AP1000核電廠葉片可調式循環水泵結構原理及特點分析

許志攀

摘 要：主要介紹AP100機組循環水泵概況，著重論述了循環水泵葉片角度調節機構、調節原理。分析了可調葉片式循環水泵優點及缺點。AP1000核電機組是三代核電機組之一，循環水泵的選取是全新的，與CPR以及EPR機組電站幾乎沒有太多的參考性，筆者通過對AP1000機組循泵的介紹，力求為后續類似機組的循泵配置和應用積累更多經驗。

關鍵詞：AP1000機組 葉片角度調節葉片控制單元循環水泵 立式混流泵

中圖分類號：TL353 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0141-02

三門核電一號機是全球首臺AP1000機組，其電廠循環冷卻水采用一次循環冷卻供水方式，循環水取自三門灣，經過熱交換器后排入三門灣。該系統采用2×50%循環水泵配置，單臺循環水泵流量139 800 m3/h，揚程16.2 m，轉速164 rpm，軸功率7700 kW，進口直徑4800 mm，出口直徑4100 mm，如果一臺循環水泵停運或跳閘，在設計海水溫度的情況下，機組出力下降到96%額定功率。

循環水泵由日本三菱高砂制作所設計制造，為立式混流泵，且葉片角度可調，在國內核電廠尚屬首例。葉片角度可調實現了冬季循環水泵可以在較小流量下運行，從而降低了泵的功率，減少廠用電量，從而達到節能的目的。該文將簡單介紹循環水泵機構特點，保證機組今后的經濟安全運行。

1 循環水泵結構概況

該循環水泵是單級、浸入式、可調葉片角度的立式混流泵，其結構主要包括吸入口，出口彎管，出口管，泵軸，葉片及徑向軸承、輪轂及聯軸器，循環水泵結構如圖1所示。泵軸及電動機周均為空心，其中電機頂部裝有控制桿。電動機軸裝有連桿，用于葉片角度控制的葉片控制單元安裝在電動機的頂部，如圖2所示。液壓油系統由油單元、葉片控制單元、葉片控制機構及附屬管路組成。聯軸器聯接電機與泵，其被活塞及活塞環分成上下兩個油室。活塞的下部連接在控制桿上，活塞的上部連接有電機連接桿及油管。葉片控制單元的油使控制桿作向上或向下運動從而調整葉片角度，推力軸承安裝在電動機上，機架承受電動機及泵轉子自重及運行時產生的軸向力，泵的轉子徑向力由橡膠導軸承承擔。

2 葉片安裝角調整的液壓油系統組成

液壓油系統由油單元、葉片控制單元、葉片控制機構及附屬管路組成。

2.1 油單元

油單元安裝在電機附近由油箱、冷油器、安全閥、過濾器及油泵組成。油單元供應液壓油至葉片控制單元。正常工作時油泵對油進行加壓并由安全閥進行控制。油泵為一用一備，備用泵在油失壓或運行泵失效時才啟用。油泵由電機驅動。油被油泵做功或室溫導致的溫升由冷油器進行冷卻。

2.2 葉片控制單元

葉片控制單元安裝在電機頂部，由先導閥、殼體及反饋機構組成。先導閥將油單元供應的油分流至活塞有桿腔與無桿腔從而控制葉片安裝角。先導閥由開有進出油口的閥體、閥襯及閥桿組成。位于閥桿上部的連桿與控制電機及反饋桿連接。閥桿與閥襯上油口的相對位置從而實現配油的功能。控制電機允許自動及手動進行葉片的調整。

油管由高壓油管及低壓油管組成，高壓油管套在低壓油管的內部。低壓油管由集裝式機械密封進行密封。從葉片控制單元的回油通過疏油管回到油箱。

反饋機構設計功能為跟隨葉片安裝角的變化以維持先導閥位于中位。所有連桿的鉸接處均有滾動球軸承確保靈活的運動。角度變送器與葉片角度刻度盤連接輸送信號到主控室用于葉片角度的顯示

2.3 頂軸油單元

頂軸油系統用于防止電機在啟動時由于電機轉子與泵轉子部件的重量以及水力產生的軸向推力而使推力軸承受到損壞。該系統由循環油泵、管路與驅動電機組成，這些均位于循泵電機頂部，即上機架上。

3 循泵葉片角度調節原理

夏季海水溫度升高，循環水流量需求增加，可增大循環水泵的葉片角度，從而獲得更大的流量，下面介紹其角度增大的調節過程。

（1）控制電機接收到信號后順時針旋轉一定角度。

（2）調節連桿上移。

（3）杠桿1繞其與連桿2的鉸接點旋轉，杠桿1旋轉的同時拉動先導閥閥桿1上移。

（4）控制油從進油口進入先導閥，流經開啟端口并通過高壓油管上的兩個徑向通油孔進入高壓油管。

（5）由高壓油管來的控制油通過連接桿及上控制桿的中心油孔及徑向通油孔進入活塞的下部（有桿腔）。

（6）在油壓（正常工作壓力3.5MPa）的作用下，活塞帶動整個控制桿上移，從而驅動下部的動葉組件運動，促使葉片逆時針旋轉，即葉片安裝角增大，亦即流量增大，如圖2所示。

（7）活塞上移同時帶動連接桿及高壓油管上移，而高壓油管通過聯軸器與桿6連接，故桿6亦隨之上移。

（8）連桿6的上移通過搖臂5與杠桿4的運動傳遞，促使連桿3下移，帶動搖臂2逆時針旋轉，在其旋轉的同時帶動連桿2下移。

（9）先導閥閥桿下移，直至閥桿處于中位，此時進油口與回油口關閉，活塞位置固定。

（10）在整個調整過程中，活塞上部的控制油通過高壓油管與低壓油管的徑向間隙沿先導閥的關閉端口返回油箱。

根據以上分析，控制電動機開始動作時，搖臂1帶動調節絲桿上控制閥閥桿，控制閥閥桿上移使液壓油開始想活塞下部腔室共有驅動活塞運動。由于活塞及控制桿等一系列操作部件存在一定的慣性，所以活塞在控制電機相應開始經短暫時間才會開始動，存在著相應時間上的延遲。

隨著季節的變化，還水溫度降低時，循環水需求量減少，這是我們就可以降低循環水泵的葉片角度從而得到較小的流量，該過程與增大葉片角度的過程相反，就不再詳述。

4 總結

4.1 葉片可調式循泵優點

三門灣海水隨季節變化溫差較大，最高水溫32.5℃，最低水溫4.5℃，循環水系統需帶走凝氣器的熱量要求是一成不變的，在冬夏不同季節海水溫差較大的情況下，三門核電廠采用可調葉片式循環水泵，能夠降低冬季循環水泵的功率，從而減少廠用電，據估計每年每臺機可節省廠用電124.6萬度，三門核電廠設計為6臺機組并且運行壽命為60年，因此對電廠的經濟運行具有重要意義。

4.2 葉片可調式循泵缺點

運行限制。改變葉片角度的頻率要低于一個月一次的頻度，葉片角度隔一段時間要改變一點（比如+-5%的角度），以防止控制油單元管產生沉淀；控制油單元的油泵（一用一備）需要定期切換。

循泵葉輪浸沒在海水中，葉片調節機構的葉片操作機構與葉片聯接附加了很多密封裝置，這些密封的部位如果出現銹蝕，葉片調節機構很可能被銹死，造成無法動作，葉片調節機構非常復雜，技術、制造工藝要求很高。早些年曾有少數電廠使用，但故障較多，近年基本沒有新的使用業績，具體實際效果，還需驗證。

參考文獻

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統及設備[M].北京：原子能出版社，2010.