核電新型凝結水泵的性能分析

　　摘要：針對核電新型凝結水泵，從抗汽蝕、軸向力平衡、穩定性及密封沖洗方案等幾個方面與原有核電凝結水泵對比，闡述其性能優勢及優化原理，為新型凝結水泵的開發提供指導。
　　關鍵詞：凝結水系統　凝結水泵　核電用泵
　　中圖分類號：TK264　文獻標識碼：A　文章編號；1672-3791(2012)01(b)-0133-02
　　隨著國家“積極推動核電發展”的指導思想的貫徹，核電迎來了快速發展時期。目前，作為核電應用堆型的壓水堆的凝結水系統普遍采用3臺50％凝結水量的凝結水泵。
　　凝結水泵屬于常規島用泵，其出現故障會直接影響到凝結水精處理系統的工作，進而導致二回路水質惡化，影響常規島二回路的正常工作。同時凝結水系統耗電量較高，對凝結水泵設計選型等實施技術改造有利于提高泵組效率、增強整個機組的運行經濟性。
　　核電廠的凝結水泵大都采用筒袋型立式多級離心泵。方家山核電項目采用新型NLT500-600-3S型凝結水泵，并在系統應用上進行一些創新。以下將從抗汽蝕、軸向力平衡、穩定性及密封沖洗方案等幾個方面闡述其主要特點，并與秦山地區的其他凝結水泵進行對比分析。
　　1　新型凝結水泵性能分析
　　1.1　提高泵抗汽蝕能力
　　泵的汽蝕由泵本身的汽蝕性能和吸入系統的裝置條件來確定，所以為了防止汽蝕從兩個方面來考慮：(1)改善泵的工作條件和吸入裝置，來提高泵的有效汽蝕余量。由于從真空凝汽器的熱井中把凝結水抽取出來，凝結水泵很容易發生汽蝕。為此，在泵安裝時把凝結水泵的安裝位置位于凝汽器的下部，與凝汽器保持一個負的安裝高度，這樣能夠部分提高有效汽蝕余量。(2)通過減小必需汽蝕余量，來提高泵本身的抗汽蝕能力。該新型凝結水泵首級葉輪采用雙吸式葉輪，來減小必需汽蝕余量，進而保證在運行范圍內良好的抗汽蝕性能。在首級葉輪的泵殼的吸入口采用吸入喇叭口結構，同樣也是出于此目的。
　　對秦山二擴項目的凝結水泵的簡體結構進行改進，在泵的簡體最下方，加裝了導流肋板，防止產生漩渦，來提高泵的抗汽蝕能力。同時，根據ASME標準葉輪采用抗汽蝕材料CA-6NM來提高泵本身的抗汽蝕能力。
　　1.2　軸向力平衡方案
　　該凝結水泵屬于多級泵，必須對軸向力進行考慮。該泵首級葉輪采用雙吸式結構，葉輪兩側蓋板的壓力相互抵消。所以首級葉輪軸向力抵消。其余兩級次級葉輪的軸向力通過在后蓋板上開平衡孔來處理，兩個次級葉輪加開平衡孔能夠平衡約70％軸向力，由于平衡孔會引起葉輪的容積損失增加，這樣就必須在設計時增加泵的功率。
　　秦山二擴項目的凝結水泵除了在次級葉輪上開平衡孔外，還采用平衡鼓結構來平衡部分軸向力。通過在平衡鼓后面用連接管與泵的總的吸入口相連通，這樣，泵的總的葉輪出口壓力與平衡鼓后端壓力(其接近泵總的吸入壓力)在平衡鼓兩側形成壓差，產生一個與總軸向力相反的平衡力。由于平衡鼓后端壓力略高于泵吸入口壓力，所以它僅能夠平衡掉部分總軸向力，然后采用了雙角接觸球軸承來平衡其余所有的軸向力。
　　方家山項目的凝結水泵在平衡剩余軸向力的方式上進行了改進，采用了新型推力軸承，來解決軸向推力的問題。通過與軸連接的推力盤把軸向力傳遞給推力瓦，進而傳遞給泵的基礎。它與平衡孔結合使用，通過平衡孔平衡部分軸向力，來減小推力軸承的承受軸向力的負荷，這樣有利于提高轉子的穩定性。
　　1.3　降低振動，增強穩定性
　　對于立式長臂凝結水泵，解決泵的振動問題很關鍵。一般出現泵振動超標，大都采用通過楔形墊鐵來調節基礎水平度、保證水泥基礎的水平度和復查對中的方式來解決。方家山機組的凝結水泵的基礎不同于秦山地區的其他凝結水泵，(1)它改變傳統基礎底板設計方式，采用剛度更高的雙層基礎底板，上下底板之間通過鋼板連接，兩者之間具有一定彈性，來降低泵軸承座處的振動水平。(2)泵與電機的鏈接采用彈性聯軸器，聯軸器通過兩個疊片組件來實現兩軸的撓性連接，降低的軸之間的振動傳遞。(3)簡體底部的導流肋板消除了部分漩渦的產生，也一定程度增加了穩定性。(4)泵的出口彎管，采用了高強度的設計，提高了管道的剛度降低泵振動水平。這四種措施使得泵的振動水平大大提高，經測量雙振幅值小于0.04mm。
　　此外，在該泵葉輪的布置上也有所創新。秦山地區的大多數凝結水泵都是三級葉輪，并且所有葉輪都是布置在軸的遠離驅動端側；這樣布置就會使懸臂的重心下移，會出現經過三級葉輪增壓后的高壓水在葉輪出口至泵排出管之間的中間泵軸承受高壓，并且重負荷軸的數量也增加，這樣泵對誘導振動的敏感程度就會增加；當出現轉子動不平衡和水力振動等其他誘因后，更容易出現振動。針對這種情況，方家山項目的凝結水泵在首級葉輪不變的情況下，抬高兩個次級葉輪至靠近基礎附近，提升高度為1565mm，這樣抬高了懸臂部分的重心。在不改變首級葉輪工作環境的情況下，經次級葉輪增壓后，直接經出口管段排出。由此，泵軸承受高壓部分明顯減小，并且減少了承受重負荷軸的數量，提高了泵整體的穩定性；此外承受最大壓力部分上移至泵的基礎附近，也增加了承受高壓段的管道的剛度，增加了泵抵抗誘導振動的能力。但是，液體經首級葉輪增壓后，經過一個較長的內管到達次級葉輪，壓頭有所損失，如果入口管道或者首級葉輪出現一些波動，就會引起次級葉輪的入口壓力波動，使次級葉輪有汽蝕的危險。只要經過計算和實驗，確定次級葉輪的合理的抬升高度，次級葉輪汽蝕就能避免。
　　1.4　新密封沖洗方案
　　秦山二期1、2號機組的凝結水泵的密封是采用填料密封，通過注入外供密封水，實現填料的迷宮效應和軸承效應。但在使用過程中出現許多問題，填料造成軸套磨損較嚴重；填料為排出與軸之間摩擦熱，必須保持一定泄漏，實際操作起來難以控制。出于這些原因，秦山二擴和方家山項目的凝結水泵的密封都改為節流襯套配合博格曼雙端面機械密封的組合方式。對于雙端面機械密封，合理的沖洗方案能保證動、靜環研磨面的潤滑和冷卻。
　　秦山二擴和方家山項目的凝結水泵的機械密封的沖洗原理相同，首先經次級葉輪增壓后，凝結水經過出口管段與泵軸之間的節流襯套；通過節流套上的迷宮槽在較短的長度內實現密封減壓作用，將泵出口的高壓凝結水壓降低至4.9KPa～11.8KPa。然后沖洗第一道機械密封，經過特定管道與泵的入口管路連接，而泵入口管路與脫氣管相連，該管道通向真空凝汽器。這樣布局是通過真空凝汽器形成負壓，通過一定的壓差使凝結水對機械密封潤滑更充分。如果脫氣管不開，就會造成泵的入口管套管內積氣，導致泵氣縛不出液。第二道機械密封的沖洗比較復雜，啟泵瞬間用壓力為1KPa的外供除鹽水進行降壓到0.2KPa-0.61KPa時對第二道機械密封進行沖洗；當啟泵排水管段建立壓力后，從泵出口管段引出一路凝結水對第二道機械密封沖洗，同時由于外供水管段逆止閥作用，使外供水被切斷。
　　秦山二擴項目的凝結水泵第二道機械密封的注入水最初來自常規島閉式冷卻水SRI，如果發生泄漏，SRI系統的水會通過常規島二回路，依次經過凝結水泵、低壓加熱器、給水除氧器、高壓加熱器，進入到蒸汽發生器中。由于SRI系統添加了鈉鹽，會使得排污系統Na離子超標進而影響電廠的WANO指標。而常規島除鹽水分配系統sER的水質和運行工況都可以達到凝結水泵第二道機械密封注入水的運行要求，為此擴建機組凝結水泵第二道機械密封注入水改從SER供水。
　　而在方家山項目，考慮到凝結水抽取系統CEX的凝結水泵第二道軸封水來自常規島除鹽水分配系統SER的管網，該道軸封水回水直接排至常規島廢液收集系統SEK，再由SEK排至常規島廢液排放系統SEL。該方式一方面造成了SEL系統排放負擔過重；另一方面也導致SER水浪費。為此，將凝結水泵的第二道軸封水來源改為引自凝結水泵出口母管，凝結水泵第二道軸封水回水通過汽輪機軸封系統CET的軸封冷卻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，形成完整的閉式循環，同時也保證了第二道密封水源的可靠性(只要有一臺凝結水泵運行即可)，減輕了SEL排放負擔及避免浪費SER水。
　　2　結語
　　從抗汽蝕、軸向力平衡、穩定性及密封沖洗方案等幾個方面，與原有核電凝結水泵進行對比。結構優化后的新型凝結水泵的性能在以下方面得到提高。
　　(1)該泵采用雙吸式首級葉輪、筒體下方加裝導流肋板、葉輪采用抗汽蝕材料等方式增強了泵的抗汽蝕能力。
　　(2)在平衡軸向力方面，采用雙吸式首級葉輪和次級葉輪上開平衡孔平衡掉了70％軸向力，剩余軸向力平衡方式不同于原有核電凝結水泵，將由平衡鼓平衡方式改為采用新型推力軸承平衡，這樣不僅平衡了剩余軸向力而且減少了泵的容積損失，提高了泵的輸出效率。
　　(3)通過改變傳統基礎底板設計，采用雙層基礎底板；改善筒體底部的導流狀況；抬高次級葉輪高度進而提升懸臂部分的重心等方式，來減少對誘導振動的敏感程度，保證了泵整體的穩定性。
　　(4)將填料密封改為雙端面機械密封，并對第二道密封沖洗方案進行優化，保證密封基礎上使沖洗水循環使用，沖洗方案更合理，還節約沖洗用水，進一步提高了經濟性。
　　該凝結水泵的優化原理為以后新型凝結水泵的進一步開發提供了一定指