AP1000屏蔽式主泵倒转运行分析

摘要：AP1000主泵是大型屏蔽泵在核电机组的首次应用，因其独特的设计理念和结构特点，其运行方式也十分特别。文章介绍了AP1000主泵特有的倒转运行模式以及倒转运行对电站其他系统产生的影响，并指出了工作中的注意事项。

关键词：AP1000；屏蔽式主泵；倒转运行；再生制动；核电机组 文献标识码：A

中图分类号：TL351 文章编号：1009-2374（2015）18-0083-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.043

1 概述

AP1000核电机组反应堆冷却剂系统包含两个环路，每个环路包含一个热段、两个冷段及并列运行的两台冷却剂泵（以下简称主泵），如图1所示。主泵吸入口直接焊在蒸汽发生器椭球形下封头冷侧水室的接口管嘴上，整个泵组外壳是一回路压力边界的一部分。4台主泵为屏蔽泵结构，额定电压6.9kV，分别从电厂内4条独立的10.5kV、50Hz中压母线取电，每台主泵由变频器将供电频率变为60Hz。

1.压力容器；2.蒸汽发生器；3.一体化堆顶结构；4.稳压器；5.波动管；6.主泵；7.冷段；8.热段；9.安注接管嘴

与传统压水堆主泵相比，AP1000主泵有如下技术特点：（1）与蒸发器下封头直接连接，取消了主泵与蒸发器之间的过渡段，降低了环路的压降，简化了蒸发器、泵和管道的支承系统；（2）化容系统不需要轴封功能，也不用从主泵和蒸发器的连接段上引出，减小了小破口事故期间堆芯裸漏的风险；（3）主泵没有轴密封装置，因而消除了因轴密封失效和全厂失电事故导致冷却剂泄露的可能性，从而大大提高了安全性，减少了泵的维修工作量；（4）主泵电机上设置了两个钨合金飞轮，以提高泵的转动惯量，延长惰走时间，从而增加了失去电源后堆芯的热工裕量；（5）主泵采用变频调速装置，减少了冷态启动时的功率，从而最大限度地缩小了电机尺寸，同时满足50Hz电网的要求，通过变频器把50Hz的电能转换为60Hz。另外，还因为变频器的再生制动功能，使主泵倒转在AP1000电站中也是允许的。

2 AP1000主泵的运行特点

在主系统启动过程中，需要点动主泵进行动态赶气，并在满足主泵启动条件时启动主泵对主系统升温升压。关于主泵启动过程中的转速，为了增加停堆冷却工况下发生瞬态时主泵轴承润滑水膜的厚度，将VFD/RCP的最小转速设定为425rpm（即23.6%额定转速），因为轴承润滑水膜的厚度随转速的增加而增加。为了缩短RCP在低速区（-300～425rpm）的停留时间，增加RCP低速运行时的升速速率，将主泵0rpm或-300rpm启动升速至425rpm过程中的升速速率设定为6～7Hz/sec。当RCP从425rpm向更高转速升速时，其升速速率设定为0.5Hz/sec，在RCP反转工况下，VFD将主泵由较高的反转转速制动到-300rpm过程中，其升速速率设定为0.5Hz/sec。在RCP升速和降速过程中，在50%和88%转速平台设置一个10分钟的停留时间，目的是使轴承各部分的温度达到均匀。

AP1000没有设计成部分主泵运行在低功率水平，所以在额定功率运行期间，如果一台泵发生故障，电站就会停堆。如果电站处于低功率的水平，此时一台泵停运，不会引起停堆，可以通过变频器将其他的泵降低到一个较低的转速，然后将跳掉的泵重新启动。瞬态工况下，在发生反应堆停堆或电力丧失之后，反应堆冷却剂继续流动一段时间，对反应堆保护是重要的。为了提供该流量，每台反应堆冷却剂泵都装有高密度的飞轮和高转动惯量的转子。

电站停闭第一阶段依靠反应堆冷却剂系统和蒸汽发生器系统共同来完成对堆芯的冷却。在这一阶段RCS的温度高于177℃，为了保持稳压器的喷雾流量，RCS系统1环路至少有一台主泵在运转。为了获得附加的喷淋流量，可以两台主泵同时运转。一台主泵运行足以提供充分的流量以带走堆芯余热。电站停闭第二阶段依靠正常余热排出系统来完成对堆芯的冷却。当反应堆冷却剂温度低于177℃，压力达到2.76～3.10MPa范围内时，进入电站停闭第二阶段。正常余热排出系统从RCS的热段吸入冷却剂，经过热交换器后，通过反应堆压力容器直接注射管线将冷却剂返回到反应堆压力容器内。

具体过程如下：（1）当稳压器已被冷却到与反应堆冷却剂泵运行所要求的最小压力相对应的饱和温度时，保持稳压器中的冷却剂压力和温度恒定，继续冷却一回路冷却剂。在这期间，冷却剂压力保持在等于或高于反应堆冷却剂泵运行所要求的最小压力；（2）当RCS的温度降到了82℃时，经化学容积控制系统向RCS添加过氧化氢（H2O2），以降低RCS中的放射性。在注H2O2的全过程，为保持稳压器和RCS系统其他部分的冷却剂中化学成份相平衡，反应堆冷却剂泵要继续运行；（3）在RCS温度降到了71.7℃之后，若RCS的放射性水平已降低到了计划停闭的水平，则可以停闭正在运行的反应堆冷却剂泵。

3 主泵倒转运行分析

3.1 传统压水堆核电厂主泵倒转的危害

3.1.1 对于机械部件的损伤。在传统压水堆电厂中，主泵都有防倒转装置，因为主泵的倒转可能引起电机启动时导致启动力矩过大和机械部件的损坏。对于一般的屏蔽泵也是不允许倒转的，因为倒转可能会使泵发生气蚀，失去平衡，影响泵的扬程和流量，还可能产生异常的推力，导致轴承磨损、螺栓松动以及泵的损伤。

3.1.2 对于电机的损伤。传统压水堆核电厂的主泵不允许倒转，是因为如果主泵倒转，在合上主泵断路器后，电机定子中有电流流过，同时在转子上感应出磁场，而转子此刻在反转，它又会在定子中感应出一个磁场，这时主泵就相当于一个异步发电机，感应磁场的方向与定子中电流产生的磁场方向相反，且无法送到外电网上，只能消耗在定子上，引起定子的发热，温度过高时会破坏定子绝缘。此外，定子电流磁场施加在转子上的力与转子转动方向相反，增加了泵启动时的启动力矩，会增加启动电流，加剧定子绕组的发热，还可能会造成电机部件的机械损坏和紧固件的松动区，所以传统核电厂主泵都有防倒转装置。

3.2 AP1000主泵倒转运行工作原理

对于轴承的损伤，AP1000主泵使用双向中心支承推力轴承，可以承受倒转。对于电机的损伤，采用具有再生反馈能力的变频器装置连接到中压母线上，有效地解决了这一问题。变频器的变频和调压功能是通过改变可控硅的导通角来达到的，AP1000变频器在控制回路上增加一套变流回路，当合上主泵的断路器，而主泵工作在倒转状态时，动能转化来的电能就会使变频器的贮能电容的电压升高，升高到一定程度时，电压就会反向，使正常的变频回路处于关闭状态、电子元件不导通，而使增加的交流回路的可控硅导通，使电能通过可控交变流器反馈给电网，这样就可以实现把倒转时主泵的贮能送到电网上而不会对电机造成影响。同时定子电流的磁场作用在转子上的力会使转子转速减慢至零转速，实现制动。变频器有了再生反馈能力，可以实现灵活的主泵启动。在主泵启动的过程中，四台主泵相继启动。在第一台主泵启动后，其余的主泵均倒转运行。但是在第二台主泵供电以后，第二台主泵受到制动的电磁功率的作用，转速逐渐下降到零，同时转子储存的能量通过再生反馈回路传递给电网。在第二台主泵转速下降到零之后，变频装置才控制第二台主泵逐渐升高速度至300rpm。其余泵的启动过程与第二台主泵相同。AP1000主泵在转速为同步转速（1800rpm）的-85%～100%时，是允许倒转的。

主泵倒转在停堆或者低功率（小于10%功率）运行情况下可能发生。表1给出了主泵在冷态和热态各种倒转情况下的流量。

4 主泵倒转对其他系统的影响

根据主泵布置的特点，主泵的倒转在任何环路上都有可能发生，且每台泵都有可能倒转，意味着每一条环路，都有发生冷却剂逆流的可能性。与主冷却剂环路有接口的系统，其功能受到的影响分析如下：

第一，与蒸汽发生器下封头有接口的系统，例如：化学和容积控制系统CVS和非能动余热排出热交换器PRHR。对于CVS，因为上充出口管线装有逆止阀，所以不会出现倒流，但CVS的净化流驱动力来自于主泵，所以如果主泵倒转，CVS的净化流就有可能失去。

对于PRHR，如果1环上的一台主泵发生倒转，不会引起热端冷却剂的倒流，根据上表，一台泵倒转，其最大的倒转流量是-9107.7m3/hr，而另一台的流量此时为22371.8m3/hr，所以此时热端流量仍然是正向流，不会影响到PRHR的功能。但是如果1环的两台主泵都发生倒转了，那么环路的冷却剂流向就会反向，PRHR的功能就不能实现，这种情况是不允许的。所以AP1000在运行上也要做到杜绝这种情况的发生。一环的两台主泵不能同时停运，设计上把同一环上的两台主泵分别放在两条独立的中压母线上，防止单一故障引起两台泵同时跳闸。另外在运行规程中也对这点特别强调，提醒操纵员注意。

第二，对于直接注入（DVI）管线，存在倒流的可能，但与DIV管嘴相连接的各个系统，堆芯补水箱（CMT）、安注箱（ACC）、安全壳内置换料水箱（IRWST）管线上都装有逆止阀，且CMT一动作，所有的主泵都停运，倒转影响不大。对于RNS会有些影响，影响RNS正常的注入流量，但RNS泵和主泵的压头差不多，而主泵倒转时压头不会那么高，所以RNS仍然可以通过DIV注入，能满足堆芯余热的导出。

5 结语

AP1000屏蔽主泵是大型屏蔽泵在核电领域的第一次应用，目前还处于试验阶段，再生制动功能使得主泵允许倒转，简化了系统的设计，增加了RCS系统的可用性。但由于没有可参考的同类型泵的运行经验，使泵的运行和维护存在一些不确定的因素，对于运行人员来说，前期需要充分了解主泵的设计规范和运行特点，制定可靠的、执行性强的运行规程以及严格的行政管理程序来保障主泵的可靠运行。另外，也需要对主泵可能的故障作风险分析，制定应对策略和维护方案，提高主泵的可用性。

参考文献

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[2] 顾军，等.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：中国原子能出版社，2010.

[3] 林诚格，郁祖盛，欧阳予.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[4] 金毅，钟建兵.AP1000屏蔽式主泵的供电及变频器特点[J].核电工程与技术，2009，（4）.

作者简介：赵孟杰（1988-），男，山东泰安人，三门核电有限公司助理工程师，研究方向：核电厂运行。

（责任编辑：黄银芳）