三门核电主泵运行分析

摘 要：本文简要介绍了三门核电AP1000主泵的结构、供电和控制，具体分析了AP1000主泵的运行特点，并讨论了主泵的启动和停运顺序。

关键词：AP1000；反应堆冷却剂泵；抽真空启动

1.引言

三门核电机组的运行特点之一即为采用全密封式的反应堆冷却剂屏蔽电动泵，从而消除了轴密封式主泵上可能发生的因轴封损坏造成冷却剂泄漏的隐患。虽然三门核电主泵具有转动惯性大、可靠性高、维护保养要求低的特点，但是由于如此大功率的屏蔽泵首次在核工业界应用，故主泵的制造、调试、运行、维修等相关技术一直得到业界广泛的关注。本文将通过分析三门核电主泵及其变频器的特性和技术要求，总结出三门核电屏蔽式主泵的运行特点，为三门核电主泵的安全稳定运行奠定基础。

2.主泵结构介绍

三门核电主泵是一台立式、单级离心泵。主泵由水力部件、电机部件和其他部件组成，主泵装有三个轴承，两个径向轴承和一个双向推力轴承，都在电机一侧，轴承采用水润滑方式。

3.主泵反转时的运行要求

传统核电厂的主泵没有设置变频器，故若在主泵倒转时定子线路合闸，则主泵受到一个制动力矩，转速逐渐下降，但是转子储存的能量和外电网输入的电能均消耗在电机的定子绕组中，即定子的电流突然增大，导致定子绕组烧毁。故传统核电厂的主泵均设置防逆转装置，以防止主泵停运后倒轉。

AP1000的主泵由于设置了变频器，使得若在主泵倒转时定子电路合闸，则可以通过改变变频器的导通角先使主泵由倒转转速制动到零转速，使电机转子储存的能量通过定子电路传递给电网，随后再从零转速进行主泵启动，因而不会导致电机定子绕组烧毁，故AP1000主泵不设置防逆转装置，允许主泵倒转运行。如果一台倒转运行的主泵没有接通电源，则由设冷水带走主泵发热，防止倒转主泵烧毁。AP1000的主泵变频器可以使主泵在反转转速为-85%至0%同步转速范围内运行。

正常运行时如果一台主泵丧失冷却水，此时若只停运该故障主泵，则故障主泵会发生倒转，而丧失冷却水的故障主泵在倒转工况下运行会导致该主泵烧毁。故在正常运行时若一台主泵停运则允许故障主泵倒转运行，但若一台主泵是因为丧失冷却水（如出现主泵轴承水温度高信号）而停运时则必须同时停运所有主泵，防止故障主泵倒转运行。

如果在功率运行时失去1 台主泵，则停运的主泵无法在其他3台主泵额定转速运行工况下重新启动。为防止超电流启动，必须将其他3台运行主泵降速至315rpm，才能启动停运的泵，以减小反向冲击力矩。

另外，若一环路的两台主泵同时倒转运行则一环路热段的冷却剂将会从蒸发器流向压力容器，影响非能动余热导出热交换器投入时的自然循环冷却过程，故当有主泵运行时，一环路至少有一台主泵运行，以防止事故情况下影响非能动热交换器的运行。

4.抽真空启动时对主泵的运行要求

为了降低主泵启动时低温超压的风险，同时降低反应堆启动所需的时间，AP1000在反应堆启动时除了可以延用传统核电厂采用的水实体启动方式外，还可以采用抽真空启动，即在一回路充水过程中将一回路压力抽至真空状态，并在真空状态下建立稳压器汽腔，通过稳压器压力控制将一回路压力升高至主泵净正吸入压头后启动主泵。由于主泵定子屏蔽套内的压力不准超过定子屏蔽套外6.9KPa，以防止定子屏蔽套损坏，故在一回路抽真空启动时，需要同时对定子屏蔽套内进行抽真空，具体做法为：

1）在一回路抽真空之前，首先利用喷射泵对定子屏蔽套抽真空管线进行泄漏试验，以防止在一回路抽真空时由于定子屏蔽套抽真空管线的泄漏而导致定子屏蔽套内的压力高于定子屏蔽套外；

2）在一回路抽真空时，同时对一回路和定子屏蔽套抽真空，从而保证在一回路抽真空过程中一回路和定子屏蔽套内的压力始终相等；

3）当一回路抽真空结束后，升高一回路压力至大气压时，利用主泵氮气罐里的氮气将定子屏蔽套内的压力升高至14-21KPa（表压）之间，维持五分钟后，通过排气将定子屏蔽套内的压力降至大气压，然后拆除主泵定子腔室排气软管，将定子屏蔽套排气孔用盲板堵死。之后定子屏蔽套内的压力便不随一回路压力变化而变化，可以继续对一回路进行升压。

5.系统对主泵运行的要求

为了保证反应堆的安全稳定运行，主泵运行必须满足以下要求：

1）在模式1、2及停堆断路器闭合状态下的模式3，一回路两个环路必须可用并处于运行状态（4台主泵及其变频器正常运行），用于在控制棒意外提升事故时提供一个强迫循环流量以导出堆芯热量，防止发生DNB；

2）在停堆断路器开启状态下的模式3、4、5，不可能发生控制棒意外提升事故，但如果非硼化水源没有与一回路隔离，则此时可能发生硼稀释事故，如果一回路流量较大则一回路搅浑能力较强，堆芯硼浓度下降明显，堆外源量程中子探测器会产生硼稀释闭锁信号隔离非硼化水源。但如果此时一回路流量较小，则硼稀释事故可能在长时间内不被发现。故在停堆断路器开启状态下的模式3、4、5，若同时非硼化水源没有与一回路隔离，则此时需要至少一台主泵运行且通过一回路的流量不小于3000gpm，以及早发现硼稀释事故，同时促进导出堆芯余热，防止发生DNB；

3）在停堆断路器闭合状态下禁止启动主泵，以防止在启动主泵时将一回路中硼浓度较低的冷却剂带入堆芯导致发生未经分析过的反应性增加事故；

4）在一回路温度超过177°C时，若稳压器水位超过92%，则禁止主泵启动，以防止主泵启动时的加热瞬态导致一回路低温超压事故；

5）在一回路冷段温度不超过177°C时，只有任一蒸发器二次侧温度均不超过其对应的一回路冷段温度28°C且主泵启动速度不超过17.5%同步转速时才允许启动主泵，以防止主泵启动时的加热瞬态导致一回路低温超压事故；

6）当向一回路中添加化学物质或调整一回路硼浓度时，至少一台主泵或RNS泵必须运行以保证一回路化学物质分配均匀；

7）当一回路平均温度高于71°C时，必须至少保证一台主泵运行；

8）为了提供稳压器喷淋流量，RCP1A、RCP1B至少运行在50%额度速度；

6.总结

1）AP1000主泵不设置防倒转装置，允许主泵在倒转工况下连续运行。但此时应注意保证倒转主泵的冷却，并防止影响PRHR HX的运行；

2）在一回路抽真空启动前，需要对定子屏蔽套内进行抽真空，以防止定子屏蔽套内压力超过定子屏蔽套外时损坏定子屏蔽套；

3）主泵轴承采用水润滑方式，简化了控制方式，但是必须严格控制主泵转速在315rpm以下运行的时间，以防止轴承损坏。

参考文献：

[1] 三门核电一期工程初步安全分析报告，2009.

[2]AP1000设计控制文件，17版 ，2008.

[3]CPP-EV02-VNM-001，Revision 0，VFD operation，maintenance，and installation manual，Siemens Industry，Inc.

[4]APP-MP01-M2-001，Revision 0，AP1000 Reactor coolant pump design specification ，Westinghouse Electric Company，LLC.