AP1000核電廠葉片可調(diào)式循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)分析

許志攀

摘 要：主要介紹AP100機(jī)組循環(huán)水泵概況，著重論述了循環(huán)水泵葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)原理。分析了可調(diào)葉片式循環(huán)水泵優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。AP1000核電機(jī)組是三代核電機(jī)組之一，循環(huán)水泵的選取是全新的，與CPR以及EPR機(jī)組電站幾乎沒有太多的參考性，筆者通過對AP1000機(jī)組循泵的介紹，力求為后續(xù)類似機(jī)組的循泵配置和應(yīng)用積累更多經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：AP1000機(jī)組 葉片角度調(diào)節(jié)葉片控制單元循環(huán)水泵 立式混流泵

中圖分類號(hào)：TL353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（c）-0141-02

三門核電一號(hào)機(jī)是全球首臺(tái)AP1000機(jī)組，其電廠循環(huán)冷卻水采用一次循環(huán)冷卻供水方式，循環(huán)水取自三門灣，經(jīng)過熱交換器后排入三門灣。該系統(tǒng)采用2×50%循環(huán)水泵配置，單臺(tái)循環(huán)水泵流量139 800 m3/h，揚(yáng)程16.2 m，轉(zhuǎn)速164 rpm，軸功率7700 kW，進(jìn)口直徑4800 mm，出口直徑4100 mm，如果一臺(tái)循環(huán)水泵停運(yùn)或跳閘，在設(shè)計(jì)海水溫度的情況下，機(jī)組出力下降到96%額定功率。

循環(huán)水泵由日本三菱高砂制作所設(shè)計(jì)制造，為立式混流泵，且葉片角度可調(diào)，在國內(nèi)核電廠尚屬首例。葉片角度可調(diào)實(shí)現(xiàn)了冬季循環(huán)水泵可以在較小流量下運(yùn)行，從而降低了泵的功率，減少廠用電量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。該文將簡單介紹循環(huán)水泵機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，保證機(jī)組今后的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。

1 循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)概況

該循環(huán)水泵是單級、浸入式、可調(diào)葉片角度的立式混流泵，其結(jié)構(gòu)主要包括吸入口，出口彎管，出口管，泵軸，葉片及徑向軸承、輪轂及聯(lián)軸器，循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。泵軸及電動(dòng)機(jī)周均為空心，其中電機(jī)頂部裝有控制桿。電動(dòng)機(jī)軸裝有連桿，用于葉片角度控制的葉片控制單元安裝在電動(dòng)機(jī)的頂部，如圖2所示。液壓油系統(tǒng)由油單元、葉片控制單元、葉片控制機(jī)構(gòu)及附屬管路組成。聯(lián)軸器聯(lián)接電機(jī)與泵，其被活塞及活塞環(huán)分成上下兩個(gè)油室。活塞的下部連接在控制桿上，活塞的上部連接有電機(jī)連接桿及油管。葉片控制單元的油使控制桿作向上或向下運(yùn)動(dòng)從而調(diào)整葉片角度，推力軸承安裝在電動(dòng)機(jī)上，機(jī)架承受電動(dòng)機(jī)及泵轉(zhuǎn)子自重及運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸向力，泵的轉(zhuǎn)子徑向力由橡膠導(dǎo)軸承承擔(dān)。

2 葉片安裝角調(diào)整的液壓油系統(tǒng)組成

液壓油系統(tǒng)由油單元、葉片控制單元、葉片控制機(jī)構(gòu)及附屬管路組成。

2.1 油單元

油單元安裝在電機(jī)附近由油箱、冷油器、安全閥、過濾器及油泵組成。油單元供應(yīng)液壓油至葉片控制單元。正常工作時(shí)油泵對油進(jìn)行加壓并由安全閥進(jìn)行控制。油泵為一用一備，備用泵在油失壓或運(yùn)行泵失效時(shí)才啟用。油泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。油被油泵做功或室溫導(dǎo)致的溫升由冷油器進(jìn)行冷卻。

2.2 葉片控制單元

葉片控制單元安裝在電機(jī)頂部，由先導(dǎo)閥、殼體及反饋機(jī)構(gòu)組成。先導(dǎo)閥將油單元供應(yīng)的油分流至活塞有桿腔與無桿腔從而控制葉片安裝角。先導(dǎo)閥由開有進(jìn)出油口的閥體、閥襯及閥桿組成。位于閥桿上部的連桿與控制電機(jī)及反饋桿連接。閥桿與閥襯上油口的相對位置從而實(shí)現(xiàn)配油的功能。控制電機(jī)允許自動(dòng)及手動(dòng)進(jìn)行葉片的調(diào)整。

油管由高壓油管及低壓油管組成，高壓油管套在低壓油管的內(nèi)部。低壓油管由集裝式機(jī)械密封進(jìn)行密封。從葉片控制單元的回油通過疏油管回到油箱。

反饋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)功能為跟隨葉片安裝角的變化以維持先導(dǎo)閥位于中位。所有連桿的鉸接處均有滾動(dòng)球軸承確保靈活的運(yùn)動(dòng)。角度變送器與葉片角度刻度盤連接輸送信號(hào)到主控室用于葉片角度的顯示

2.3 頂軸油單元

頂軸油系統(tǒng)用于防止電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)由于電機(jī)轉(zhuǎn)子與泵轉(zhuǎn)子部件的重量以及水力產(chǎn)生的軸向推力而使推力軸承受到損壞。該系統(tǒng)由循環(huán)油泵、管路與驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，這些均位于循泵電機(jī)頂部，即上機(jī)架上。

3 循泵葉片角度調(diào)節(jié)原理

夏季海水溫度升高，循環(huán)水流量需求增加，可增大循環(huán)水泵的葉片角度，從而獲得更大的流量，下面介紹其角度增大的調(diào)節(jié)過程。

（1）控制電機(jī)接收到信號(hào)后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度。

（2）調(diào)節(jié)連桿上移。

（3）杠桿1繞其與連桿2的鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，杠桿1旋轉(zhuǎn)的同時(shí)拉動(dòng)先導(dǎo)閥閥桿1上移。

（4）控制油從進(jìn)油口進(jìn)入先導(dǎo)閥，流經(jīng)開啟端口并通過高壓油管上的兩個(gè)徑向通油孔進(jìn)入高壓油管。

（5）由高壓油管來的控制油通過連接桿及上控制桿的中心油孔及徑向通油孔進(jìn)入活塞的下部（有桿腔）。

（6）在油壓（正常工作壓力3.5MPa）的作用下，活塞帶動(dòng)整個(gè)控制桿上移，從而驅(qū)動(dòng)下部的動(dòng)葉組件運(yùn)動(dòng)，促使葉片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即葉片安裝角增大，亦即流量增大，如圖2所示。

（7）活塞上移同時(shí)帶動(dòng)連接桿及高壓油管上移，而高壓油管通過聯(lián)軸器與桿6連接，故桿6亦隨之上移。

（8）連桿6的上移通過搖臂5與杠桿4的運(yùn)動(dòng)傳遞，促使連桿3下移，帶動(dòng)搖臂2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在其旋轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)連桿2下移。

（9）先導(dǎo)閥閥桿下移，直至閥桿處于中位，此時(shí)進(jìn)油口與回油口關(guān)閉，活塞位置固定。

（10）在整個(gè)調(diào)整過程中，活塞上部的控制油通過高壓油管與低壓油管的徑向間隙沿先導(dǎo)閥的關(guān)閉端口返回油箱。

根據(jù)以上分析，控制電動(dòng)機(jī)開始動(dòng)作時(shí)，搖臂1帶動(dòng)調(diào)節(jié)絲桿上控制閥閥桿，控制閥閥桿上移使液壓油開始想活塞下部腔室共有驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。由于活塞及控制桿等一系列操作部件存在一定的慣性，所以活塞在控制電機(jī)相應(yīng)開始經(jīng)短暫時(shí)間才會(huì)開始動(dòng)，存在著相應(yīng)時(shí)間上的延遲。

隨著季節(jié)的變化，還水溫度降低時(shí)，循環(huán)水需求量減少，這是我們就可以降低循環(huán)水泵的葉片角度從而得到較小的流量，該過程與增大葉片角度的過程相反，就不再詳述。

4 總結(jié)

4.1 葉片可調(diào)式循泵優(yōu)點(diǎn)

三門灣海水隨季節(jié)變化溫差較大，最高水溫32.5℃，最低水溫4.5℃，循環(huán)水系統(tǒng)需帶走凝氣器的熱量要求是一成不變的，在冬夏不同季節(jié)海水溫差較大的情況下，三門核電廠采用可調(diào)葉片式循環(huán)水泵，能夠降低冬季循環(huán)水泵的功率，從而減少廠用電，據(jù)估計(jì)每年每臺(tái)機(jī)可節(jié)省廠用電124.6萬度，三門核電廠設(shè)計(jì)為6臺(tái)機(jī)組并且運(yùn)行壽命為60年，因此對電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

4.2 葉片可調(diào)式循泵缺點(diǎn)

運(yùn)行限制。改變?nèi)~片角度的頻率要低于一個(gè)月一次的頻度，葉片角度隔一段時(shí)間要改變一點(diǎn)（比如+-5%的角度），以防止控制油單元管產(chǎn)生沉淀；控制油單元的油泵（一用一備）需要定期切換。

循泵葉輪浸沒在海水中，葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的葉片操作機(jī)構(gòu)與葉片聯(lián)接附加了很多密封裝置，這些密封的部位如果出現(xiàn)銹蝕，葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)很可能被銹死，造成無法動(dòng)作，葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，技術(shù)、制造工藝要求很高。早些年曾有少數(shù)電廠使用，但故障較多，近年基本沒有新的使用業(yè)績，具體實(shí)際效果，還需驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)及設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2010.