核电厂系统及设备 第四讲 冷却剂系统(2)
（2010—2011学年第二学期） 主讲：李然
1 反应堆冷却剂泵概述 2 屏蔽电机泵 3 轴封泵 3.1 总体结构; 3.2 轴封组件; 3.3 轴封泵的 运行 4 叶轮泵的一般特性 4.1 特性参数; 4.2 工作原理; 4.3 特性曲线; 5 离心泵的全特性曲线
ρ gqV H ρ qV H = P= 1000η 102η
47
4.1 叶轮泵的主要特性参数
汽蚀余量/净正吸入压头(Net positive suction head)NPSH 汽蚀(Cavitation)现象： • 流体动力作用→运动液体的局部压力低于 饱和压力→液体汽化形成汽泡→汽泡随液 体移动→到达区域静压超过饱和压力→蒸 汽凝结汽泡破裂→高频水力冲击→损伤构 件
汽蚀现象
• 汽蚀是这样一种现象：由于流体动力作用，运动 液体的局部压力降低到液体温度下的饱和压力 时，液体就开始汽化而形成汽泡，汽泡随液体到 达静压超过饱和蒸汽压力的区域时，蒸汽突然凝 结而使汽泡破裂，这种破裂在很短时间内发生， 周围的液体以极高的速度向汽泡原来所占的空间 冲去，产生了强烈的高频水力冲击。从而使泵的 构件受到严重损伤。这种液体汽化--汽泡产生、 蒸汽凝结--汽泡破裂的整个过程及其一系列现 象，称为汽蚀。
14
3.1.1 水力机械部分
（2）叶轮
叶轮由不锈钢铸成，有七个叶片，用热 装和加键固定在泵轴的下端，并在轴端用 螺母锁紧。叶轮是泵的核心部件。靠叶轮 的旋转使流体获取能量。
15
3.1.1 水力机械部分
（3）吸入导流管和扩压器
吸入导流管是一个不锈钢圆筒，用螺栓 固定在泵壳的内侧，把吸入流体引进叶轮中 心。 扩压器由不锈钢铸造而成，它有12个导 叶，位于叶轮外侧。扩压器的作用是降低在 扩压叶片之间的延伸流道中的流体流速。把 流体的速度头转换成静压头。
ห้องสมุดไป่ตู้24
25
（4）电动机定子空气冷却器
电动机定子绕组是由空气冷却的。电动机 转子两端均带有风叶，电动机旋转时，风叶 强迫空气流动。空气冷却器管内有设备冷却 水通过。从安全壳吸入的空气经该空气冷却 器降温后流入电动机机架中的冷却槽冷却定 子绕组，然后排入安全壳大气中。
26
3.2 轴封组件
• 位于泵水力机械部分和电机之间，作用：保证在 电厂正常运行期间从反应堆冷却剂系统沿主泵泵 轴向安全壳气空间的反应堆冷却剂泄漏量基本为 零。 • 三级密封：自下而上依次称为1号、2号、3号密封 • 从化学和容积控制系统引来的高压纯净轴封水在 泵下部径向轴承和1号密封之间注入，之后一路向 下冷却泵轴承，一路向上进入密封段。
（5）热屏组件
在叶轮与泵径向轴承之间装有热屏。阻止泵壳 内高温的反应堆冷却剂向泵上方的泵径向轴承和 密封组件的传热，使泵径向轴承免受高温。 由两部分组成：一是安装在导叶内侧的隔热套 （防护套筒）；二是叶轮与泵径向轴承间的由盘 管组成的扁平状热交换器，其内循环着设备冷却 水（35oC）
18
3.1.2 电机部分
10
3 轴封泵
现代压水堆核电厂使用最广泛的冷却剂泵 是立式、单级、轴密封泵
参见46页图3‐17
11
3.1 总体结构
1)水力机械部分 2)电机部分 3)轴封组件
12
3.1.1 水力机械部分
• 组成：泵壳、叶轮、吸入导流管和扩压 器、泵轴承及热屏组件…… • 其基本功能是将泵轴的机械能传递给流体 并变为流体的静压能。
37
4 叶轮泵的一般特性
• 泵(Pump)是把机械能转换成液体的能量， 用来增压输送液体的机械。
按原理分类： • 叶轮泵(透平泵)：离心泵，轴流泵，混流泵，旋 涡泵 • 容积泵：往复泵，回转泵 • 喷射泵 • 水锤泵 • 真空泵
38
4 叶轮泵的一般特性
叶轮泵的结构分类： • 按流体吸入叶轮的方式：单吸式泵，双吸 式泵 • 按级数分类：单级泵，多级泵 • 按泵体形式分类：蜗壳泵，筒形泵 • 按主轴安放情况分类：卧式泵，立式泵， 斜式泵
32
去疏水箱 自立管注入水 装弹簧孔
三号轴封
静环 去2号轴封泄漏管线 动环
泵轴
3.3 轴封泵的运行
反应堆冷却剂泵启动的条件： （1）有关的支持系统:
• 化容系统提供1.8 m3/h的轴封水； • 设备冷却水系统向电机的空气冷却器和油冷却器 提供冷却水； • 反应堆硼和水补给系统可用，以便（支持化容系 统）向立管及3号轴封供水； • 反应堆冷却剂泵电动机的电源是由非重要厂用电 供给，供电须保证。
pv w p NPSH av = − + ρ g ρg 2g
2
p pv w
泵进口处绝对压力/Pa 液体在相应温度下的饱和压力/Pa 泵进口截面上的液体平均速度/m/s
1 反应堆冷却剂泵概述
反应堆冷却剂泵（主泵）(Reactor coolant pump)的功能是为反应堆冷却剂提供驱动 压头，保证足够的强迫循环流量通过堆 芯，把反应堆产生的热量送至蒸汽发生 器，产生推动汽轮机做功的蒸汽。
1 反应堆冷却剂泵概述
基本要求： • 长期无人维护下安全可靠地工作； • 冷却剂泄漏尽可能少； • 能提供足够大的转动惯量； • 过流部件表面材料耐高温耐硼酸水腐蚀； • 便于维修。
1 反应堆冷却剂泵概述
• 反应堆冷却剂泵可分为两大类：屏蔽电机 泵和轴封泵。
5
2 屏蔽电机泵
结构特点: • 泵的叶轮和电机转子连成一体 • 密封壳体 • 壳体外以设冷水冷却 • 屏蔽电机转子浸水 早期PWR；核动力舰艇；钠冷快堆；AP1000
6
参见44页图3‐15
7
• 优点 密封性能好，运行安全可靠。 • 局限性 效率低（比轴封泵低10%~20%），屏蔽电动 机造价昂贵，容量小，不宜安装飞轮，转动 惯量小，维修不便。
2号密封
• 2号密封的主要作用是阻挡1号密封的泄 漏，将其导向化容系统。它作为1号密封损 坏时的备用密封，在1号密封失效时，承受 全部运行压力，维持一段时间（30分钟） 以便停运反应堆冷却剂泵。 • 压降约0.35MPa，泄漏量维0.0076m3/h
30
装弹簧孔
2号轴封 泄漏去疏 水箱
二号轴封
1号轴封泄漏 去容控箱
16
3.1.1 水力机械部分
（4）泵轴承
泵径向轴承为泵轴提供径向支撑和对 中。它由斯太立合金堆焊的不锈钢轴颈和石 墨环构成的套筒组成，用水润滑和冷却。使 通过轴承的水保持低温是重要的，因为高温 会破坏石墨环并使轴承损坏。所用的轴承冷 却水是化容系统的轴封注入水的一部分。
17
3.1.1 水力机械部分
45
4.1 叶轮泵的主要特性参数
功率(Power) • 泵功率指原动机输送给泵轴上的功率，又 称为轴功率，记为P。有效功率是根据泵 的扬程与流量计算的功率，即在单位时间 内，泵对流经的液体所作的有效功率，记 为Pef，单位都是kW。
46
4.1 叶轮泵的主要特性参数
效率(Efficiency)η • 泵的有效功率Pef与轴功率P之比。泵在工作 时，由于存在水力损失（即流体在流道中 的摩擦和局部阻力），流量损失（由于密 封不严及流体回流），以及机械损失（部 件摩擦损耗），因而轴功率不可能完全转 变为有效功率。
静环 动环 泵轴
1号轴封泄漏
3号密封
• 3号密封是一个具有摩擦面的双侧型密封， 作用是将2号密封的泄漏引导到疏水箱（属 于排气疏水系统，废物处理系统之一）。 同时，还要防止含硼水流产生硼结晶，保 证对密封面材料的润滑和冷却。不按承受 全部系统压力设计。 • 有一根立管提供静压头，高于3号密封2米 水柱，并可监测3号密封是否损坏。
8
湿定子泵(图3.16)。 不用屏蔽套，定子绕 组也是湿的，采用特 制的绝缘导线 制成，水在电动机绕 组间循环以加强冷 却，泵的外壳与堆压 力容器壁焊在一起。 日本ABWR采用此种 泵。
9
3 轴封泵
优点： • 采用常规的鼠笼式感应电机，成本降低，效 率提高，比屏蔽泵效率高10%—20%； • 电机部分可以装一只很重的飞轮，提高了泵 的惰转性能，从而提高了全厂断电事故时反 应堆的安全性； • 轴密封技术同样可以严格控制泄漏量； • 维修方便，轴密封结构的更换仅需10个小时 左右。
13
3.1.1 水力机械部分 （1）泵壳
包容并支撑着泵的水力部件，是反应堆 冷却剂系统压力边界的一部分。泵壳是一个 外形呈准球状的不锈钢铸件，其出入口接管 焊接在一回路系统管道上。冷却剂从泵壳底 部沿叶轮轴线流入，向上经导流管进入叶 轮。通过叶轮后的冷却剂经扩散器后通过与 叶轮成切线方向的出口接管排出。
t
I 主泵机组转动惯量/kg·m2 P0 泵额定有效功率/W ω0 泵额定角速度/rad/s η0 泵额定效率 n0 泵额定转数/r/min t 断电开始计算的时间/s
23
（3）防逆转装置
• 若一台反应堆冷却剂泵停运，而其他环路 上的泵还在运行着，停运的环路上冷却剂 将发生逆向流动。逆流还会使停运的泵反 转，这时若启动该泵，就会产生过大启动 电流，可能导致电机过热或引起其他损 坏。
驱动反应堆冷却剂泵的电动机是立式、 鼠笼、单速三相感应式，采用防滴结构(设 有电机绕组电加热器，停运后加热器自动 启动，防止受潮)，由空气冷却，而空气由 两台热交换器用设备冷却水冷却。 • 组成：轴承、飞轮、防逆转装置、电动机 定子空气冷却器……
19
补充知识：电机
• 三相异步电机可分为鼠笼式和绕线式
（2）飞轮
• 一个飞轮用键固定在电动机轴的顶端，以增 加反应堆冷却剂泵机组的转动惯量，从而延 长泵的惰转时间 • 飞轮是关系到反应堆安全的重要部件。它的 破坏将带来严重后果，因此飞轮采用优质锻 钢制作,并经过100％超声波探伤检查。
22
• 主泵惰转时间与转动惯量的关系：
I=