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RUV湿绕组电机主泵研制成功系列报道一:核电站

        发布时间:2019-12-26 10:41        编辑:北极电力网

积极推进核电建设是国家重要的能源战略,反应堆冷却剂泵(核主泵)是核电站的重要设备,对核电站正常、安全和稳定运行具有极为重要的作用,是核电站可靠运行的保障。核电设备属敏感领域,但目前我国核主泵等还基本依赖进口,因此,核主泵实现国产化,不仅是出于成本的考虑,更是国家稳定、经济安全的需要,是自立于国际舞台、避免受制于人的战略需要。

CAP1400是拥有自主知识产权的、输出电功率大于135万千瓦的大型先进非能动核电站。核主泵是核岛一回路系统中,用于驱动冷却剂在反应堆冷却剂系统内循环流动的泵,主泵是核岛内唯一的旋转设备,被称为是核电站的“心脏”,CAP1400 每个机组配备两台蒸汽发生器,每台蒸汽发生器配备两台核主泵。


CAP1400主泵布置方式示意图

在设计上,CAP1400沿用了AP1000的系统设计方案,采用无轴封主泵,所谓无轴封主泵,主要是针对压水堆常用的轴封型主泵而言的,从结构上又可以分为屏蔽泵与湿绕组泵,无轴封主泵的主要特点和设计要求是泵和电机被包络在同一个金属压力容器里,可以做到整个寿期内零泄漏。由于零泄漏,同时辅助系统简单、安装方便,因此得到了广泛应用。

为彻底消除泄漏隐患,并简化设计,西屋公司在AP1000核电站总体设计中再次选用了无轴封主泵。而CAP1400所需要的主泵,其流量、功率比AP1000高20%,研制难度比AP1000主泵高出许多。

考虑到主泵研制的巨大挑战,2011年3月8日,国家电投(原国家核电)与上海电气高层协商,在屏蔽电机主泵研制的同时作为备用方案并行启动另一种技术路线即RUV湿绕组主泵的研制,同年9月份与上海电气凯士比核电泵阀有限公司签订了CAP1400产品主泵供货合同。

CAP系列中采用的非轴封型的主泵,不管是屏蔽泵还是湿绕组泵,都是电机和泵一体的设备,这意味着电机的电磁场、泵的流场以及各自形成的温度场,这三场高度耦合,互相影响,对于主泵这台8000KW的旋转机械提出了极高的设计要求,除了设计本身,对于大型三场耦合装备的设计理论及试验的验证也属于业界首创。

CAP1400 湿绕组电机主泵是当今国际上最先进的立式、单级、单吸、无轴封三代核主泵。其承压边界由泵壳、热屏、电机壳、推力轴承托架、推力轴承室及承压边界紧固螺栓组成,其他主要部件有叶轮、导叶、飞轮、径向轴承、电机转子、电机定子、防反转装置、推力轴承、电机接线盒组成。由于湿绕组电机技术的采用,RUV湿绕组电机主泵没有定子屏蔽套,使得湿绕组电机主泵的效率比同等级的屏蔽主泵体积更小、整体效率高约10%。


RUV湿绕组主泵结构图

为保证核电站现场的惰转要求,湿绕组电机主泵采用一个飞轮增加转子的转动惯量。飞轮结构采用双金属设计,即采用马氏体不锈钢锻件作为基体、内嵌高密度钨钢棒的设计。在飞轮高速旋转下,为了保证飞轮动平衡,钨钢棒本身加工精度及密度均匀性的要求极高,飞轮基体上插入钨钢棒的深孔机加工精度要求也较高,这就需要在深孔加工之前在样件上进行工艺验证,固化工艺后才能在飞轮本体上进行加工。

RUV湿绕组主泵的飞轮

湿绕组电机主泵冷却系统采用泵侧、电机侧双侧热屏设计冷却飞轮腔水温,并且配备了外置冷却器对电机进行冷却。这一设计将机组内分成三个温度区域,泵壳内区域(高温),飞轮腔(中高温),电机腔(中低温),各温度区域内部温度都要保持均匀、稳定的状态。


RUV湿绕组主泵的三个温度区域

湿绕组电机主泵所有转子组件均为刚性设计,采用赫氏齿连接,提高了连接精度和准确度,并且便于重复拆装,不影响动平衡精度。

轴封型主泵一般采用油润滑轴承,但是湿绕组电机主泵属于无轴封主泵,轴承需要包络在承压边界内,决定了其不能使用油润滑轴承,因此,湿绕组电机主泵采用水润滑推力轴承设计。与油润滑轴承相比,水膜的稳定性差,承重能力也较弱,这就提高了水润滑轴承的设计要求。

RUV湿绕组主泵的研制,绝不是仅仅制造出一台样机就可以了,除工程试验外,样机还要通过500小时无故障耐久试验(可靠性)、50次循环(加速疲劳)、及500次启停(加速磨损)的苛刻试验以及其他多项试验考核指标。

除了试验本身的苛刻,主泵试验需要全流量试验台架,其设计建造难度大,成本高、运行维护高。主泵的研制还需要技术、项目管理、计算分析、测试等多方面综合的顶尖人才团队,世界范围内仅有极少数公司能够独立完成。

2011-2014年,上海电气凯士比核电泵阀有限公司出资建成了全流量、世界领先的主泵试验台架以及1:1样机。

2014年底至2016年底,主泵样机进行了约1000小时的试验,攻克了推力轴承等技术难点,完成了多次技术迭代。

2016年至2019年,研发团队潜心钻研、卧薪尝胆,并在之前的试验数据基础上再次进行全面整理、分析、改进,最终攻克了所有的技术难点,样机鉴定试验于2019年7月底完美通过,国内业界专家一致鉴定其为国际领先水平。


全比例试验台架上的

RUV湿绕组主泵样机

上海电气凯士比核电泵阀有限公司的RUV湿绕组电机主泵研制成功无疑是无轴封主泵技术历史上的一大里程碑,为核能的无轴封主泵应用提供了一个新的选项。打破了三代核电主泵主要依靠国外进口的局面,形成CAP1400主泵的自主生产制造能力和产业化能力。该主泵研制过程中克服的诸多复杂技术问题,体现了上海电气的世界领先的研发能力,创造了良好的经济和社会效益,提升了上海在核电主泵领域的国际竞争能力,同时也将为我国核能安全发展提供进一步有效保障。

RUV湿绕组电机主泵的研制成功,解决了CAP1400示范项目关键设备的“瓶颈”问题,填补了国内核电行业急需的技术空白。同时,由于考虑了产品主泵的提前投产,能够保证示范项目的正常建造需求,消除了CAP1400示范项目技术和进度上的风险,为国家科技重大专项的实施、国家十二五能源发展规划的落地、清洁能源的可持续发展提供不可替代的坚实保障。

2011年至2019年,八年艰苦卓绝的奋斗,上海电气对于RUV湿绕组主泵的巨大投入终获成果。RUV研制的成功,将进一步提升上海电气对于CAP系列三代反应堆核蒸汽供应系统主设备的自主化和成套化能力,同时该世界首台使上海电气成为国内唯一的三代反应堆核蒸汽供应系统的全设备供应商,进一步巩固了上海电气在核电装备、乃至电力装备领域国内领先、国际一流的优势地位。此外,由于RUV湿绕组主泵的研制成功打破了国外屏蔽主泵的垄断,CAP1400/CAP1000作为我国核电发展规划中占用重要地位的先进堆型,我国将更快、更好地推进及核准CAP系列核电项目,与华龙一号一起承担起我国三代先进核电自主化跨越式发展的使命。

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