随着国家“积极推动核电发展”的指导思想的贯彻, 核电迎来了快速发展时期[1]。目前, 作为核电应用堆型的压水堆的凝结水系统普遍采用3台50%凝结水量的凝结水泵。
凝结水泵属于常规岛用泵, 其出现故障会直接影响到凝结水精处理系统的工作, 进而导致二回路水质恶化, 影响常规岛二回路的正常工作[2~4]。同时凝结水系统耗电量较高, 对凝结水泵设计选型等实施技术改造有利于提高泵组效率、增强整个机组的运行经济性[5]。
核电厂的凝结水泵大都采用筒袋型立式多级离心泵。方家山核电项目采用新型NLT500-600-3S型凝结水泵, 并在系统应用上进行一些创新。以下将从抗汽蚀、轴向力平衡、稳定性及密封冲洗方案等几个方面阐述其主要特点, 并与秦山地区的其他凝结水泵进行对比分析。
泵的汽蚀由泵本身的汽蚀性能和吸入系统的装置条件来确定, 所以为了防止汽蚀从两个方面来考虑: (1) 改善泵的工作条件和吸入装置, 来提高泵的有效汽蚀余量。由于从真空凝汽器的热井中把凝结水抽取出来, 凝结水泵很容易发生汽蚀。为此, 在泵安装时把凝结水泵的安装位置位于凝汽器的下部, 与凝汽器保持一个负的安装高度, 这样能够部分提高有效汽蚀余量。 (2) 通过减小必需汽蚀余量, 来提高泵本身的抗汽蚀能力。该新型凝结水泵首级叶轮采用双吸式叶轮, 来减小必需汽蚀余量, 进而保证在运行范围内良好的抗汽蚀性能。在首级叶轮的泵壳的吸入口采用吸入喇叭口结构, 同样也是出于此目的。
对秦山二扩项目的凝结水泵的筒体结构进行改进, 在泵的筒体最下方, 加装了导流肋板, 防止产生漩涡, 来提高泵的抗汽蚀能力。同时, 根据ASME标准叶轮采用抗汽蚀材料CA-6NM来提高泵本身的抗汽蚀能力。
该凝结水泵属于多级泵, 必须对轴向力进行考虑。该泵首级叶轮采用双吸式结构, 叶轮两侧盖板的压力相互抵消, 所以首级叶轮轴向力抵消。其余两级次级叶轮的轴向力通过在后盖板上开平衡孔来处理, 两个次级叶轮加开平衡孔能够平衡约70%轴向力, 由于平衡孔会引起叶轮的容积损失增加, 这样就必须在设计时增加泵的功率。
秦山二扩项目的凝结水泵除了在次级叶轮上开平衡孔外, 还采用平衡鼓结构来平衡部分轴向力。通过在平衡鼓后面用连接管与泵的总的吸入口相连通, 这样, 泵的总的叶轮出口压力与平衡鼓后端压力 (其接近泵总的吸入压力) 在平衡鼓两侧形成压差, 产生一个与总轴向力相反的平衡力。由于平衡鼓后端压力略高于泵吸入口压力, 所以它仅能够平衡掉部分总轴向力, 然后采用了双角接触球轴承来平衡其余所有的轴向力。
方家山项目的凝结水泵在平衡剩余轴向力的方式上进行了改进, 采用了新型推力轴承, 来解决轴向推力的问题。通过与轴连接的推力盘把轴向力传递给推力瓦, 进而传递给泵的基础。它与平衡孔结合使用, 通过平衡孔平衡部分轴向力, 来减小推力轴承的承受轴向力的负荷, 这样有利于提高转子的稳定性。
对于立式长臂凝结水泵, 解决泵的振动问题很关键。一般出现泵振动超标, 大都采用通过楔形垫铁来调节基础水平度、保证水泥基础的水平度和复查对中的方式来解决。方家山机组的凝结水泵的基础不同于秦山地区的其他凝结水泵, (1) 它改变传统基础底板设计方式, 采用刚度更高的双层基础底板, 上下底板之间通过钢板连接, 两者之间具有一定弹性, 来降低泵轴承座处的振动水平。 (2) 泵与电机的链接采用弹性联轴器, 联轴器通过两个叠片组件来实现两轴的挠性连接, 降低的轴之间的振动传递。 (3) 筒体底部的导流肋板消除了部分漩涡的产生, 也一定程度增加了稳定性。 (4) 泵的出口弯管, 采用了高强度的设计, 提高了管道的刚度降低泵振动水平。这四种措施使得泵的振动水平大大提高, 经测量双振幅值小于0.04mm。
此外, 在该泵叶轮的布置上也有所创新。秦山地区的大多数凝结水泵都是三级叶轮, 并且所有叶轮都是布置在轴的远离驱动端侧;这样布置就会使悬臂的重心下移, 会出现经过三级叶轮增压后的高压水在叶轮出口至泵排出管之间的中间泵轴承受高压, 并且重负荷轴的数量也增加, 这样泵对诱导振动的敏感程度就会增加;当出现转子动不平衡和水力振动等其他诱因后, 更容易出现振动。针对这种情况, 方家山项目的凝结水泵在首级叶轮不变的情况下, 抬高两个次级叶轮至靠近基础附近, 提升高度为1565mm, 这样抬高了悬臂部分的重心。在不改变首级叶轮工作环境的情况下, 经次级叶轮增压后, 直接经出口管段排出。由此, 泵轴承受高压部分明显减小, 并且减少了承受重负荷轴的数量, 提高了泵整体的稳定性;此外承受最大压力部分上移至泵的基础附近, 也增加了承受高压段的管道的刚度, 增加了泵抵抗诱导振动的能力。但是, 液体经首级叶轮增压后, 经过一个较长的内管到达次级叶轮, 压头有所损失, 如果入口管道或者首级叶轮出现一些波动, 就会引起次级叶轮的入口压力波动, 使次级叶轮有汽蚀的危险。只要经过计算和实验, 确定次级叶轮的合理的抬升高度, 次级叶轮汽蚀就能避免。
秦山二期1、2号机组的凝结水泵的密封是采用填料密封, 通过注入外供密封水, 实现填料的迷宫效应和轴承效应。但在使用过程中出现许多问题, 填料造成轴套磨损较严重;填料为排出与轴之间摩擦热, 必须保持一定泄漏, 实际操作起来难以控制。出于这些原因, 秦山二扩和方家山项目的凝结水泵的密封都改为节流衬套配合博格曼双端面机械密封的组合方式。对于双端面机械密封, 合理的冲洗方案能保证动、静环研磨面的润滑和冷却。
秦山二扩和方家山项目的凝结水泵的机械密封的冲洗原理相同, 首先经次级叶轮增压后, 凝结水经过出口管段与泵轴之间的节流衬套;通过节流套上的迷宫槽在较短的长度内实现密封减压作用, 将泵出口的高压凝结水压降低至4.9KPa~11.8KPa。然后冲洗第一道机械密封, 经过特定管道与泵的入口管路连接, 而泵入口管路与脱气管相连, 该管道通向真空凝汽器。这样布局是通过真空凝汽器形成负压, 通过一定的压差使凝结水对机械密封润滑更充分。如果脱气管不开, 就会造成泵的入口管套管内积气, 导致泵气缚不出液。第二道机械密封的冲洗比较复杂, 启泵瞬间用压力为1KPa的外供除盐水进行降压到0.2KPa~0.61KPa时对第二道机械密封进行冲洗;当启泵排水管段建立压力后, 从泵出口管段引出一路凝结水对第二道机械密封冲洗, 同时由于外供水管段逆止阀作用, 使外供水被切断。
秦山二扩项目的凝结水泵第二道机械密封的注入水最初来自常规岛闭式冷却水SRI, 如果发生泄漏, SRI系统的水会通过常规岛二回路, 依次经过凝结水泵、低压加热器、给水除氧器、高压加热器, 进入到蒸汽发生器中。由于SRI系统添加了钠盐, 会使得排污系统Na离子超标进而影响电厂的WANO指标。而常规岛除盐水分配系统SER的水质和运行工况都可以达到凝结水泵第二道机械密封注入水的运行要求, 为此扩建机组凝结水泵第二道机械密封注入水改从SER供水。
而在方家山项目, 考虑到凝结水抽取系统CEX的凝结水泵第二道轴封水来自常规岛除盐水分配系统SER的管网, 该道轴封水回水直接排至常规岛废液收集系统SEK, 再由SEK排至常规岛废液排放系统SEL。该方式一方面造成了SEL系统排放负担过重;另一方面也导致SER水浪费。为此, 将凝结水泵的第二道轴封水来源改为引自凝结水泵出口母管, 凝结水泵第二道轴封水回水通过汽轮机轴封系统CET的轴封冷却器的蒸汽冷凝水至凝汽器疏水U型水封入口疏水管再返回至凝汽器, 形成完整的闭式循环, 同时也保证了第二道密封水源的可靠性 (只要有一台凝结水泵运行即可) , 减轻了SEL排放负担及避免浪费SER水。
从抗汽蚀、轴向力平衡、稳定性及密封冲洗方案等几个方面, 与原有核电凝结水泵进行对比。结构优化后的新型凝结水泵的性能在以下方面得到提高。
(1) 该泵采用双吸式首级叶轮、筒体下方加装导流肋板、叶轮采用抗汽蚀材料等方式增强了泵的抗汽蚀能力。
(2) 在平衡轴向力方面, 采用双吸式首级叶轮和次级叶轮上开平衡孔平衡掉了70%轴向力, 剩余轴向力平衡方式不同于原有核电凝结水泵, 将由平衡鼓平衡方式改为采用新型推力轴承平衡, 这样不仅平衡了剩余轴向力而且减少了泵的容积损失, 提高了泵的输出效率。
(3) 通过改变传统基础底板设计, 采用双层基础底板;改善筒体底部的导流状况;抬高次级叶轮高度进而提升悬臂部分的重心等方式, 来减少对诱导振动的敏感程度, 保证了泵整体的稳定性。
(4) 将填料密封改为双端面机械密封, 并对第二道密封冲洗方案进行优化, 保证密封基础上使冲洗水循环使用, 冲洗方案更合理, 还节约冲洗用水, 进一步提高了经济性。
该凝结水泵的优化原理为以后新型凝结水泵的进一步开发提供了一定指导。
摘要：针对核电新型凝结水泵, 从抗汽蚀、轴向力平衡、稳定性及密封冲洗方案等几个方面与原有核电凝结水泵对比, 阐述其性能优势及优化原理, 为新型凝结水泵的开发提供指导。
关键词：凝结水系统,凝结水泵,核电用泵
[1] 汪映荣.核电与常规电的异同[J].中国核电, 2011, 4 (2) :180～187.
[2] 徐秀生.浅谈我国核电用泵的技术发展方向和目标[J].通用机械, 2009, 7:59～63.
[3] 于晓龙, 程继顺, 杨凯利.600MW机组凝结水溶氧量高的原因分析及处理[J].中国科技信息, 2010, 23:26～27.
[4] 王爱玲, 潘振波, 马跃华, 等.压水堆核电站凝结水精处理系统选择研究[J].热力发电, 2011, 40 (4) :20～23.
[5] 杜献伟.凝结水系统节能探析[J].热力发电, 2011, 40 (5) :77～80.
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