AP1000核電給水泵系統設計及改進

程 亮，徐智淵

（1.國家知識產權局專利局，北京 100088）；2.中國電能成套設備有限公司，北京 100011）

給水泵在電站輔機中占有重要的地位，作為二回路的主要動力源，給水泵的功耗約為機組功率的2%，其安全可靠運行，直接影響到整個電站的安全性和可用率[1]。

給水泵的作用是將除氧器的水抽出并升壓，經高壓加熱器送到蒸發器，由于系統設置給水泵的作用是使給水獲得較高的壓力，以便能進入高加后克服其中受熱面的阻力，在高加出口得到額定壓力參數的蒸汽。理論上給水在高加中吸熱是一個定壓過程，實際上由于存在壓力損失，所以給水泵出口處是整個系統中壓力最高的部位。本文針對海陽核電給水泵系統的改進項目，探析AP1000核電給水泵系統的設計及改進。

1 電站給水泵系統常用設計及其特點

1.1 給水泵常用配置特點及系統組成

電站給水泵驅動方式主要有小汽機驅動和電動機驅動兩種，配置方式有兩汽一電、兩電+一備、三電+一備、三電（無備用）等。為提高給水泵運行的經濟性，大容量機組都采用變速調節的高速給水泵，轉速為5 000～8 000 r/min。在同樣的流量和揚程條件下，采用高速給水泵，可以減少泵的體積，減輕泵的重量，節省材料，提高運行可靠性[2-3]。

給水泵傳送的流體是高溫的飽和水，發生汽蝕的可能性較大。要使泵不發生汽蝕，必須使有效汽蝕余量大于必需的汽蝕余量。泵必需的汽蝕余量隨轉速的平方成正比地改變，因此，高速泵所需的汽蝕余量比一般水泵高得多，其抗汽蝕性能大大下降，當滑壓運行的除氧器工況波動時極易引起汽蝕。為防止給水泵汽蝕，每臺給水泵前都安裝一臺低速前置泵。前置泵的轉速較低，所需的汽蝕余量大大減少，加之除氧器仍安裝在一定高度，故給水不易汽化。當給水經前置泵后壓力提高，增加了進入給水泵的入口壓力，提高了泵的有效汽蝕余量，能有效地防止給水泵汽蝕，并可大幅度降低除氧器的布置高度[4]。

汽動給水泵系統：汽動給水泵系統比較復雜，除主設備給水泵汽輪機、主給水泵和前置泵外，還有高低壓供汽系統、潤滑油系統、排油煙系統、軸封系統、疏水系統、排汽系統、盤車裝置以及一套比較復雜的電液控制系統，任何一個系統出現故障，都會影響汽動給水泵的可靠性。系統圖如圖1所示。

圖1 汽動給水泵方案

電動給水泵系統：電動給水泵系統則相對簡單，其主要設備為前置泵、電機、主給水泵、齒輪箱（或液力耦合器）[5]，輔助系統主要是潤滑油系統（如圖2所示）。

圖2 電動給水泵方案

1.2 常規火電配置

大機組常規火電給水系統通常配置兩臺50%容量的汽動給水泵作為經常運行，一臺30%容量的電動調速給水泵作為機組啟動和汽動給水泵故障時的備用泵。電動給水泵在機組正常運行期間處于熱備用狀態，當汽輪機甩負荷或汽動給水泵突然出現故障時，電動給水泵能立即投入運行。電動給水泵能夠自動跟蹤汽動給水泵的運行狀態，并可以與汽動給水泵并列運行[6]。

1.3 其他核電配置

大亞灣、嶺澳一期核電：每臺機組配置三臺主給水泵（兩汽一電），正常工況時兩臺汽動泵運行，一臺電動泵備用，汽動泵最大容量為65%額定給水流量（大亞灣），汽動泵最大容量為75%額定給水流量（嶺澳一期）。電泵為30%額定給水流量。嶺澳二期核電：每臺機組配置三臺主給水泵（三電），每臺電泵50%額定給水流量，正常工況時兩臺電泵運行，一臺電泵備用[7]。

2 海陽核電給水泵系統設計分析

海陽核電一期工程根據AP1000 的標準設計，采用3臺33.3%容量的（額定給水流量2 548 m3/h）電動定速主給水泵組并列運行，不設備用給水泵。

2.1 性能要求

每臺主給水泵的設計功能為：在前置泵以1 490 r/min 和壓力級泵以4 750 r/min 運行時，能以7.45 MPa 的揚程輸送630 kg/s 的流量，因此每臺主給水泵的功率為8 100 kW，主要參數表如表1 所示。

表1 山東海陽核電給水泵參數表

其中：工況A對應于100%正常負荷工況；

工況B對應于增加給水需求，以補充蒸汽發生器的水裝量損失；

工況C對應于調節閥全開工況。

2.2 系統組成及描述

主給水泵由前置泵、齒輪箱、電機、壓力級泵組成（如圖3所示）。

圖3 AP1000核電給水泵流程圖

來自除氧器的水經過電動隔離閥和臨時濾網進入前置泵，然后進過流量孔板和永久濾網進入壓力級泵，經過壓力級泵升壓后的給水經過出口逆止閥和電動隔離閥送到高壓加熱器。

2.3 系統設計特點

（1）采用電動泵，而非汽動泵

海陽核電選用電動給水泵的原因主要和主機選型有關。大機組常規火電機組均是全速機組，參數較高，新蒸汽全部為過熱蒸汽，由于給水泵汽輪機的效率較高，長期運行效率可觀，因此采用汽動給水泵作為運行給水泵已基本達成共識。

對于核電機組，由于蒸汽參數較火電機組低很多，新蒸汽為帶一定濕度的飽和蒸汽，汽輪機為了考慮蒸汽除濕，內功率有所降低，特別是主機采用半速機后，選用汽動給水泵與電動給水泵在運行經濟性方面相差不大。大亞灣及嶺澳一期選擇汽動給水泵原因是這兩個電廠都選用全速機，由于當時主機末級葉片加工技術無法滿足，因此發電機組的軸系無法太長，因此限制了汽缸排氣面積，為降低主機排汽損耗，提高主機低壓缸末級效率，因此選用汽動給水泵。而嶺澳二期主機采用的是半速機，低壓缸末級效率得到提高，因此選擇采用電動給水泵。海陽核電汽輪機采用日本三菱與哈動聯合供貨的半轉速（1 500 r/mim）凝汽式汽輪發電機組，型式為單軸、中間再熱、四缸六排汽，因此選用電動給水泵的方案是可行的。

（2）采用三臺電泵，沒有備用泵

根據AP1000的標準設計，每臺機組只設置三臺容量分別為33.3%的電動給水泵，而無需備用。根據AP1000的設計理念，給水泵設備可用率很高，且一旦出現單泵跳閘的問題時，可以通過調整給水調節閥調節SG的水位，并且與核島進行連鎖后降到70%功率運行。該設計理念對系統設計而言相對簡單，但對給水泵的制造要求大大增加。特別是海陽項目給水泵由上海電力修造總廠與日本三菱聯合制造，對于第一次接觸核電項目的國內總承包公司，風險較大。

（3）采用齒輪箱，取代耦合器

采用齒輪箱的定速泵理念，而非采用耦合器進行調節，使系統比較簡單，但是在實際的運行工況變化多樣，采用定速泵后或多或少會使流量大于或小于實際的要求，對系統的經濟性影響較大，但提高了系統運行的簡便性和安全性。

2.4 關于最大流量點問題

采用定速泵無備用后，最大的問題是如何解決單泵跳閘后系統最大流量點的問題，而該問題又與上述的設計理念有直接的聯系。

2.4.1 給水調節閥的工作原理

圖4 為三沖量給水調節示意圖。當正常運行期間，通過裝在給水出口管路的給水調節閥開度調節向SG的供水量。

AP1000機組高負荷時，投入三沖量調節給水調節模式，通過SG水位、給水流量和蒸汽流量的測量值來控制給水調節閥開度，保證SG水位在設定范圍內波動。

圖4 三沖量給水調節示意圖

如圖5 所示，當單臺給水泵跳閘時，由于蒸汽/給水流量不匹配，需立即觸發Runback 快速降至70%負荷，反應堆控制棒下插，通過降低功率來減少SG 的產汽量。汽機調節汽門快關，以100%負荷/分鐘的速度在18秒時間降負荷至70%。

圖5 單泵跳閘后運行工況示意圖

瞬態初期，給水流量小于蒸汽流量，蒸發器水位持續下降。通過三沖量調節，給水流量調節閥開度將增大，減小調節閥的節流阻力，降低運行給水泵出口背壓，克服SG 與除氧器間的差壓，來增加給水總量，緩和SG水位下降。此時兩臺運行給水泵的水量遠大于給水泵額定給水量，出現了給水泵的最大流量工況點。

單臺給水泵跳泵，給水流量降低，給水管路沿程阻力降低，運行泵背壓降低，每臺泵供水量略大于額定流量，為A—＞B。

給水調節閥開度增加，管路阻力迅速降低以進一步增加供水量，為B—＞C，C 點處給水泵流量最大，揚程最低。

待SG水位開始回升，給水調節閥關小以保證汽水量平衡，為C—＞D。

根據WEC 提供的Runback 過程給水流量瞬態曲線分析，兩臺給水泵處于最大工況點的供水量相當于三臺泵總給水量的88.8%。即最大流量工況點每臺泵提供44.4%總給水量，為給水泵額定流量的133.3%。為了滿足單泵跳閘Runback 瞬態工況下，SG對給水流量的需求，海陽項目給水泵的流量、揚程和電機功率有足夠設計裕量。運行給水泵在瞬態期間的最大工況點流量為額定流量的133.3%，此時給水泵揚程相對額定流量揚程下降約0.8 MPa，但可以向SG 正常供水。正常運行時，主給水調節閥為節流運行，每臺給水泵的出口有0.8 MPa消耗在主給水調節閥上。此時，給水泵的揚程裕量被主給水調節閥節流吸收，造成潛在經濟損失。

3 海陽核電給水泵系統設計的改進

3.1 目前海陽核電給水泵系統存在的問題

由于海陽核電給水泵系統不設置備用給水泵，假定每年因一臺給水泵停運而被迫70%功率運行一天，損失電量為902 萬kWh，上網電價按0.40 元/kWh 計，損失360 萬元/年。機組在額定負荷時，給水調節閥節流運行，開度僅60%，閥門阻力在0.89 MPa 以上。對應消耗電功率大約2 400 kW（忽略給水節流升溫回收的能量），按年運行7 000 h，上網電價0.40 元/kWh計算，每年因主給水調節閥節流損失2 400×7 000×0.4=672 萬元/年，即運行三年的經濟損失與一臺給水泵組的價格相當。另外，主給水調節閥節流較大也使閥芯易磨損，影響壽命。

3.2 改進措施

（1）配置一臺備用泵

為了避免標準AP1000核電機組主給水泵配置的缺陷，采用三運一備給水泵的配置方案。每臺給水泵額定給水流量與標準AP1000 給水泵相同，為2 548 m3/h，3 臺33.3%容量給水泵運行，備用泵投聯鎖作熱備用。當單臺運行給水泵跳閘時，備用泵聯啟，在7 秒后達到額定轉速。可以迅速平衡跳泵造成的水量波動，SG水位和機組負荷略有降低后，逐漸回復穩定。機組在跳泵期間保持穩定，不需要觸發Runback。

（2）采用液力耦合器調節

采用液力耦合器的調節方式，使給水泵能針對不同的工況點進行調節，調節方式較靈活，能同時滿足給水泵最大點流量問題及正常運行工況時的能耗。

3.3 改進措施優缺點分析

（1）采用備用泵的優勢在于：①SG水位和機組負荷擾動小；②由于跳泵瞬態期間，給水量波動減小，運行給水泵不存在最大工況點，給水泵設計揚程相對一期給水泵可降低約0.8 MPa，可大大節省設備初期投資的費用；③在實際運行工況中，主給水調節閥節流阻力可降低約0.8 MPa，可節省能耗；④運行每臺主給水泵電機容量可降低約700～900 kW；⑤增加系統的安全性，一臺主給水泵停運不影響機組出力，機組可以長期滿功率運行。

缺點在于：①給水泵和主給水調節閥需重新設計；②常規島廠房內增加一臺給水泵，影響內部空間；③給水泵主要設備部件與一期原有設備不能互通使用；④單泵跳閘瞬態期間，SG水位的調節過程及對核島的影響需分析校核。

（2）采用夜里耦合器的優勢在于：調節靈活，能同時滿足最大點運行工況及正常運行工況，減少正常運行時的能耗。

缺點在于：液力耦合器較齒輪箱結構復雜，增加一個故障點，增加了運行維護的工作。

4 結束語

總的說來，由于AP1000主給水泵系統配置的缺陷，造成選擇的給水泵揚程裕量過大，上述改進是充分考慮了海陽核電運行的特點提出的。特別是采用三用一備的給水泵系統配置方式，將大大提高給水泵系統運行的安全性及穩定性，減少了因給水泵故障所引起的核島反應堆跳閘及降功率運行的風險，從而為核電站的安全高效運行提供了技術保證。

［1］陳娟，田瑞航.核電半速機組給水泵驅動方式的選擇［J］.廣東電力，2005（8）：38-41.

［2］楊詩成，王喜魁.泵與風機［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］GB/T 50265-97.泵站設計規范［S］.

［4］丘傳忻.泵站［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［5］全國化工設備設計技術中心站.工業泵選用手冊［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［6］本書編委會.嶺澳核電工程實踐與創新-設計管理與采購卷［M］.北京：原子能出版社，2002.

［7］李梅.核電站給水泵及相關設備的改進［J］.電力建設，2001（9）：40-42.