• 【核電.設備】壓水堆核電廠冷卻劑主循環泵的技術歷程和發展(上)

    信息來源:        發布時間:[2015年11月29日]

    【導言】本文回顧了壓水堆(PWR)核電廠冷卻劑主循環泵(簡稱主泵)從無密封的屏蔽電機泵到有軸封泵的發展經歷,從核安全要求達成的技術共識,以及世界知名泵廠商在自主化技術背景下各自形成的主泵的技術風格與流派。介紹了主泵技術的改進與創新,以及采用非能動安全系統、優化及簡化后的NSSS中,第三代壓水堆(PWR)主泵的有關問題。文章來源︱黃經國. 壓水堆核電廠冷卻劑主循環泵的技術歷程和發展. 水泵技術. 2009
    1前言
    壓水堆(PWR)核蒸汽供給系統(NSSS)中,反應堆冷卻劑主循環泵(以下簡稱主泵)是唯一的轉動設備,它的可靠性直接影響到反應堆的安全運行。按美國ASME核設備的安全等級分類標準,主泵是屬于核安全1級。主泵在軍事和商用上問世之初,即受到高度關注,技術性能與可靠性進步很快。進入有軸封泵時代,美國甚至成立了一個公用事業顧問委員會,幫助評估和改進軸封式泵的早期設計。有實力的知名泵廠商,致力于自主研發主泵,競逐核電市場。技術資源不足而急于發展核電的國家,則走全面引進核電技術的蹊徑,其中包括主泵技術。國外主泵發展的歷程表明,自主開發和技術引進這兩種模式都獲得了成功。在政府的推動下,核電技術自主化進程進展迅速。不同技術背景的自主發展,形成了各自獨特風格的主泵,并且長期并存。本文回顧了主泵技術發展的歷程,主泵技術上的共性及各異的技術風格、特點與創新,對第三代核電技術主泵的相關問題作了初步探討,相信這對發展我國自主的主泵技術會有所啟迪。
    2主泵的發展歷程和技術流派
    起源于軍用反應堆的屏蔽電機主泵技術,被優先移植到商用試驗堆上,軸封式主泵則被研發并定型于300MW級的商用堆。盡管主泵在發展的初期,多少有些知識產權上的約束限制,但是美國和歐洲都經歷了相同的發展階段。1955~1965年是屏蔽式電機泵向軸封式泵發展的重要階段,核電機組容量為200~300MW等級,大都屬于試驗性的商用堆。1965~1970年為商用堆發展的過渡階段,機組容量為400~650MW,軸封式主泵在此期間得到了充分的發展。主泵技術的成熟期是在1970~1980年,NSSS有3個環路的標準設計,單環路功率為300~350 MW,機組功率為900~1000MW。主泵功率由4000kW提高到6500 kW。1980年以后,開發了4環路NSSS的標準設計,機組功率達到了1300~1500MW。
    美國是首先發展核電的國家,世界上430多座核電站中,大約有1/4在美國。通用電氣公司(General Electric Corp,簡稱GE)和西屋電氣公司(Westinghouse Electric Corp,簡稱WH)分別致力于沸水堆(BWR)和壓水堆(PWR)核電技術的開發。對于主泵這一重要設備,兩家公司有不同的經營政策,通用公司是從著名的泵制造廠商采購,西屋公司則安排下屬的以生產電機為主業的電氣機械分部(Electro—Mechanical Division,簡稱EMD)研發主泵,為西屋公司設計的NSSS配套。歐洲核電的發展基本上與美國同時起步,ABB、KWU等核島設備總承包商,在主泵上選擇了與GE相同的政策,即向泵、閥的專業生產商采購。不同的產品主業和技術,不同的制造工藝和生產設備,不同的技術淵源積淀,在開發有相同的核安全要求的PWR主泵任務中,展現了各自的技術風格,形成了各異的技術流派。
    2.1三軸承軸系的美式風格主泵
    為西平港(Shipping Port)商用試驗堆提供了屏蔽電機式無軸封泵后,西屋公司開發了用于單環路功率為150~170MW NSSS配套的63型軸封式主泵。該型號泵1963年首先安裝在康涅狄格州的揚基300 MW核電機組,1965年用于南加州的圣奧諾弗來核電站的450 MW機組,作了改進和完善。軸密封和密封系統中的問題,大部分是在這個電站中解決的。單泵最長運行42000小時,隨后完成了初步設計定型。63型泵的運行參數為:

    圖1 三軸承軸系結構主泵
    定型的主泵結構設計即是所謂的三軸承支承的軸系結構(圖1)。
    電機軸與泵軸用剛性聯軸器直聯,雙向主推力軸承布置在電機頂部,與電機兩個油潤滑導軸承中的上部導軸承組合成一體式結構。在泵部分的第三個導軸承是水潤滑軸承。軸密封系統由3道密封組成:第一道是可控泄漏密封,第2道是特殊設計的端面機械密封,第3道是端面機械密封,有2英尺(610mm)液柱的背壓,防止干磨和汽化,形成了西屋公司特色的軸密封系統的基本型式。泵機組的結構剛性、轉子動力學以及電機與泵之間的軸系對中問題,是結構設計、計算和制造、安裝中的關鍵點。
    在以后的十多年的PWR軸封式主泵發展的鼎盛時期,以電機制造為主業的EMD一直基于這種三軸承結構,進行主泵的研發和完善工作。應該說明的是,除了主泵外EMD的核電產品還有反應堆的控制棒驅動機構和一回路中的核級閥門,EMD主泵系列中的型號列于表1。
    表1 西屋公司的軸封式主泵附注:1)泵的名義流量(gpm)除以1000得到的數字表示主泵型號。2)泵型號后的字母表示電源頻率,A代表60Hz,D代表50Hz,字母后的數字1表示第一次改進設計。3)數字后無字母的泵型號,是西屋公司的國內用泵,均為60Hz電源。
    作為壓水堆NSSS技術的領跑者和技術的轉讓方,西屋公司成為外國核電技術受讓方公司的仿效對象,甚至在產品結構和生產體系上也加以模仿。
    法國法馬通核能公司(Framatome ANP)下屬的日蒙公司(Jeumont AG,以下A G(即公司)都省略)是西屋主泵技術的受讓方,它是一家傳統的電氣旋轉機械制造商,主導產品是電動機和柴油發電機組。1965年日蒙公司為位于休斯(Chooz)的法國第一座商用核電站250M W機組提供了4臺屏蔽電機式主泵。1960年代下半葉,從93D型號起步得到西屋公司主泵許可證轉讓技術,到1979年底已建造的主泵超過了100臺,成為法國唯一的一家生產PWR軸封式主泵、反應堆控制棒驅動機構和快中子增殖堆(FBR)的液態金屬鈉循環泵的制造公司。
    日本是較早發展核電的國家之一,走的也是引進技術發展核電的道路。從美國購買成套核電設備的同時,引進相應的技術,東芝(TOSHIBA)和三菱重工(MHI)分別引進了美國GE公司的BWR(沸水堆)和西屋公司的PWR核電技術。1968年關西電力(株)采購了63型主泵用于美浜一號340MW核電機組,1970年又采購了2臺93A型主泵用于美浜二號500MW核電機組,三菱重工(MHI)則引進了93A型主泵技術。引進主泵技術的受讓方,高砂制作所(TAKASAGO Machinery Works,TM W)是MHI的設計和制造大型旋轉機械的主要工廠,其主導產品是核電和火電主汽輪機、燃氣輪機、水輪機、風機與壓縮機、泵及冷凍設備。從西屋公司引進的93型、93A型和100型主泵的國產化和研究、改進工作都在該工廠進行。1979年國產化93A型泵用于九州電力(株)的玄海1號560MW核電機組。1987年國產化的100D型泵用于北海道電力(株)泊1號580MW核電機組。
    比利時的主泵技術受讓方ACEC(比國沙城電器公司)也是一家電機制造商,從美國聯合離心泵公司(United Centrifugal Pumps)引進了API 610標準的石化工業泵系列,并升級轉化為用于PWR的核2、3級泵。1970年代引進西屋公司主泵技術后,為400MW等級核電機組提供主泵,隨后發展到為本國1000MW級核電機組提供93D型和100D型主泵。西屋公司EMD和其它主泵技術受讓方公司至少為全球一半以上的PWR核電站提供了這種三軸承結構的美式風格主泵。應該說明的是,同一時期中,美國著名的泵制造公司,比如拜侖一杰克遜公司(Byron—Jackson,簡稱BJ),賓漢一威里梅特公司(Bingham—Willamette Limited,簡稱BW)研發的主泵,只能按三軸承結構的設計框架生產,才能納入西屋公司主泵供貨商的名單。他們更多的是向美國沸水堆(BWR)核電站的總承包商GE公司提供BWR用的主泵。兩種主泵的驅動電機大多數是選擇GE的產品。美國另外一家核電站NSSS的總包商,燃燒工程公司(Combustion Engineering,簡稱CE)在美國建立了與德國KSB合資的泵公司CE—KSB,全面引進KSB公司的包括主泵在內的核泵技術,為自己的核島系統配套主泵。
    2.2四軸承軸系的歐式風格主泵
    圖2 四軸承軸系結構主泵
    歐洲有實力很強的集團公司設計常規火電站,并制造成套主要設備。在核電發展初期,他們很快介入了核電市場,比如德國西門子(Siemens)、ABB和KWU,主泵是從著名的泵制造商如德國KSB AG(AG為德文“公司”,以下省略)、瑞士Sulzer等公司采購。主泵與不同集團公司的電機產品匹配時有不同的技術接口,泵與電機采用撓性聯軸器聯接,高參數的雙向作用推力軸承部件布置在泵的上部,是泵能與不同支承剛度和不同轉子動力學電動機匹配的最好選擇。這樣便形成了四軸承軸系的歐式風格主泵(圖2)。在泵上增加一道與主推力軸承一體化的油潤滑導軸承,加上撓性聯軸器,除了使泵和電機軸的對中便利以外,機組的抗震設計和振動分析較容易分析和處理。
    德國KSB公司和瑞士Sulzer兩家是采用技術風格相類似、自主研發主泵的泵、閥制造公司,都起步于軸封式主泵。1966年KSB為德國第一座商用試驗堆,KWU的奧布里海姆(Obrigheim)350MW PWR核電機組提供了首次研發的RER 700型主泵,技術參數如下:

    Sulzer起步稍遲一些,1968年Sulzer Pum ps為荷蘭的波舍爾(Borssele)核電站450MW的PWR機組生產了其首次研發的NPTVr72—84型主泵。為了配合發展歐洲自己的、有球型安全殼的EPR設計,1971年Sulzer和KSB公司雙方投資在德國KSB公司總部法蘭肯塔爾建立了生產核級泵的合資企業Sulzer—KSB核電公司(SKK)。1974年Sulzer出讓了SKK的股權,SKK合并入了KSB公司。此后為Siemens—KWU和西屋公司的PWR核電站,KSB公司生產了超過100臺的主泵。
    泵制造商為西屋公司生產三軸承軸系的主泵時,盡管電機的供應商都是名牌電機廠,比如Siemens、ABB和GE等,在解決電機與泵對中的問題上,比西屋的EMD有更多的問題需要解決。為此,KSB公司為主泵研發了帶有特殊球頂結構的、端面齒(H irth型)半剛性聯軸器,很好地解決了這一問題。這也是GE與KSB在美國建立合資企業的原因之一。
    英國政府在壓水堆(PWR)、沸水堆(BWR)和氣冷堆(GCR)之間的徘徊中,選擇了氣冷堆。由于二氧化碳(CO2)氣體作載熱劑上的技術限制,GCR核電機組的最大功率只能達到英國中央發電局(CEGB)規定的常規火電機組的標準功率660MW。盡管有開發以氦氣(He)作為載熱劑的高溫氣冷堆(HTGCR)的發展規劃,在1980年代末,CEGB還是選擇了壓水堆(PWR)作為1000MW級核電機組的堆型。
    海沃特一泰勒(Hayward—Tyler Co,Ltd,簡稱HT)是英國最早開發PWR和BWR主泵的廠商。有趣的是,它的第一個核電主泵合同是出口合同,為意大利的科索(Caorso)核電站安裝的、美國GE公司的840 MW的BWR提供可變轉速的軸封式主泵,來驅動堆內的噴射循環泵系統。反應堆主泵是包括反應堆在內的N SSS系統中不可分割的一部分。作為NSSS核設備制造的總包商,西屋公司選用EMD的主泵,法馬通公司選用日蒙公司的主泵是理所當然的。在著名的泵制造廠商逐漸淡出核電主泵市場的趨勢下,KSB公司的主泵卻一直在核設備市場上占有一席之地。主要的原因在于,這種歐式風格主泵在技術上、在運行可靠性上有顯著的優點。我國進口的主泵運行實踐表明,KSB的主泵除了有高效率的水力特性外,盡管因有推力軸承原因泵機組高度比三軸承軸系主泵要高出約1.7 m左右,但是在電機聯軸器部位測得的旋轉軸的振動值(雙振幅),要遠遠低于美式風格的直聯泵,這又是一個不爭的事實。以Cr-Ni鋼整體鍛造、用數控機床加工,得出的閉式的混流泵葉輪來替代傳統的鑄造的主泵葉輪,是KSB公司在主泵上把專業技術發揮到極致的一個典范。
    3主泵的設計準則——核安全技術共識
    人們清醒地認識到,核電站的核泄漏事故引發的災難是超越國界的。關于核電技術,尤其是核安全相關技術的技術交流、技術合作和技術轉讓,在正常國家之間是不存在障礙的。核安全理念上的共識,成就了核安全技術上的共識。基于人們在軸封式主泵上多年的研發和運行實踐,在反應堆主泵的設計和制造技術上達成了一些共識,成為主泵設計的基本準則。本文只對壓水堆主泵的有關問題進行闡述和討論。
    3.1主泵功能的定位
    反應堆冷卻劑主循環泵是核電站最重要的設備之一,是NSSS中唯一的旋轉設備。它看似是一個輔助設備,但事實上的確可以把它看成是核電站的心臟。水冷卻反應堆的可靠運行,在于它產生的熱量由流經堆芯的冷卻劑依靠強制循環傳輸出去,這就是主泵的功能,因此,主泵在下列條件下,承擔輸送大量的冷卻水:
    高的系統壓力高的介質(水)溫度盡可能少的軸密封泄漏高的可利用率和易于維修
    3.2水力設計
    壓水堆系統的起動壓力高,約為15~20bar,正常運行時為150 bar。從安全設計出發,泵的水容積應盡可能小一些,泵效率盡可能高一些。泵可以選擇高的工作轉速和比轉速,對于同步轉速n=1200r/min(60Hz)和n=1500/min(50Hz),泵的比轉速大都在ns=400~500的混流泵范圍。重水壓水堆(HWPWR)的主泵,由于水容積的限制,必須采用蝸殼型的泵體;輕水壓水堆(LWPWR)大都采用軸對稱的桶型或者準球型泵殼。從瞬變工況下減少熱應力的觀點出發,后一種泵殼構型會更好一些。相同比轉速的葉輪,軸面通道的形狀是徑向流型,還是混流型,會影響到徑向力的大??;設計理論和設計方法的不同也會導致在泵的四象限全特性曲線中,等揚程曲線H=0射線的位置,會在不同的象限。泵體承壓邊界靜密封的可靠性,要求泵體上與泵蓋匹配的開口直徑盡可能減小,開口直徑的大小與葉輪、導葉體的水力尺寸和構型是密切相關的。
    3.3軸承與潤滑冷卻系統
    重載荷參數[PV]>12000 N?m/s?cm2的雙向推力軸承,布置在電機頂部或者泵上部,都需要有高壓油頂升裝置,后一種設計還帶來了提高冷卻能力的油冷器一體化的課題。與推力軸承一體化的導軸承與軸密封的距離,關系到密封處的軸振水平和軸密封的穩定運行??紤]到抑制軸承中的油膜振蕩和機組對中時的調整,有中心支承可傾瓦的導軸承是最佳的選擇。泵內水潤滑導軸承有流體動壓型和流體靜壓型兩種。葉輪的出口揚程是靜壓型的壓力源,它無潤滑水溫的限制,設計的徑向負荷必須準確,這是軸承穩定運行的前提。主泵起動時和停機時,軸承的承載能力應加以關注。以浸漬金屬的石墨為軸瓦材料的動壓軸承,潤滑水溫通常要求低于80℃,事故工況下最高可達107℃。在冷卻潤滑水足夠的場合,軸承可承受較高的比壓。在確定水潤滑導軸承尺寸時,在三軸承的靜不定軸系中與在四軸承的靜定軸系中,軸承的徑向間隙和比壓的差異也是應考慮的因素。事實上,在泵軸系的細節設計時,除了軸承以外,徑向間隙處流體的動壓或者靜壓效應,以及保證軸承潤滑油或水循環的內置螺旋泵葉輪、迷宮泵葉輪或鏡板泵葉輪與系統及冷卻器的匹配都應十分仔細的考量和處理。
    3.4軸密封與系統
    軸密封是主泵的承壓邊界上,轉動件與靜止件間的界面部件,在保證承壓邊界的完整性上是關鍵部件。根據軸密封的工作參數,采用動、靜摩擦副表面不接觸的可控泄漏密封是可靠的選擇。由密封面間液膜形成方法而區分的流體靜壓密封和流體動壓密封都是PWR主泵可以采用的成熟技術。核電站的成功運行經驗表明,PWR主泵選用下列密封組合是恰當的:
    ——三道流體動壓密封,這是歐式風格主泵軸密封的典型設計;
    ——一道流體靜壓密封和一道流體動壓密封,這是美式風格主泵軸密封的典型設計。
    每道單獨的密封,必須能承受系統的全壓力可靠地運行,這是關于軸密封技術共識的重要論點。主泵采用三道流體動壓密封的另一個原因是,在NSSS的管系作PT=235bar的水壓試驗時,無須拆卸軸密封,因為每級密封的壓降約為50 bar,但每級都按全壓力來設計。
    確切地說,西屋公司開發的美式風格的主泵軸密封是由二道靜壓密組成。當第1道靜壓密封失效后,第2道密封在全系統壓力下,通過密封環與環座變形的控制,端面機械密封變化成了斜面型密封面的靜壓密封。這是一款很有創意的密封設計,法國人沿襲至今,不作改變。
    在軸密封與水導軸承下方布置檢修用的靜密封,這是主泵的易于維修的安全要求所必需的設計。在軸密封通大氣側布置蒸汽密封、停泵安全密封,這是不同系統的技術規范要求的安全性設計。
    歐式風格和美式風格主泵軸密封的設計定型,應該說是根據成熟的高端技術的傳統和習慣,進行優選的結果。KSB公司在奧布里海姆的RER 700型主泵上,曾選用了二道流體靜壓密封(臺階密封面型)和一道流體動壓安全密封(見圖3),運行了58000小時而無需維修。西屋公司在分叉河核電站1120 MW核電機組的70型主泵上,也曾選用了三道流體動壓密封和一道低壓蒸汽密封,主泵安全運行了44200小時后檢修。上述兩家公司成功的實例并沒有改變軸密封最終的設計定型。誠然,實際運行的成功經驗十分重要,但是自主化技術特長和傳統的充分發揮,對高端技術的持續發展更為重要。
    圖3 奧布里海姆核電站主泵的KSB公司密封部件
    就設計理論而言,可控泄漏密封是借助于推力軸承的原理來形成密封面間的液膜的??梢哉J為,流體動壓密封是米契爾(Michell)軸承或者金斯伯里軸承(Kingsbury)可傾瓦塊式動壓軸承與機械密封的聯合;流體靜壓密封則是固定油楔面的油囊式(Oil pocket)靜壓軸承與機械密封的聯合。密封面間微小的軸向間隙被磨損后,會影響泄漏量的穩定。軸密封注入水必須通過流通粒徑≤5um的過濾器,才能進入密封腔,這是兩種軸密封的共同的基本要求。
    除了高的可靠性以外,軸密封還必須滿足:
    ——起動壓力低;——監測、檢查方便;——更換安全、迅速,人員受幅照量低。
    表2 Dw=200mm主泵軸密封性能數據附注:(1)大約有0.2m3/h的附加流量流過旁通管(壓力分配器);(2)此數值與徑向間隙的大小有關。
    基于模塊化設計的理念,1960年代KSB公司在對主泵軸密封系統作試驗研究的基礎上,對系統壓力Ps=150 bar、軸徑Dw=200mm、轉速n=1470r/min、和滑動速度V=20m/s的典型設計的PWR主泵軸密封得到了表2中的技術數據。

    表中:

    Z——相互串聯的密封級數;
    Ql——密封的泄漏量;
    NR——Z級密封的機械摩擦功率;
    NE——在系統壓力下、補入液體(=Ql)而消耗的功率;
    Nth——冷卻Ql液體所需熱功率;
    QK——冷卻密封系統所需要的冷卻水量。

    可以說,KSB公司的軸密封試驗研究成果,以及軸密封在奧布里海姆核電站主泵和在諾沃?沃隆奈希(Nowo Woronesch)型440MW PWR主泵(三道流體動壓密封加一道安全密封)上十分成功的運行實績和經驗,為形成軸密封設計的技術共識奠定了可信賴的基礎。

    3.5模塊化設計
    在壓水堆NSSS中,單環路功率N=300~350MW的設計,已成為第二代PWR核電機組中的標準系統。一個反應堆壓力容器,最多可布置4個環路,模塊化設計的主泵便應運而生。

    軸密封是與主泵安全性緊密相聯的關鍵部件,理所當然地作為核心的固定載荷模塊。KSB推薦了Dw=200mm軸徑的軸密封用于RER型系列的主泵,日蒙公司在引進的西屋公司技術的基礎上,完善了8英寸(軸徑d0=200mm)軸密封,用于93型、93A型、93A1型、100D型和N24型等5種主泵。流量范圍Q=2O1OO~24850m3/h,揚程范圍80~106in,配套電機功率Nm=4800~7100kW,適用于3環路和4環路的機組功率為900~1500MW的PWR機組。

    泵機組的高參數推力軸承是另一個重要部件。系統的內壓力在泵轉子上形成的軸向推力負荷,只取決于軸密封中的一個有效直徑,因而有高壓油頂升裝置的推力軸承及油冷卻循環系統也順理成章地成為固定載荷模塊。不同功率電機的轉子與飛輪重量的變化,只影響到推力軸瓦上的比壓在設計范圍內幅度不大的改變。

    上述的5種規格的主泵中有桶型和準球型兩種低碳Cr-Ni不銹鋼材質的鑄造泵殼供選配。MHI在主泵的國產化中也試用過SA508 CL.3低合金鋼,整體鍛造的泵殼(圖4),內部過流表面堆焊低碳不銹鋼。KSB公司也只優選了一種型式的整體鍛造泵殼。這樣,由葉輪和導向器組成的水力部件就成了主泵的主要的可變有效載荷模塊。PWR核電機組中,主泵的配置是相對固定的,也可以說是“模塊化”的配套。法馬通核能公司只選擇100D型主泵用于法國國內的1000~1300M W核電機組,自主開發的N24型主泵只用于法國風格的N4 1500MW 4環路設計和所謂的法國第三代核電技術的EPR 1600設計。MHI只選用93A1型主泵用于60Hz系統,100D型主泵用于50Hz系統。100A型主泵是100D型的改進設計,用于MHI自主開發的APW R 1500型4環路核電機組。

    圖4 SA508 CL.3整體鍛造的泵體
    3.6全負荷試驗臺架
    在核安全理念的共識下,為考核主泵的性能與可靠性,主泵在出廠前必須進行模擬實際運行工況的熱態全負荷試驗,首批產品的第一臺主泵還需在全負荷工況下,運行足夠長的時間。不具備全負荷試驗裝置時,若用戶同意,在完成關鍵部件,比如軸密封的單獨考核試驗的前提下,可以在泵上安裝小流量的葉輪,在模擬運行壓力和溫度的小管徑試驗回路上,檢測除水力參數外的泵的性能。但是泵的水力性能必須有足夠精度等級的水力模型試驗臺來見證和驗收。

    自1960年代軸封式主泵問世以來,國外先后建造了不少全負荷主泵熱態試驗臺架。試驗臺管道的材質,也由碳鋼或低合金鋼發展為Cr-Ni不銹鋼或低合金鋼內表面堆焊不銹鋼。據不完全統計,以下廠商擁有試驗臺架:

    NSSS設計與設備總包商——美國西屋公司的EMD;
    ——法國電力公司(EDF),簡納維里爾(Genevilliers)分部;
    ——日本三菱重工(MHI)的高砂制作所;
    ——勞蘭Oy Finnafom(AB)公司。
    泵制造廠商——美國,拜侖?杰克遜公司(BJ);
    ——美國,賓漢?威里梅特公司(BW);
    ——德國,KSB(AG)公司;
    ——瑞士,蘇爾壽公司(Sulzer);
    ——比利時,ACEC(比國沙城電器公司);
    ——英國,海沃特?泰勒公司(HT);
    ——英國,偉爾泵公司(WPL)。

    綜合分析相關的資料,可以得知在核安全的共識下,不同年代建造的主泵試驗臺架的技術特點:
    1PWR主泵的全負荷試驗臺架最早是美國BJ公司于1960年代初期建造的;最遲建造的是英國中央發電局(CEGB)投資、建造在偉爾泵公司的阿洛瓦(Alloa)工廠,于1991投運的主泵試驗臺。首臺被測試主泵是日蒙公司生產的100D型主泵。由于決策的錯誤,適用于安全發電的PWR進入英國電力工業比美國推遲了30年。2軸封式主泵發展的初期,在美國,泵制造商生產的主泵占主導地位,他們都建造了不止一座主泵試驗臺,來滿足主泵出廠前的驗收試驗要求。BW公司建了兩座管徑為DN700mm的全負荷試驗臺,共用一套溫度、壓力測控系統。

    美國BJ公司在1970年代已擁有了世界上僅有的7座全負荷試驗臺中的4座,其中的3座集中安裝在洛杉磯工廠的一個面積為2320m2、高30m、吊車能力為100噸的專用測試廠房內。一座試驗臺的管徑為25英寸(DN650mm),QD=6.3 m3/s;另兩座臺架相同,管徑為42英寸(DN1000mm),QD=12.6 m3/s。管道用低合金碳素鋼鑄焊而成。
    3NSSS設備總包商建造的主泵試驗臺,大都是在垂直平面內的單環路臺架,管材為不銹鋼。圖5中表示的MHI的主泵試驗臺是典型的實例。用一個同口徑的閥門來調節流量,測試流量的幅度限制在設計流量的80~120%的較小范圍內。4實用性強的簡化設計是BW公司的試驗臺,基本的設計理念是,在相鄰的兩條平行的地坑中,安裝兩條單環路試驗管道,聯接流量調節閥前后的支管被設計為一臺蒸發器的一次側管系。改變通大氣的二次側殼體的水位來控制冷卻水的蒸發量,從而控制主管道的水溫與壓力。兩座試驗臺共用一套溫控設備,一座專用排放水蒸汽的煙囪是必不可少的。從發展初期的主泵運行試驗的要求來看,這是一款滿足要求、操作簡單和經濟節能的設計。5復雜的設計是CEGB投資建造在偉爾公司的主泵試驗臺(圖6)。它是一個模仿電站中實際狀況的空間管系設計,主泵安裝在活動支撐架上橫向與阻尼器相聯,流量調節閥附近是整個測試管路的錨定的固定點。試驗臺的功能擴大了,流量測定范圍還是受到單一的同口徑閥門的限制。6專業技術性強、測試流量范圍最大的試驗臺是KSB公司建造在德國法蘭肯塔爾的主泵試驗臺(圖7)。臺架的管徑DN1000mm,設計壓力PD=180bar,設計溫度TD=350℃。兩根平行的主管道的遠端,有9根橫向、平行的帶有蝶閥的小口徑管道相聯接,可在大范圍內調節流量。流量的微調是用安裝在兩根更小管徑的平行管路上的節流閥來實現的。管路的材質是低合金鋼,內表面與介質接觸面堆焊低碳不銹鋼。試驗臺架不僅在很大的流量范圍內準確地測試泵的性能,而且避免了大口徑流量調節閥的技術難點和高成本。
    圖5 MHI試驗臺架主回路結構
    圖6 CEGB在阿洛瓦的試驗臺架主回路
    圖7 KSB公司試驗臺主回路
    作者簡介黃經國,原上海凱士比泵有限公司總工程師、教授級高級工程師、工程技術經理、兼中國流體工程學會、泵專業委員會委員、中國水力發電工程學會、水力機械專業委員會委員、中國動力工程學會、核電專業委員會委員。
    未完待續……