AP1000压水堆核电站主给水泵组的设计选型分析王保田（三门核电有限公司，浙江 台州 317112）摘 要:本文对第三代先进型压水堆AP1000首堆工程主给水泵组的设计选型进行了分析，对选择一回路最佳估算流量下的接口参数作为二回路主给水泵组的设计输入进行了论述；阐述了主给水泵组的流量、扬程、电机功率等性能参数的设计选择过程；对后续AP1000堆型二回路主给水泵组的设计选型具有借鉴和参考意义关键词: AP1000; 主给水泵组; 最佳估算流量; 性能参数; 分析0 概述三门核电站位于浙江省台州市三门县境内，规划建设6台百万千瓦级压水堆核电机组一期工程作为国家三代核电自主化依托项目，装机容量为2ⅹ1251MWe，其核岛采用第三代先进型压水堆AP1000技术1机组计划2013年底投入商业运行，#2机组计划2014年底投入商业运行三门核电一期工程作为第三代先进型压水堆AP1000的首堆工程，主给水泵组由前置泵和主给水泵组成；两泵均为三菱公司生产的卧式、单级、双吸离心泵，共用一台马达驱动，马达转速1500r/min，其中前置泵直接与马达相连，主给水泵则通过增速机与马达相连，增速后主给水泵的转速为4660r/min；每台给水泵组额定流量2900m3/h；给水泵组总扬程785m（主给水泵扬程595m，前置泵扬程190m）；马达额定功率7800kW，额定电压10kV。
1 AP1000主给水系统流程主给水系统是核电站重要的二回路系统，在电站启动、运行、热备用、冷却和停堆期间，主给水系统通过主给水泵把给水输送到蒸汽发生器并维持其水位，因此主给水泵的设计选型对核电站运行的经济性、稳定性和安全性至关重要根据AP1000 DCD（Design Control Document）文件的要求，AP1000压水堆常规岛主给水泵组采用3ⅹ33.3%电动定速泵配置 给水泵组的前置泵和给水泵从除氧器获得给水，升压后通过位于常规岛（CI）侧的#6、#7高压加热器、超声波流量计(UF)、文丘里流量装置(VF)和位于核岛（NI）侧的给水调节阀将给水送至蒸汽发生器，蒸汽发生器将一回路热量传给二回路，产生主蒸汽驱动汽轮发电机组给水系统流程示意图参见图1给水系统核岛侧和常规岛侧的接口点位于NI/CI厂房墙处，即图1中的A处2 主给水泵组设计输入的选择常规岛给水泵组的设计选型，取决于核电站一二次回路的接口数值及核岛对常规岛给水泵组的技术要求AP1000压水堆一回路冷却剂系统（RCS系统）做设计时要考虑四种冷却剂流量：最佳估算流量、热工设计流量、最小测得流量、机械设计流量，每种流量状态分别对应着二回路主蒸汽和主给水在图1中A处的接口参数。
我国已建成的秦山一期、秦山二期、大亚湾压水堆核电站均采用一回路热工设计流量工况作为二回路给水泵组(包括汽轮发电机)的设计输入AP1000压水堆选择哪种一回路状态作为二回路的设计输入将直接影响主给水泵组（包括汽轮机发电机组功率）的设计选型下面给出了AP1000压水堆做设计时考虑的四种冷却剂流量的定义：最佳估算流量（也称最可信流量）最佳估算流量是正常满功率运行工况下的最可能流量；这个流量是基于核燃料、反应堆压力容器、蒸汽发生器、管道流阻的最可信的估计，也是基于对反应堆冷却剂扬程和流量的最可信估计；同时也是基于运行电站的数据和经验（运行电厂的流量实测值与计算的最佳流量相当接近）的数值；最佳估算流量是系统和设备设计所需要的其它设计流量的基础 热工设计流量热工设计流量是用于热工—水力分析的相对低的一个流量，该分析中设计和测量的不确定因素没有进行统计结合热工设计流量是从最小测得流量中减去电厂流量测量不确定因素得到的，热工设计流量比最佳估算流量小约4.5%最小测得流量最小侧得流量在技术规范中定义为必须与电站启动过程中测得的流量相同或大的一个流量测得的流量期望是落在最可信流量左右的一个范围内机械设计流量机械设计流量是作为堆内构件、燃料组件和其它系统部件的机械设计基础的一个相对高的流量。
机械设计流量约为104%的最佳估算流量AP1000压水堆设计时考虑的四种冷却剂流量的简要关系参见图2，图中B点对应最佳估算流量；A点对应热工设计流量（一回路主泵制造的负偏差与RCS系统阻力负偏差的交接点）；C点对应机械设计流量（一回路主泵制造的正偏差与RCS系统阻力正偏差的交接点），D点对应最小测得流量 从图2中可以看出，使用热工设计流量所对应的二回路主给水参数（也包括主蒸汽参数）是偏保守的，如按此作为二回路给水泵组的设计输入，则会引起主给水泵组扬程、流量等与最佳估算流量工况下一回路参数不匹配的情况发生；而最佳估算流量是一回路系统最有可能的流量，对二回路系统进行性能设计时，应当选用系统最可能运行的值或最可能出现的最大值来进行计算（对电站其它系统设计来说，系统设计压力、温度、阻力计算等都采取这样一个原则）因此，最佳估算流量应作为常规岛二回路主辅系统设计优化的基础，主给水泵组的设计选型应使用最佳估算流量下对应的接口参数作为设计输入机械设计流量仅作为堆内构件、燃料组件和其它系统部件机械设计基础的相对高的流量，不应作为二回路设计输入最小测得流量是电站启动过程中一回路冷却剂流量的实测值，不能提前用作二回路设计输入。
表1给出了基于最佳估算流量下的NI/CI厂房墙处（图1中的A处）的给水系统接口数值表1：AP1000基于最佳估算流量状态下的给水接口参数（0%蒸汽发生器堵管）参数反应堆热功率百分比103%100%甩负荷70%0%（给水通过启动给水控制阀进入SG）给水流量kg/h706864568627626588251462201667948给水泵运行台数33321NI/CI厂房墙处的给水温度TFW（℃）226.7226.7168207120TB墙处的给水压力PFW（MPa abs）7.0537.1717.3508.208.60需要指出的是，如选择AP1000一回路热工设计流量对应下的主蒸汽接口参数作为汽轮发电机担保输出功率的设计输入是谨慎且可行的，三门核电一期工程即选用一回路热工设计流量对应下的主蒸汽接口参数作为常规岛热平衡图的输入条件，并以此计算出100%额定工况下的汽轮发电机组担保出力但如果选用热工设计流量对应接口参数作为主给水泵组的设计输入，则不能涵盖一回路系统最可能运行工况，从而致使常规岛二回路系统得不到优化设计3 主给水泵组的性能参数的选择确定三门核电一期工程主给水泵组的额定流量、扬程、马达功率等性能参数的选择确定，由三菱公司根据日本的相关设计规范进行。
3.1 主给水泵组额定流量的选择确定根据表1的数据，反应堆100%额定热功率下所需的给水总流量约为6863t/h，因此单台给水泵组要求的流量为2288t/h；反应堆100%额定热功率下给水泵入口的给水温度为177.3℃，给水比重为0.89t/m3；本工程给水泵设计流量裕度（给水流量的变化）取5%，泵磨损裕量取5%单泵组的计算流量和最终流量确定如下： （1）式（1）中：Q---单泵组额定工况下的计算流量；Q0---单泵组要求的流量，2288t/h；α---给水泵流量裕度，5%；β---泵磨损裕度，5%ρ---给水比重，0.89t/m3由此得出Q的计算值为2828m3/h，圆整后单台给水泵组的额定流量确定为2900 m3/h3.2 主给水泵组总扬程的选择确定主给水泵组额定流量下总扬程确定的步骤为：（1）选定给水泵组的典型运行工况；（2）计算各种典型运行工况下的扬程；（3）绘制能满足典型运行工况的泵性能曲线；（4）在性能曲线上确定与额定流量（2900m3/h）对应的泵组总扬程（给水泵和前置泵的总扬程）根据AP1000核岛侧的要求，给水泵组性能参数的设计应考虑5种典型运行工况：103% 流量工况、100%流量工况、一台给水泵组退出运行工况、机组完全甩负荷工况、0%堆热功率工况。
表2给出了103% 流量、100%流量、机组完全甩负荷三种典型工况泵的扬程计算过程表2：三种典型工况泵的扬程计算过程序号项 目单位103%流量100%流量甩负荷图1中符号出口压头（1）NI/CI厂房墙处给水压力MPa(a)7.0537.1717.350A处（2）给水流量计（UF、VF）损失MPa0.0720.0680.062⑥（3）CI侧管道和阀门的损失MPa0.1930.1820.168⑥（4）#6高加损失MPa0.1170.1100.101⑥（5）#7高加损失MPa0.1280.1200.111⑥（6）静压差(前置泵入口与NI/CI厂房墙处）MPa(a)0.1030.1030.104⑧（7）（1）~（6）总和MPa(a)7.6657.7547.896进口压头（8）除氧器压力MPa(a)0.9410.9410.745⑦（9）管道阀门损失MPa0.1270.1200.111⑥（10）静压差（除氧器低水位与前置泵入口）MPa0.2270.2270.229⑧（11）总压头[(8)-(9)+(10)]MPa(a)1.0411.0480.863（12）总和[(7)-(11)]MPa6.6256.7067.033（13）给水比重ρt/m30.890.890.90（14）总扬程计算值（⊿P/ρg）{(12)*10/(13)/0.098}m759.1768.5796.9（15）裕量%555（16）总扬程m798807837（17）给水流量[式（1）中Q0/ρ]m3/h264825712398注：对上表中（6）和（10），主给水管道在NI/CI厂房墙处（图1中A处）中心标高18.10m，给水前置泵入口中心标高+6.30m，除氧器低水位标高+32.30m。
根据表2中的算法，可计算出上述其它两种工况下给水泵组的扬程和流量，从而绘制出图3给水泵组的性能曲线在此性能曲线上确定额定流量（2900m3/h）下所对应的泵组扬程（给水泵和前置泵总扬程）为785m3.3 主给水泵组马达功率的选择确定主给水泵组马达功率应考虑所有运行工况中可能出现的泵流量最大值来进行选择确定，以防止大流量时马达过载AP1000主给水泵组流量最大值出现在一台主给水泵组跳闸后，反应堆热功率从100% Run Back(RB)到70%的瞬态过程中下面就失去一台给水泵组的瞬态进行分析，参见图4和图5：当三台主给水泵组运行时，额定工况下泵的工作点为A；一台主给水泵组跳闸后，泵的工作点立即由A点改变为B点；蒸汽发生器的水位开始下降及给水调节阀开度变大，约3-4分钟后蒸汽发生器液位达到最低，给水调节阀开度达到最大，由于蒸汽发生器液位和除氧器液位（图1中的①⑦）的波动、给水管路阻力变化（图1中的③④⑤⑥）等引起的给水系统管路阻力特性曲线发生改变，两台运行泵的工作点由瞬态发生时的B点改变到C点；随后蒸汽发生器水位开始回升，给水调节阀开度逐渐关小，最终蒸汽发生器液位、给水控制阀开度、堆功率、给水流量等达到新的平衡点，给水管路特性曲线相应发生。