AP1000核电给水泵系统设计及改进

程 亮，徐智渊

（1.国家知识产权局专利局，北京 100088）；2.中国电能成套设备有限公司，北京 100011）

给水泵在电站辅机中占有重要的地位，作为二回路的主要动力源，给水泵的功耗约为机组功率的2%，其安全可靠运行，直接影响到整个电站的安全性和可用率[1]。

给水泵的作用是将除氧器的水抽出并升压，经高压加热器送到蒸发器，由于系统设置给水泵的作用是使给水获得较高的压力，以便能进入高加后克服其中受热面的阻力，在高加出口得到额定压力参数的蒸汽。理论上给水在高加中吸热是一个定压过程，实际上由于存在压力损失，所以给水泵出口处是整个系统中压力最高的部位。本文针对海阳核电给水泵系统的改进项目，探析AP1000核电给水泵系统的设计及改进。

1 电站给水泵系统常用设计及其特点

1.1 给水泵常用配置特点及系统组成

电站给水泵驱动方式主要有小汽机驱动和电动机驱动两种，配置方式有两汽一电、两电+一备、三电+一备、三电（无备用）等。为提高给水泵运行的经济性，大容量机组都采用变速调节的高速给水泵，转速为5 000～8 000 r/min。在同样的流量和扬程条件下，采用高速给水泵，可以减少泵的体积，减轻泵的重量，节省材料，提高运行可靠性[2-3]。

给水泵传送的流体是高温的饱和水，发生汽蚀的可能性较大。要使泵不发生汽蚀，必须使有效汽蚀余量大于必需的汽蚀余量。泵必需的汽蚀余量随转速的平方成正比地改变，因此，高速泵所需的汽蚀余量比一般水泵高得多，其抗汽蚀性能大大下降，当滑压运行的除氧器工况波动时极易引起汽蚀。为防止给水泵汽蚀，每台给水泵前都安装一台低速前置泵。前置泵的转速较低，所需的汽蚀余量大大减少，加之除氧器仍安装在一定高度，故给水不易汽化。当给水经前置泵后压力提高，增加了进入给水泵的入口压力，提高了泵的有效汽蚀余量，能有效地防止给水泵汽蚀，并可大幅度降低除氧器的布置高度[4]。

汽动给水泵系统：汽动给水泵系统比较复杂，除主设备给水泵汽轮机、主给水泵和前置泵外，还有高低压供汽系统、润滑油系统、排油烟系统、轴封系统、疏水系统、排汽系统、盘车装置以及一套比较复杂的电液控制系统，任何一个系统出现故障，都会影响汽动给水泵的可靠性。系统图如图1所示。

图1 汽动给水泵方案

电动给水泵系统：电动给水泵系统则相对简单，其主要设备为前置泵、电机、主给水泵、齿轮箱（或液力耦合器）[5]，辅助系统主要是润滑油系统（如图2所示）。

图2 电动给水泵方案

1.2 常规火电配置

大机组常规火电给水系统通常配置两台50%容量的汽动给水泵作为经常运行，一台30%容量的电动调速给水泵作为机组启动和汽动给水泵故障时的备用泵。电动给水泵在机组正常运行期间处于热备用状态，当汽轮机甩负荷或汽动给水泵突然出现故障时，电动给水泵能立即投入运行。电动给水泵能够自动跟踪汽动给水泵的运行状态，并可以与汽动给水泵并列运行[6]。

1.3 其他核电配置

大亚湾、岭澳一期核电：每台机组配置三台主给水泵（两汽一电），正常工况时两台汽动泵运行，一台电动泵备用，汽动泵最大容量为65%额定给水流量（大亚湾），汽动泵最大容量为75%额定给水流量（岭澳一期）。电泵为30%额定给水流量。岭澳二期核电：每台机组配置三台主给水泵（三电），每台电泵50%额定给水流量，正常工况时两台电泵运行，一台电泵备用[7]。

2 海阳核电给水泵系统设计分析

海阳核电一期工程根据AP1000 的标准设计，采用3台33.3%容量的（额定给水流量2 548 m3/h）电动定速主给水泵组并列运行，不设备用给水泵。

2.1 性能要求

每台主给水泵的设计功能为：在前置泵以1 490 r/min 和压力级泵以4 750 r/min 运行时，能以7.45 MPa 的扬程输送630 kg/s 的流量，因此每台主给水泵的功率为8 100 kW，主要参数表如表1 所示。

表1 山东海阳核电给水泵参数表

其中：工况A对应于100%正常负荷工况；

工况B对应于增加给水需求，以补充蒸汽发生器的水装量损失；

工况C对应于调节阀全开工况。

2.2 系统组成及描述

主给水泵由前置泵、齿轮箱、电机、压力级泵组成（如图3所示）。

图3 AP1000核电给水泵流程图

来自除氧器的水经过电动隔离阀和临时滤网进入前置泵，然后进过流量孔板和永久滤网进入压力级泵，经过压力级泵升压后的给水经过出口逆止阀和电动隔离阀送到高压加热器。

2.3 系统设计特点

（1）采用电动泵，而非汽动泵

海阳核电选用电动给水泵的原因主要和主机选型有关。大机组常规火电机组均是全速机组，参数较高，新蒸汽全部为过热蒸汽，由于给水泵汽轮机的效率较高，长期运行效率可观，因此采用汽动给水泵作为运行给水泵已基本达成共识。

对于核电机组，由于蒸汽参数较火电机组低很多，新蒸汽为带一定湿度的饱和蒸汽，汽轮机为了考虑蒸汽除湿，内功率有所降低，特别是主机采用半速机后，选用汽动给水泵与电动给水泵在运行经济性方面相差不大。大亚湾及岭澳一期选择汽动给水泵原因是这两个电厂都选用全速机，由于当时主机末级叶片加工技术无法满足，因此发电机组的轴系无法太长，因此限制了汽缸排气面积，为降低主机排汽损耗，提高主机低压缸末级效率，因此选用汽动给水泵。而岭澳二期主机采用的是半速机，低压缸末级效率得到提高，因此选择采用电动给水泵。海阳核电汽轮机采用日本三菱与哈动联合供货的半转速（1 500 r/mim）凝汽式汽轮发电机组，型式为单轴、中间再热、四缸六排汽，因此选用电动给水泵的方案是可行的。

（2）采用三台电泵，没有备用泵

根据AP1000的标准设计，每台机组只设置三台容量分别为33.3%的电动给水泵，而无需备用。根据AP1000的设计理念，给水泵设备可用率很高，且一旦出现单泵跳闸的问题时，可以通过调整给水调节阀调节SG的水位，并且与核岛进行连锁后降到70%功率运行。该设计理念对系统设计而言相对简单，但对给水泵的制造要求大大增加。特别是海阳项目给水泵由上海电力修造总厂与日本三菱联合制造，对于第一次接触核电项目的国内总承包公司，风险较大。

（3）采用齿轮箱，取代耦合器

采用齿轮箱的定速泵理念，而非采用耦合器进行调节，使系统比较简单，但是在实际的运行工况变化多样，采用定速泵后或多或少会使流量大于或小于实际的要求，对系统的经济性影响较大，但提高了系统运行的简便性和安全性。

2.4 关于最大流量点问题

采用定速泵无备用后，最大的问题是如何解决单泵跳闸后系统最大流量点的问题，而该问题又与上述的设计理念有直接的联系。

2.4.1 给水调节阀的工作原理

图4 为三冲量给水调节示意图。当正常运行期间，通过装在给水出口管路的给水调节阀开度调节向SG的供水量。

AP1000机组高负荷时，投入三冲量调节给水调节模式，通过SG水位、给水流量和蒸汽流量的测量值来控制给水调节阀开度，保证SG水位在设定范围内波动。

图4 三冲量给水调节示意图

如图5 所示，当单台给水泵跳闸时，由于蒸汽/给水流量不匹配，需立即触发Runback 快速降至70%负荷，反应堆控制棒下插，通过降低功率来减少SG 的产汽量。汽机调节汽门快关，以100%负荷/分钟的速度在18秒时间降负荷至70%。

图5 单泵跳闸后运行工况示意图

瞬态初期，给水流量小于蒸汽流量，蒸发器水位持续下降。通过三冲量调节，给水流量调节阀开度将增大，减小调节阀的节流阻力，降低运行给水泵出口背压，克服SG 与除氧器间的差压，来增加给水总量，缓和SG水位下降。此时两台运行给水泵的水量远大于给水泵额定给水量，出现了给水泵的最大流量工况点。

单台给水泵跳泵，给水流量降低，给水管路沿程阻力降低，运行泵背压降低，每台泵供水量略大于额定流量，为A—＞B。

给水调节阀开度增加，管路阻力迅速降低以进一步增加供水量，为B—＞C，C 点处给水泵流量最大，扬程最低。

待SG水位开始回升，给水调节阀关小以保证汽水量平衡，为C—＞D。

根据WEC 提供的Runback 过程给水流量瞬态曲线分析，两台给水泵处于最大工况点的供水量相当于三台泵总给水量的88.8%。即最大流量工况点每台泵提供44.4%总给水量，为给水泵额定流量的133.3%。为了满足单泵跳闸Runback 瞬态工况下，SG对给水流量的需求，海阳项目给水泵的流量、扬程和电机功率有足够设计裕量。运行给水泵在瞬态期间的最大工况点流量为额定流量的133.3%，此时给水泵扬程相对额定流量扬程下降约0.8 MPa，但可以向SG 正常供水。正常运行时，主给水调节阀为节流运行，每台给水泵的出口有0.8 MPa消耗在主给水调节阀上。此时，给水泵的扬程裕量被主给水调节阀节流吸收，造成潜在经济损失。

3 海阳核电给水泵系统设计的改进

3.1 目前海阳核电给水泵系统存在的问题

由于海阳核电给水泵系统不设置备用给水泵，假定每年因一台给水泵停运而被迫70%功率运行一天，损失电量为902 万kWh，上网电价按0.40 元/kWh 计，损失360 万元/年。机组在额定负荷时，给水调节阀节流运行，开度仅60%，阀门阻力在0.89 MPa 以上。对应消耗电功率大约2 400 kW（忽略给水节流升温回收的能量），按年运行7 000 h，上网电价0.40 元/kWh计算，每年因主给水调节阀节流损失2 400×7 000×0.4=672 万元/年，即运行三年的经济损失与一台给水泵组的价格相当。另外，主给水调节阀节流较大也使阀芯易磨损，影响寿命。

3.2 改进措施

（1）配置一台备用泵

为了避免标准AP1000核电机组主给水泵配置的缺陷，采用三运一备给水泵的配置方案。每台给水泵额定给水流量与标准AP1000 给水泵相同，为2 548 m3/h，3 台33.3%容量给水泵运行，备用泵投联锁作热备用。当单台运行给水泵跳闸时，备用泵联启，在7 秒后达到额定转速。可以迅速平衡跳泵造成的水量波动，SG水位和机组负荷略有降低后，逐渐回复稳定。机组在跳泵期间保持稳定，不需要触发Runback。

（2）采用液力耦合器调节

采用液力耦合器的调节方式，使给水泵能针对不同的工况点进行调节，调节方式较灵活，能同时满足给水泵最大点流量问题及正常运行工况时的能耗。

3.3 改进措施优缺点分析

（1）采用备用泵的优势在于：①SG水位和机组负荷扰动小；②由于跳泵瞬态期间，给水量波动减小，运行给水泵不存在最大工况点，给水泵设计扬程相对一期给水泵可降低约0.8 MPa，可大大节省设备初期投资的费用；③在实际运行工况中，主给水调节阀节流阻力可降低约0.8 MPa，可节省能耗；④运行每台主给水泵电机容量可降低约700～900 kW；⑤增加系统的安全性，一台主给水泵停运不影响机组出力，机组可以长期满功率运行。

缺点在于：①给水泵和主给水调节阀需重新设计；②常规岛厂房内增加一台给水泵，影响内部空间；③给水泵主要设备部件与一期原有设备不能互通使用；④单泵跳闸瞬态期间，SG水位的调节过程及对核岛的影响需分析校核。

（2）采用夜里耦合器的优势在于：调节灵活，能同时满足最大点运行工况及正常运行工况，减少正常运行时的能耗。

缺点在于：液力耦合器较齿轮箱结构复杂，增加一个故障点，增加了运行维护的工作。

4 结束语

总的说来，由于AP1000主给水泵系统配置的缺陷，造成选择的给水泵扬程裕量过大，上述改进是充分考虑了海阳核电运行的特点提出的。特别是采用三用一备的给水泵系统配置方式，将大大提高给水泵系统运行的安全性及稳定性，减少了因给水泵故障所引起的核岛反应堆跳闸及降功率运行的风险，从而为核电站的安全高效运行提供了技术保证。

［1］陈娟，田瑞航.核电半速机组给水泵驱动方式的选择［J］.广东电力，2005（8）：38-41.

［2］杨诗成，王喜魁.泵与风机［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［3］GB/T 50265-97.泵站设计规范［S］.

［4］丘传忻.泵站［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［5］全国化工设备设计技术中心站.工业泵选用手册［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［6］本书编委会.岭澳核电工程实践与创新-设计管理与采购卷［M］.北京：原子能出版社，2002.

［7］李梅.核电站给水泵及相关设备的改进［J］.电力建设，2001（9）：40-42.