AP1000核电循环水泵选型及配置分析

机电工程技术2012年第41卷第02期经验交流DOI: 10. 3969/j. issn. 1009- -9492. 2012. 02. 020AP1000核电循环水泵选型及配置分析徐智渊'，程亮2(1.中国电能成套设备有限公司，北京100011; 2.国家知识产权局专利局，北京100088)摘要:循环水泵与方案配置是否合理直接影响整个核电机组的热经济性和安全性。从循环水泵的选型原则、方案选择和经济性比较等方面，通过分析比较后给出金属混流泵及混凝土蜗壳泵的优缺点，并指出这两个技术方案各自的优缺点和适用范围。关键词: AP1000核电;循环水泵;系统设计;选型分析中圈分类号: TL353文献标识码: A文章编号: 1009 - 9492 (2012)02 -0075 -05analysis of Circulating Water Pump Selection and Configurationof AP1000 Nuclear Power PlantXU Zhi-yuan', CHENG Liang(1.China Power Complete Equipment Co, Ltd, Beijing 10011，China; 2.State Inellectual Property Office of theP.R.C, Beijing 100088，China)Abstract: The proper choose of eirculating water pump model is direct lfeet the economic and security of Nuclear Power Unit. This articlegives the recommendatory scheme after comparison of metallic pump and volute pump form the spect of type choosing, scheme choiceand economy comparison, and points out the merits, defects and the pplicable scope of each scheme.Key words: AP1000 nuclear power; eirculting water pump; system design; model choosing1引言厂用水系统(SWS) 是非安全相关，因此循环水循环水泵作为核电机组循环水系统的重要设泵房的设计与核安全无关，按常规标准进行设备，负责将经过过滤的冷却水输送到冷凝器，保计，常规设计按三十三年一遇水位设计，百年- -证汽轮机排汽在凝汽器中不断凝结，带走机组的遇水位校核。余热。因此对于循环水泵的选型及配置的方案对2核电循环水泵常用泵型及其特点.核电机组的安全性及经济性有着非常重要的作用。目前核电站循环水泵主要可分为两大类，即某AP1000核电站循环水系统流程为:海生物混凝土涡壳泵(离心式泵)和金属混流泵(包括拦截设施- >取水明渠- +泵房前池→粗格栅(附带固定叶或动叶可调)两种。欧洲的核电厂及采用加氯框) -→钢闸门-→栏污栅-→鼓型旋转滤网-→循欧洲核电技术的国内厂址主要采用混凝土涡壳式环水泵-→液控蝶阀-→循环水压力进水管-→凝汽器的循环水泵，如大亚湾核电、 岭澳核电、秦山核及辅机-→循环水压力回水管-→虹吸井-→排水暗沟电等。美国、日本的核电厂多采用金属混流式循-排水口- +排水明渠- +大海。环水泵，如日本泊3核电、台湾龙门核电等。由.其循环水量(海水)每台机组约为67m'/s于AP1000核电采用美国西屋的设计思路，因此在(包括常规岛开式冷却水量1m/s，及核岛开式冷其标准设计中也推荐采用金属混流式循环水泵。却水量2m2/s),一期工程两台机组总海水量约为核电站循环水系统流量比较大，百万千瓦核134m/s。由于本工程核岛采用西屋公司先进的非电机组循环水量在60m/s以上，水泵扬程通常在能动AP1000技术，核岛的最终热阱为大气，核岛10~13m左右。根据其流量特点，电站循环水泵常收稿日期: 2011-09-2575下。1(经验交流机电工程技术2012年第41卷第02期Q-n2-^40 t40 FQ-H32 F3224 t16 F\Q-NNPSH0203010Q/(m/)Q(m/)(a)离心泵(b)混流泵图1离心泵 与混流泵性能曲线采用低速离心泵或混流泵。离心泵与混流泵的主离开此区间，泵的效率随偏离而降低，偏离该数要性能差别": (1) 离心泵起动功率低，Q -N曲线越大降低的越多。比转数n,决定泵的结构，进而沿流量方向上升;而混流泵起动功率高，Q-N沿影响泵的效率区间，所以合理选择泵的比转速对流量方向下降; (2)离心泵的Q-H曲线均匀下设计选型具有重要的意义周。降，无拐点;混流泵的Q-H曲线有拐点; (3)离反映泵的汽蚀特征的参数为泵的汽蚀比转数心泵-般采用闭阀启动;混流泵-般为开阀启动。C%。离心泵与混流泵性能曲线如图1所示。ce 5.62nJ0 。(2)3循环水泵选型原则NPSHN4循环水泵选型的目的是满足供水性能需泵的人口相对流速是决定泵的汽蚀比转数C要、安全运行需要、安装维护方便、制造和运值大小的关键因素，泵的入口直径越大，相对流行成本低等要求。选型的基本参数包括:输送速越低，C值就越大，则泵的抗汽蚀性能越好。介质的物理化学性质、工艺参数(包括流量Q、但泵的设计要求水流通过叶轮的流速相对变化较扬程H、转速n、装置汽蚀余量NPSHa等)、安小，也就是相对较高一些的人口流速可以获得更装条件2。好的流动条件，有利于提高泵的效率。因而汽蚀在满足流量、扬程性能的条件下，较高的效比转数C值和泵的效率是--对矛盾，要根据泵的率能降低运行成本，较稳定的结构能增加运行的具体使用条件来选取。一般来讲，同时兼顾泵效安全性，较低的汽蚀性能可减少安装的成本、选率和泵抗汽蚀能力时，C的选择-般在800~ 1100用合适的材料能延长使用寿命及维护成本。左右”。泵设计选型所涉及的关键参数:泵的比转数4循环水泵配置方式及经济性比较n和汽蚀比转数C“。某AP1000循环水系统的设计参数为:每台机n,=-3.65nQ(1)组的循环水总流量为67 m/s，扬程为12.5m。根据计算，该循环水泵比转速为n=500，C=1072。比转数大小决定泵的效率，对于离心泵、混从图1的水泵型谱图上也可看出，适用该核电循流泵、轴流泵，最高效率在n,=150 ~ 500之间”，环水泵的泵型主要是离心泵和混流泵，这与实际机电工程技术2012年第41卷第02期经验交流)选型情况吻合。.修。一机四泵方案占地面积比一-机两泵和一机三结合其他核电项目循环水泵配置实例，本泵方案大。流量小于20m2/s的立式混流泵有广泛AP1000核电工程考虑了一机配两泵、一机配三泵的供货业绩和应用经验，在常规火电有成熟的使及一机配四泵三种配置方式。针对一机配两泵又用业绩。但一机四泵设备投资较大，且土建成本.考虑了金属混流泵和混凝土蜗壳离心泵两种泵较高，不易布置，不是AP1000原型的标准设计，型。通过各配置方式的技术经济比较，选出最优不作为推荐方案。配置方案。4.2混凝土蜗壳泵方案4.1金属混流泵方案混凝土蜗壳泵的进出水流道均由混凝土现场若采用金属混流泵，可行方案如下:一机两浇筑而成，这是其主要特点。混凝士蜗壳泵的结泵方案、一机三泵方案和一机四泵方案。采用更构形式完全不同于立式金属泵，主要体现在进水多台数的配置方案也是可行的，但台数越多时占流道、出水流道、受力方式以及相应的土建结地面积越大，不易布置，且采用金属混流泵后，构，因此在方案选择时考虑的侧重点与立式金属管路系统为有阀系统，水泵台数越多其配套阀门混流泵完全不同。也越多，增加了故障出现的机率，因此不考虑4;采用混凝土蜗壳泵时可行方案如下:一机两台以上的配置方案。下面简要分析各可行方案的泵方案、一机三泵方案和一机四泵方案。统计资特点。料表明以上三个方案中- .机三泵方案初期投资稍机两泵方案:水泵流量为34m’/s, 水泵扬低，但要将三台泵的流量均匀分配给凝汽器两个程为12.5m。本方案单泵流量过大，对淹没深度、半室，同时要考虑隔离的需要，管路中要布置阀进水池宽度和深度以及进水流态提出了很高的要门，管路复杂，同时降低了系统的可靠性，因此求。如果进水池流态不理想，很容易出现汽蚀和不推荐一机三泵方案。 以下简要分析-机两泵方振动;单泵重量很大，需要采用双基础;水泵轴案和一机四泵方案的特点。推力非常大，对电机要求很高;国内外没有这类一机两泵方案:水泵流量为32m/,水泵扬大流量水泵的供货业绩和使用经验。一机两泵方程为12.5m。一机两泵方案中，每台泵向凝汽器的案没有成熟的技术条件和使用经验，存在- -定的两个半室单独供水，无需设置阀，供水系统为简风险，但可作为比较方案。单可靠的无阀系统。由于所采用的肘开进水流道-机三泵方案:水泵流量约22m/s, 扬程，有良好的整流作用，从而减小了水泵的淹没深12.5m。循环水泵要向凝汽器的两个半室单独供度;蜗壳出水流道有良好的整流作用，从而保证水，一机三泵方案中要将三台泵的流量均匀分配了水泵有较高的效率;水泵的重量及水推力无需给两条供水管，同时要考虑检修隔离的需要,其电机承担;在其他核电项目上已有成熟的使用业阀门数量多、管路联接复杂;另外单泵流量偏绩。大，对淹没深度及进水池流态有较高的要求;水机四泵方案:水泵流量约16m'/s,扬程泵和水泵轴推力较大，需要采用双基础布置,且12.5m。一机四泵单泵流量小，水泵淹没深度小;其管路联接复杂，单泵流量偏大，对流态要求较由于台数多，占地面积大;四台泵向凝汽器两个高。与一机两泵及- -机四泵相比，一机三泵初期半室供水，需要将水泵两两并联，管路系统必须投资低，并且也是AP1000原型中采用的泵配置方设置阀门。式，若采用金属混流泵，最佳方案是一机三泵方一机四泵方案初期投资比- -机两泵高，且施案，该方案有丰富的经验可借鉴。工周期长，维护成本高。大亚湾核电、岭澳一期都-机四泵方案:水泵流量约16m'/s，扬程是采用- -机两泵配置,从设计、采购管理、施工安12.5m。一机四泵单泵流量小，水泵淹没深度小、装、运行维护等方面积累了成熟的经验。- -机两泵进水池宽度小、水泵重量轻。水推力小，可以采方案为无阀系统，系统可靠性高。因此，- -机两泵用单基础布置，简化了土建结构，便于安装检方案优于-机四泵方案，应作为推荐方案。(经验交流机电工程技术2012年第41卷第02期4.3技术经济比较运一台泵即可)，每台泵的流量变小，还有利于以(1)机组采用一机配两泵时，动叶可调立式后循环泵的国产化;一机配两泵(动叶可调立式混流泵与混凝土蜗壳泵比较见表1。混流泵)方案，采用动叶可调后，其可靠性难以通过表1可以看出，从经济方面，两台立式保证，而且经济性并不占优。因此在两种方案年混流泵方案要优于两台混凝土蜗壳泵方案，年总费用相差不大的情况下，推荐一机配三泵方案。费用相差约358万元。因年费用差别太大,不推5循环水系统方案分析荐立式混凝土蜗壳泵。通过上面的分析，循环水系统可采用两类泵(2) -机配三台金属混流泵(固定叶片)及型:金属混流泵和混凝土涡壳泵，相应的方案有机配两台金属混流泵(动叶可调)比较见表2。一机三泵(金属混流泵)和一机两泵方案(混凝由表2计算结果可以看出:从经济方面，两土蜗壳泵)，从技术上讲两方案均可行,但从系统泵方案要略优于三泵方案，年总费用相差大约26的运行维护角度，采用金属混流泵的方案更优。万元;但从技术层面上来说，固定叶片的循环水(1)混凝土蜗壳泵方案的优缺点泵具有安装、检修方便，运行可靠性好等优点，采用混凝土蜗壳泵的一机两泵方案为无阀系动叶可调泵结构复杂，安装检修难度大，运行可.统，系统简单、成熟可靠，混凝土涡壳泵水力性靠性差。能好、防腐性能好。一机配三泵方案，冬季流量比较好调节(停主要缺点是:设备不易国产化;对土建与机表动叶可调立式混流泵与混凝土蜗壳泵比较立式混流泵混凝土蜗壳泵备注二层安装，抽芯式，层上出水.水泵形式混凝土蜗壳,抽芯武动叶可调驱动方式电机点接驱动电机通过减速箱传动水泵材质接触海水面采用双相不锈钢水泵配置50%x2台水泵单机流量m's)32.5水泵扬程(m)15水泵/机组效率(%)89/8990188.2(诚速箱效率98%)配套电机(kWx台)6006000减速箱不需要，可靠性好需要，可靠性差动叶可调装置技机组噪音低(85dB(A)左右)高(90dB(A)左右)术出厂前进行真机性能试验，可保证现场顺利模型试验， 只能进行现场试验，出现比水泵出厂试验安装和水泵的水力机械性能问题很难进行调整泵组与土建的接口少(几乎没有预埋件)多(预埋件多、流道施T接口多)泵组安装周期短(一次安装)蜗壳模型制作周期长初期设备成本(万元)66005000土建成本(万元)543:5s50安装成本(万元)100400经配套设施(万元)20001850以上设施年固定费用(万元)17291566较凝汽器及供排水管道等年固定费2080用(万元)年运行费用(万元)38374359年总费用(万元)7647800578机电工程技术2012年第41卷第02期经验交流)表2金属混流泵 (固定叶片)及金属混流立式混流泵(两台)立式混流泵(三台)备注水泵形式二层安装，抽芯式，层上出水,动叶可调二层安装，抽芯式，层上出水，固定叶片水泵单机流量(m'%)32.5/24.3821.67水泵扬程(m)15/115配套电机(kWx台)6000400技术水泵出厂试验由于流量太大，无法进行真机试验，只出厂前进行真机性能试验， 可保证在现场的顺比较能进行模型试验利安装和水泵的水力机械性能单泵总价(万元)330020000循泵总价(万元)6600安装成本(万元)100土建费用(万元)经济性以上设施年固定费用(万元)配套设施(万元)20002250172917555年固定费用(万元)2081年运行费(万元)3837年费用(万元)76477673电接口多，施工周期长;管路为无阀系统，不利版社，2006.于抑制水锤。[3]杨诗成，王喜魁泵与凤机[M] .北京:中国电力出.(2)金属混流泵方案的优缺点采用金属混流泵的一机三泵方案水泵流量[4] GB/T50265- 1997.泵站设计规范[S] .小，电机功率小，设备易于国产化;水泵台数[5]丘传忻.泵站[M].北京:中国水利水电出版社,2004.多，调度灵活;土建结构简单，机电与土建接口[6] 皮积瑞.农田水利与泵站工程[M] .北京:中国水利少，安装简单;管路设置有阀门，可控制阀门启.水电出版社，1993.闭时间控制水锤压力。[7] 关醒凡.现代泵设计手册[M] .北京:宇航出版社，其缺点是:设备金属部件多，防腐性能差;1995.管路中设置有阀门，增加了故障机率。，[8]陈礼，余华明.流体力学及泵与凤机[M] .北京:高6结论等教育出版社，2007.采用金属混流泵的一机三泵方案是AP1000原[9] 施卫东.流体机械[M] .成都:西南交通大学出版社，1996.型的标准设计，在日本及美国的核电站有广泛的应用，在设计、管理、采购和运行维护等方面积10] 金树德，陈次昌.现代水泵设计方法[M] .北京:兵器工业出版社，1993.累了丰富的经验。且可靠性高，在冬季工况能停- -台泵节省厂用电。鉴于核电厂单机容量大，可第一作者简介:徐智渊，男，1980年生， 浙江杭州人，硕靠性要求高，AP1000核电采用金属混流泵- -机三士，工程师。研究领域;核电站辅机设备设计及采购。泵的方案，保证了AP1000的设计，提高了运行的(编辑:王智圣)可靠性。参考文献:[1]关醒凡，施卫东，高天华.选泵指南[M] .北京:宇航出版社，1998.[2]姜乃昌.水泵及水泵站[M] . 北京:中国建筑工业出70