该时期的技术路线，而在大亚湾基础上改进型的岭澳一期及正在建设的二代改进型百万千瓦压水堆核电站两个共用机组只采用了八台核三级屏蔽泵，主要用于辅助厂房中硼酸的输送以及硼回收系统反应堆冷却剂的输送。以上几台小的屏蔽泵由于温度和压力等工况不是很高，所以都和正常的屏蔽泵区别不大。

屏蔽泵和普通离心泵的分类形式基本相同，下文重点说明的是按照安装方式的不同分为卧式和立式两种。至于究竟选择哪种安装方式，则要根据厂房布置以及系统设计等方面的因素来综合考量。前面提到的八个核电用的屏蔽泵考虑到泵型较小，因此均采用卧式安装。但是对于我们现在引进的美国西屋公司第三代AP1000核电技术，它的主泵就是立式安装的屏蔽泵。其充分考虑到立式安装具有结构紧凑、占用面积小、易于系统布置等方面的特点。随着世界制造工业的发展，核电行业也突飞猛进，以前受制于大型屏蔽泵制造难度的问题现已不复存在。目前，AP1000的主屏蔽泵电机功率都达到几千个千瓦，这在以前是很难想象的。我们都知道屏蔽电机的损耗高，发热严重，定子屏蔽套使定子成为一个封闭区域，这样定子铁芯和绕组的冷却只能靠温度梯度产生的热传导散热。绕组端部由于散热困难，成为温度场中的热点。屏蔽泵的电机设计原理是散热困难，需尽可能的做到细而长，但是由于厂房及系统设计等方面的原因，我们又不可能把电机设计过长。因此，针对核电反应堆回路的高温、高压以及惰转等特点，我们在原有基本结构的基础上做了一些特殊的设计，如：

1、电机绕组采用较高的绝缘等级；

2、通过特殊的结构设计和有效的冷却来降低电机各部分的温度：

图2 AP1000屏蔽泵结构图

a 在泵部分和电机之间设置迷宫密封阻隔泵壳腔内的高温冷却剂和电机腔内的低温冷却剂进行热交换；

b设置外置热交换器冷却回路，通过外接冷却水来冷却电机的定转子；

c在电机外壳设置冷却水夹套，外接冷却水来带出电机定子发出的热量；

d设置上下两个飞轮。前面也提到了核电惰转的要求，就是在电源丧失后反应在一段时间内维持一定的通过反应堆的流量，以充分冷却堆芯。同时，对设备冷却水丧失惰转能力不应产生影响。在发生厂外和厂内电源丧失事故并伴随安全停堆地震时，主泵的惰转能力也应保持。为了满足这个要求，每台主泵应装有飞轮和惯量较大的转子，总的转动惯量用于维持惰转期间的冷却剂的流量。屏蔽套直径不能太大，就不能采用较大的长径比，因此，最终确定设置两个飞轮（上下各布置一个），材料被确定为钨合金，它可在有限体积内实现较高的转动惯量。

此外，沸水堆上所使用的主泵，也算一种非常特殊的屏蔽泵，也叫湿定子泵，意思就是说电机的整个定子里都是充满介质的，把前面我们讲到的定转子屏蔽套全部去掉，内部磁损较少，提高了机组的可靠性和效率。那如何提高提高湿定子泵的可靠性呢？关键就在于提高湿绕组电机绝缘系统的可靠性和使用寿命，因此所采用的绝缘线包裹导电铜线的质量以及引出线密封绝缘结构这两个问题就变得尤为重要。目前，湿定子泵在核电中主要应用于沸水堆中，并且已经积累了上千堆年的运行经验。这些经验表明，湿定子泵的一次检修寿命长、效率高。

再有就是台山EPR三代核电技术，是从法国引进的第三代核电技术路线，单机容量达到1700MW，是世界上单台核电装机容量最大的核电机组。虽然主泵并未采用屏蔽泵，但是其辅助系统等则多处使用屏蔽泵，两台机组加起来数量有上百台之多。由此可见，屏蔽泵正越来越引起大家的重视，其使用范围也越来越广泛。

综上所述，随着国家能源结构的调整，核电将扮演越来越重要的角色，特别是对运转泵的密封性、可靠性、使用寿命等都提出了更高的标准及更为严格的要求，笔者坚信屏蔽泵的优势会随着新型核电各机组的发电及稳定安全运行而被核工业所熟悉和认知，发挥举足轻重的作用。

参考文献：

【1】李澍，赵芝琳，张恒明.大型先进压水堆核电厂反应堆冷却剂泵发展方向的探讨.核电，2010（AP1000专刊）

【2】广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备.原子能出版社.2007。