屏蔽泵在核電中的發展和應用

王川 高亞強

摘要：本文主要介紹了在核電廠的發展歷程上屏蔽泵的應用，重點介紹了屏蔽泵的結構特點、優缺點以及屏蔽泵的發展前景。

關鍵詞：核電；屏蔽泵；反應堆冷卻劑泵；濕定子泵

泵的種類應有盡有，被廣泛應用于化工、石油、電力、食品等多個領域，并且在農業、林業、漁業等各個行業也發揮著重要的作用。其中，屏蔽泵作為泵類設備中非常特殊的一種，由于其具有結構特殊、功能特殊等特性，因此越來越為大家注意。又因其能夠達到絕對無泄漏，符合當今人類社會安全與環保的主題，目前在化工、石化、醫藥、紡織、制冷、航天、核電、軍工等領域已充分采用。本文主要針對屏蔽泵在核電中的發展和應用做以重點介紹。

我們都知道傳統的離心泵都是靠軸封密封完成的，其中，軸封分為機械式和填料式兩種，但是不論哪種軸封都不能完全達到無泄漏。在最早應用的特殊化工行業中，存在各種易燃、易爆、劇毒等介質：例如：液氯、光氣、環氧乙烷等，這些介質一旦泄露到空氣中，就會對人體造成致命的危害，對環境造成難以估量的損失。正是在這種情況下，為了贏求絕對、完全地無泄漏，屏蔽泵應運而生。屏蔽泵是指將定子繞組和轉子繞組分別置于密封金屬筒體內的屏蔽電動機驅動、泵殼與驅動電機外殼用法蘭密封相連，取消了泵軸動密封結構的泵。追溯其歷史，距今大概已經有一百多年了。現在，屏蔽泵在核電行業中也逐漸被廣泛采用。始建于1954年，服役于1958年，已于1982年停運的世界上第一座“專一民用核電站”美國希平港原子能發電站的反應堆冷卻濟泵（即主泵）就是采用屏蔽泵。核電中的反應堆冷卻劑具有高溫、高壓、高輻射等特點，而使用無泄漏的屏蔽泵作為主泵，結構緊湊，系統簡單，省去了軸承潤滑油系統和復雜的軸封系統。下圖1為基本型的屏蔽泵，主要由電機定子、轉子部件（軸）、葉輪、泵體、耐磨板、定轉子屏蔽套、軸承等幾部分組成。從上圖可以看出屏蔽泵的幾大特點：

1、電機和泵連成一體，與傳統的軸封泵和電機通過聯軸器相連有很大的區別，傳統的軸封泵通過聯軸器與電機連接，轉子位置是固定的，而屏蔽泵的轉子是動態的，只有當軸向力平衡時才能在某一位置達到平衡，當介質的特性如溫度、壓力、粘度等發生改變時，該轉子也會發生相應的移動，換言之，同一臺屏蔽泵，輸送不同工況的介質或者不同的溫度壓力等，平衡狀態是不一樣的。基于此，筆者得出這樣結論：想用好屏蔽泵，就一定要控制好軸向力。

2、電機轉子和泵軸為共用；即電機的轉子也是泵軸，兩者合二為一；

圖1 屏蔽泵結構圖（基本型）

3、定子屏蔽套：定子屏蔽套是安裝在定子鐵芯里孔內的一個很薄的金屬隔套，與定子里孔完全接觸，保證介質與電機定子完全隔離，由于屏蔽泵轉子完全浸泡在介質中，為減少屏蔽套內產生的渦流損失并減少溫升、改善電機的運轉條件，屏蔽泵必須是采用非磁性、高電阻材料，并在保證其強度的條件下越薄越好，與轉子屏蔽套的間隙越小越好。據筆者了解，幾乎所有定子屏蔽套都是采用的Hastelloy C合金，厚度一般不超過0.6MM。也許大家會感覺這么薄怎么能承受介質的壓力呢？這樣理解是不正確的：定子屏蔽套并非承受介質壓力，只是起到隔離作用，其外部通過定子鐵芯和兩端的支撐筒（或叫加固套）來承擔。還有一種衍生出來的新的屏蔽泵就是濕定子泵， 這種泵甚至連屏蔽套也沒有，下文繼續介紹。

由于美國希平港核電站的順利竣工，吹響了歐美以及日本核電大發展的號角。在接下來的二十世紀六七十年代，全球興起了一波核電建設的浪潮。考慮到核電的經濟性，這一時期建設的核電發電功率都在300MW以上，遠遠超出希平港的60MW。由于當時屏蔽泵的制造難度及在制造工藝等各方面尚未成熟，同時當時的屏蔽泵并不能滿足壓水堆核電廠的惰轉要求，但使用軸封泵可以通過設置很大的飛輪達到該項要求，所以在這一時期建設的核電站幾乎全部采用軸封泵，而放棄了屏蔽泵。我國的大亞灣核電站就是引進的法國該時期的技術路線，而在大亞灣基礎上改進型的嶺澳一期及正在建設的二代改進型百萬千瓦壓水堆核電站兩個共用機組只采用了八臺核三級屏蔽泵，主要用于輔助廠房中硼酸的輸送以及硼回收系統反應堆冷卻劑的輸送。以上幾臺小的屏蔽泵由于溫度和壓力等工況不是很高，所以都和正常的屏蔽泵區別不大。

屏蔽泵和普通離心泵的分類形式基本相同，下文重點說明的是按照安裝方式的不同分為臥式和立式兩種。至于究竟選擇哪種安裝方式，則要根據廠房布置以及系統設計等方面的因素來綜合考量。前面提到的八個核電用的屏蔽泵考慮到泵型較小，因此均采用臥式安裝。但是對于我們現在引進的美國西屋公司第三代AP1000核電技術，它的主泵就是立式安裝的屏蔽泵。其充分考慮到立式安裝具有結構緊湊、占用面積小、易于系統布置等方面的特點。隨著世界制造工業的發展，核電行業也突飛猛進，以前受制于大型屏蔽泵制造難度的問題現已不復存在。目前，AP1000的主屏蔽泵電機功率都達到幾千個千瓦，這在以前是很難想象的。我們都知道屏蔽電機的損耗高，發熱嚴重，定子屏蔽套使定子成為一個封閉區域，這樣定子鐵芯和繞組的冷卻只能靠溫度梯度產生的熱傳導散熱。繞組端部由于散熱困難，成為溫度場中的熱點。屏蔽泵的電機設計原理是散熱困難，需盡可能的做到細而長，但是由于廠房及系統設計等方面的原因，我們又不可能把電機設計過長。因此，針對核電反應堆回路的高溫、高壓以及惰轉等特點，我們在原有基本結構的基礎上做了一些特殊的設計，如：

1、電機繞組采用較高的絕緣等級；

2、通過特殊的結構設計和有效的冷卻來降低電機各部分的溫度：

圖2 AP1000屏蔽泵結構圖

a 在泵部分和電機之間設置迷宮密封阻隔泵殼腔內的高溫冷卻劑和電機腔內的低溫冷卻劑進行熱交換；

b設置外置熱交換器冷卻回路，通過外接冷卻水來冷卻電機的定轉子；

c在電機外殼設置冷卻水夾套，外接冷卻水來帶出電機定子發出的熱量；

d設置上下兩個飛輪。前面也提到了核電惰轉的要求，就是在電源喪失后反應在一段時間內維持一定的通過反應堆的流量，以充分冷卻堆芯。同時，對設備冷卻水喪失惰轉能力不應產生影響。在發生廠外和廠內電源喪失事故并伴隨安全停堆地震時，主泵的惰轉能力也應保持。為了滿足這個要求，每臺主泵應裝有飛輪和慣量較大的轉子，總的轉動慣量用于維持惰轉期間的冷卻劑的流量。屏蔽套直徑不能太大，就不能采用較大的長徑比，因此，最終確定設置兩個飛輪（上下各布置一個），材料被確定為鎢合金，它可在有限體積內實現較高的轉動慣量。

此外，沸水堆上所使用的主泵，也算一種非常特殊的屏蔽泵，也叫濕定子泵，意思就是說電機的整個定子里都是充滿介質的，把前面我們講到的定轉子屏蔽套全部去掉，內部磁損較少，提高了機組的可靠性和效率。那如何提高提高濕定子泵的可靠性呢？關鍵就在于提高濕繞組電機絕緣系統的可靠性和使用壽命，因此所采用的絕緣線包裹導電銅線的質量以及引出線密封絕緣結構這兩個問題就變得尤為重要。目前，濕定子泵在核電中主要應用于沸水堆中，并且已經積累了上千堆年的運行經驗。這些經驗表明，濕定子泵的一次檢修壽命長、效率高。

再有就是臺山EPR三代核電技術，是從法國引進的第三代核電技術路線，單機容量達到1700MW，是世界上單臺核電裝機容量最大的核電機組。雖然主泵并未采用屏蔽泵，但是其輔助系統等則多處使用屏蔽泵，兩臺機組加起來數量有上百臺之多。由此可見，屏蔽泵正越來越引起大家的重視，其使用范圍也越來越廣泛。

綜上所述，隨著國家能源結構的調整，核電將扮演越來越重要的角色，特別是對運轉泵的密封性、可靠性、使用壽命等都提出了更高的標準及更為嚴格的要求，筆者堅信屏蔽泵的優勢會隨著新型核電各機組的發電及穩定安全運行而被核工業所熟悉和認知，發揮舉足輕重的作用。

參考文獻：

【1】李澍，趙芝琳，張恒明.大型先進壓水堆核電廠反應堆冷卻劑泵發展方向的探討.核電，2010（AP1000專刊）

【2】廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統與設備.原子能出版社.2007。