通過給水泵運行特性分析水泵如何選擇

    關鍵詞：壓水堆、核電站、給水泵、配置方案

    我國大陸在役和在建的核電站有6座，11臺機組，總裝機容量8700MW。在其中的5座壓水堆核電站中，主給水泵型式和配置各異。大亞灣與嶺澳核電站采用2臺50%（指額定給水流量，下同）汽動泵加1臺50%備用電動調速泵，秦山一期采用3臺50%電動定速泵，秦山二期采用3臺50%電動調速泵，田灣核電站采用5臺25%電動定速泵。國外壓水堆核電站主給水泵選型配置方式也不盡相同，各國有各國的風格和習慣，但趨勢越來越傾向于電動給水泵。盡管不同型式和不同配置的主給水泵系統(tǒng)都能滿足核電站的安全與功能要求，但作為核電站常規(guī)島重要的輔機系統(tǒng)，其投資和運行維修的經(jīng)濟性是大不相同的。中國的核電發(fā)展在面臨著前所未有機遇（2020年裝機容量要達到36～40GW）的同時，也面臨著實現(xiàn)國家要求的自主設計、自主制造、自主建設、自主運營以及降低工程造價和上網(wǎng)電價、參與市場競爭的巨大挑戰(zhàn)。因此，按照壓水堆核電站主給水系統(tǒng)運行要求分析不同類型給水泵運行特性，確定壓水堆核電站主給水泵佳型式和配置方案，對實現(xiàn)我國壓水堆核電站自主設計、降低核電站的造價是非常必要的。

    1、主給水系統(tǒng)調節(jié)方式

    壓水堆核電站主給水系統(tǒng)的主要功能是將溫度、壓力和水質合格的給水送到蒸汽發(fā)生器，并利用給水系統(tǒng)調節(jié)功能將蒸汽發(fā)生器水位維持在給定范圍，它是保證核島安全運行和汽水品質的重要熱工系統(tǒng)。與常規(guī)電站一樣，壓水堆核電站主給水調節(jié)系統(tǒng)也有兩類，即定速給水泵給水調節(jié)系統(tǒng)和調速給水泵給水調節(jié)系統(tǒng)，兩種給水調節(jié)系統(tǒng)在較高負荷下（大于15%～20%）采用三沖量調節(jié)控制的原則。在低負荷下由于蒸汽參數(shù)低，負荷變化小，蒸汽發(fā)生器假水位現(xiàn)象不太嚴重，維持給定水位的要求不太高，加之蒸汽流量和給水流量小而很難準確測量等原因，所以低負荷下給水采用單沖量旁路調節(jié)控制方法。

    1.1、定速給水泵給水調節(jié)系統(tǒng)

    定速給水泵給水調節(jié)系統(tǒng)是簡單的一種給水調節(jié)控制方式。其實質是給水泵特性曲線保持不變，通過調整給水閥門開度方式來改變給水管路流動阻力損失，即改變給水管路特性曲線來改變給水泵工作點。給水調節(jié)閥關小，管路阻力特性曲線由R1改變到R2，給水泵工作點由1改變到2，使給水流量從Q1減小到Q2，實現(xiàn)調節(jié)給水流量和蒸汽發(fā)生器水位的目的。

    1.2、變速給水泵給水調節(jié)系統(tǒng)

    變速給水泵給水調節(jié)系統(tǒng)是在給水管道阻力特性曲線給定（或基本恒定）的情況下通過改變給水泵轉速來改變給水泵特性曲線，實現(xiàn)調節(jié)給水流量、控制蒸汽發(fā)生器水位的目的。給水泵轉速調節(jié)機構將給水泵組轉速從n1調整到n2，給水泵特性曲線將從Q–H1改變到Q–H2，在給定給水管路阻力特性曲線（此處為恒定值）的情況下，

    變速給水泵原動機主要有小汽輪機和電動機兩種方式。

    汽動給水泵由小汽輪機驅動，小汽輪機接受給水調節(jié)系統(tǒng)流量或轉速需求信號，并通過小汽輪機進汽流量調節(jié)機構調節(jié)給水泵轉速。正常運行情況下小汽輪機進汽來自主汽輪機抽汽，低負荷工況下來自反應堆新蒸汽。當主汽輪機負荷增加時，供小汽輪機的抽汽壓力也相應提高，在調門開度變化不大的情況下汽動泵出力會自動增加，因此汽動給水泵給水流量控制有一定的自衡能力。

    電動調速給水泵通過裝在電機和給水泵之間的液力耦合器調節(jié)給水泵轉速。液力耦合器接受給水調節(jié)系統(tǒng)流量或轉速需求信號，并通過勺管控制機構改變液力耦合器充油量來調節(jié)給水泵轉速。由于液力耦合器只能減速，因此在耦合器之前需要用齒輪增速器將轉速事先提高到上限值。

    上世紀80年代以來，先進的工業(yè)國家特別是美國已逐步將變頻調速電機用于大型電站變速給水泵（給水泵功率在4～20MW），但我國在此方面仍處于起步階段。

 1.3、壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器壓力控制要求

    常規(guī)電站鍋爐受熱面?zhèn)鳠釡夭罡哌_數(shù)百度，鍋爐設計不受太嚴格的體積限制，更沒有核安全的特殊要求，熱工設計自由度大，因此可以按定壓（主蒸汽壓力基本維持不便）運行方式設計，也可按滑壓（主蒸汽壓力隨著負荷的增大而提高）

    壓水堆核電站則不然，其一回路受壓水溫度（可看作常規(guī)鍋爐的爐膛溫度）低，二回路蒸汽始終處于非過熱狀態(tài)，一、二回路間傳熱溫差小，對數(shù)平均溫差大約只有50℃多，且布置在空間有限的水泥安全殼內。為滿足核安全的嚴格要求，熱工設計的自由度非常有限。在熱停堆狀態(tài)下，反應堆輸出功率接近零，反應堆一、二回路間基本沒有溫差，反應堆芯進出口也沒有溫差，即一回路平均溫度與二回路蒸汽溫度基本相同。當二回路負荷增加，為保證蒸汽發(fā)生器換熱面熱傳導正常進行，一回路平均溫度必須提高或二回路蒸汽壓力必須降低。如果二回路蒸汽壓力（溫度）保持不變，一回路平均溫度必須保持足夠大，以便保證一、二回路間合適的對數(shù)平均溫差。

    然而，一回路平均溫度的過度增大，會給整個核島安全設計帶來一系列問題。首先，一回路平均溫度提高后，穩(wěn)壓器的容積必須增大。穩(wěn)壓器容積的增大將直接導致一回路水裝量的增加，即一回路大破口事故下一回路冷卻劑總汽化潛熱的增加。為保證一回路大破口事故下壓水堆核電站的高度安全，其安全殼容積必須相應增大，這在技術和經(jīng)濟上是不可行的。

    為避免以上問題，目前在成熟的壓水堆設計中對一回路平均溫度變化幅度都作出了限制（M310型反應堆平均溫度變化范圍不大于20℃）。這樣，在保證核安全要求的前提下，為維持一、二回路間的正常熱功率傳遞，二回路蒸汽壓力或溫度必須按要求隨負荷的增加而降低（圖5的B-C線或B-G-C線），此時給水泵出口壓力維持基本恒定。 

    2、各種給水泵配置方式的經(jīng)濟性分析

    2.1、電動調速給水泵與汽動調速給水泵

    容量相同時，電動調速給水泵與汽動調速給水泵主要區(qū)別在于原動機形式不同，能源輸入方式不同以及調速方式不同。假定在調速范圍方面兩種給水泵都能滿足給水調節(jié)要求，那么兩種調速方式的給水泵經(jīng)濟性差異主要表現(xiàn)在投資、運行和維修方面。

    2.1.1、運行經(jīng)濟性分析

    假定能量傳輸?shù)钠瘘c為向小汽輪機供汽的主汽輪機抽汽點（見圖6）。那么汽動調速給水泵能源傳輸轉換環(huán)節(jié)有從抽汽點到小汽輪機進汽口的抽汽管道、小汽輪機通流部分熱—機轉換過程和前置泵減速機構。電動調速給水泵能源傳輸轉換環(huán)節(jié)主要有主機抽汽點之后通流部分熱—機轉換過程、發(fā)電機機—電轉換過程、廠用變壓器、開關電纜、電動機電—機轉換過程、液力耦合器及其增速機構或電動機變頻系統(tǒng)。由于小汽輪機供汽管道和開關電纜損失相對較小，此處不計入分析對比因素之列。

    當汽輪發(fā)電機組總功率N相同，采用汽動調速給水泵與采用電動調速給水泵相比使機組功率增加△Nn為正值時，表明采用汽動調速給水泵在運行方面是經(jīng)濟的，反之則表明采用電動調速給水泵在運行方面是經(jīng)濟的。其得益程度可作如下推導：

    采用汽動調速給水泵時機組輸出凈功率N1為：

    N1=N－△N

    △N=DexHηiηe

    式中：

    Dex：小汽輪機進汽量；

    H：主汽輪機抽汽點下游絕熱焓降；

    ηi：主汽輪機抽汽點下游相對內效率；

    ηe：主汽輪機機械效率。

    采用電動調速給水泵時機組輸出凈功率N2為機組總功率N與電動調速給水泵耗功NM之差：

    N2=N－NM

    NM=NTηd=NTηgηtηeηmηwηf

    式中：

    NT為小汽輪機軸功率；

    NT=DexHηipηep=NMηd

    ηg：發(fā)電機效率；

    ηt：廠用降壓變壓器效率；

    ηm：電動機效率；

    ηw：升速齒輪機構效率；

    ηf：液力耦合器效率；

    ηip：小汽輪機相對內效率；

    ηep：小汽輪機機械效率。

    采用汽動調速給水泵較之采用電動調速給水泵配置方式的得益程度為：

    △Nn=N1－N2=NTηd－△N或

    △NnN=NTN（1ηd－△NNT）

    =NTN（1ηd－ηiηeηipηep）

    由此可見，只要1ηd>ηiηeηipηep就可得益。

    以某百萬千瓦級壓水堆核電機組為例：

    小汽輪機功率NT=2×7.961MW；

    主汽輪機抽汽點下游相對內效率ηi=83.3%；

    小汽輪機相對內效率ηip=70.7%；

    發(fā)電機效率ηg=98.79%；

    廠用降壓變壓器效率ηt=99.3%；

    電動機效率ηm=96.9%；

    主汽輪機機械效率ηe=99.6%；

    小汽輪機機械效率ηep=99%；

    升速齒輪機構效率ηw=96.5%；

    液力耦合器效率ηf=92.6%；

    代入上式得：

    △NnN=2×7.9611000×（10.846－0.833×0.9960.707×0.99）

    =－0.0053%或

    △Nn=－0.053MW

    若考慮汽動調速給水前置泵齒輪減速機構0.102MW的機械損失，那么汽動調速給水泵配置方式與電動液力耦合器調速泵相比凈損益0.155MW。也就是說，汽動調速給水泵配置方式與電動液力耦合器調速泵相比在運行上并不經(jīng)濟。

    我們知道，若采用調頻電機，可以徹底消除液力耦合器增速齒輪的機械損失，僅須考慮大約3%的變頻損失（即升速齒輪機構和液力耦合器兩項合并效率換成為97%的變頻器效率）。此時

    △NnN=2×7.9611000×（10.918－0.833×0.9960.707×0.99）

    =－0.153%或

    △Nn=－1.53MW

    也就是說，與變頻電機調速給水泵相比，汽動調速給水泵凈損益1.53MW。

    早期大容量全速汽輪機由于受到末級長葉片長度以及軸系長度的限制，分流一部分低壓蒸汽用于給水泵小汽輪機，在某種程度上可以緩解主機排汽面積不足的壓力，降低排汽余速損失。加之早期液力耦合器制造技術不成熟等因素，200MW以上容量常規(guī)火電機組一般采用汽動調速給水泵配置，尤其在北方冷卻水溫較低的地區(qū)，主汽輪機低壓缸排汽容積流量相對較大，采用汽動給水泵配置的作用更加明顯。大亞灣和嶺澳一期4臺百萬千瓦級核電機組之所以選擇兩汽加一電的給水泵配置方式，一個主要原因是受到當時發(fā)電機容量的限制。隨著發(fā)電設備制造業(yè)的技術進步，這些因素已不是主要問題，尤其對大容量半速汽輪發(fā)電機機組，葉片長度或排汽面積已不構成必須選擇汽動給水泵配置方案的主要因素。

 2.1.2、投資經(jīng)濟性分析

    在給水泵本身基礎上，電動給水泵投資費用增加項主要有電動機、液力耦合器（包括齒輪增速機構）或變頻系統(tǒng)、電機潤滑系統(tǒng)、開關柜與電纜等。汽動給水泵投資費用增加項主要有小汽輪機及相關閥門、抽汽管道、調節(jié)潤滑油系統(tǒng)、前置泵減速機構、小汽輪機汽封系統(tǒng)、疏水放汽系統(tǒng)以及小汽輪機排汽管道等。

    經(jīng)對嶺澳核電站一期百萬千瓦級核電機組汽動調速給水泵與帶液力耦合器的電動調速給水泵系統(tǒng)的設備材料價格分項進行累計分析，發(fā)現(xiàn)汽動調速給水泵投資費用高出電動調速給水泵投資費用70%。如果再考慮機組汽動給水泵及其相關系統(tǒng)占地面積大約是電動給水泵的2倍、占用空間高度至少是電動給水泵的3倍的因素，那么汽動調速給水泵投資費用比電動調速給水泵投資費用可能高出100%以上。

    筆者雖沒有獲得有關變頻系統(tǒng)的成本信息，但根據(jù)有關報道，在美國即使考慮變頻系統(tǒng)的費用，汽動調速給水泵投資費用一般比電動調速給水泵投資費用高100%以上。這足以證明汽動給水泵與電動給水泵相比投資經(jīng)濟性低得多。

    2.1.3、維修經(jīng)濟性分析

    仍以嶺澳核電站一期百萬千瓦級核電機組為例，電動給水泵除泵本身外，主要設備是電動機以及液力耦合器，另加一個非常簡單的潤滑油冷卻系統(tǒng)（無固定式潤滑油凈化系統(tǒng)）。而汽動給水泵除泵本身設備外，還有小汽輪機、前置泵減速機構、潤滑油系統(tǒng)、小汽輪機疏水放汽系統(tǒng)、小機汽封系統(tǒng)、甚至還有盤車系統(tǒng)（后取消），就像一個小型電站。尤其是疏水系統(tǒng)和潤滑油冷卻過濾系統(tǒng)具有相當規(guī)模，并配備了相應的旋轉設備，與主汽輪機相比麻雀雖小五臟俱全，與電動給水泵相比無疑大大增加了維修工作量、備件備品以及消耗品的數(shù)量。另外小汽輪機還需定期（大約4年一次）開缸檢查通流部分狀態(tài)。據(jù)報道，歐美變速電機驅動機構的年維修費用僅為同容量蒸汽輪機或燃氣輪機年維修成本的25%左右。

    2.2、電動調速給水泵與電動定速給水泵

    2.2.1、運行經(jīng)濟性分析

    對于大型常規(guī)鍋爐，不管是定壓運行還是滑壓運行，如果采用定速給水調節(jié)方式，在低負荷下均不同程度地引起較大節(jié)流損失量△Np：

    △Np=ρQ2(H2－H3)ηp

    式中：

    ρ為給水密度；

    Q2為工況點2的給水流量；

    H2為工況點2的水泵揚程；

    H3為工況點2扣除流量調節(jié)閥節(jié)流損失后的給水泵揚程；

    ηp為給水泵效率。

    另外，在低流量下給水泵遠離佳工作點，給水泵效率將大大降低。也就是說，對大型火電機組，采用定速給水調節(jié)方式的運行不經(jīng)濟已是無可爭議的事實。但是，對核電機組來說情況則不盡然。由于上文所述壓水堆核電站主蒸汽參數(shù)的特殊要求，給水調節(jié)閥前壓力一般隨負荷變化不大。這樣，只要能使給水泵特性曲線在負荷范圍內保持平坦，就可在基本不節(jié)流的情況下實現(xiàn)定速給水泵的流量調節(jié)。

    上述目標可以通過多臺低容量給水泵并聯(lián)運行來實現(xiàn)。根據(jù)水泵運行理論，多臺給水泵并聯(lián)運行時，只要在壓力相同的條件下將并聯(lián)運行的各泵流量相加即可繪制出多泵運行特性曲線。圖7中的P3線為2臺等容量定速給水泵并列后的運行特性曲線。從中可以看出多泵并聯(lián)運行后的特性曲線變得較為平坦。如果采用4～5臺低容量給水泵并聯(lián)運行（田灣核電站給水泵配置方式），該曲線會更趨于平坦。由于每臺給水泵容量較小，可按照機組不同負荷的需要依次投入，因此每臺泵都能在其佳效率點運行，也就是說，在一定負荷范圍內各泵都能處于佳效率點。

    對于1臺100%容量甚至2臺50%容量定速給水泵配置方式，實現(xiàn)上述目標是很困難的，其主要原因有：

    （1）單泵或雙泵配置易造成給水泵低負荷下因特性曲線過于平坦引起的給水系統(tǒng)流動不穩(wěn)定性，嚴重時會引起管道流致振動。嶺澳核電站一期在調試期間曾遇到過此類問題，后經(jīng)給水泵小流量再循環(huán)系統(tǒng)加倍擴容（由約36%提高到約72%）改造才得以解決。

    （2）在機組部分負荷下，單泵或雙泵配置容易使給水泵在部分負荷運行，進而使給水泵運行效率降低。

    理論上，單臺泵容量越小，并聯(lián)泵臺數(shù)越多，100%負荷范圍內的并聯(lián)特性曲線越平坦。但并聯(lián)泵臺數(shù)過多，單臺設備的容量系數(shù)將起作用，在此情況下，多臺定速給水泵配置總投資將會增加。目前在役、在建或供應商對新工程建議的采用定速給水調節(jié)方案的壓水堆核電站電動泵配置方案有5臺25%，4臺33.3%。

    此外，多泵并聯(lián)運行還降低了單泵跳閘對蒸汽發(fā)生器水位調節(jié)帶來的沖擊，減少了蒸汽發(fā)生器因低—低水位跳閘停堆的風險，增加了反應堆運行的安全性。

    以上分析表明，如果選型得當，壓水堆核電站采用多臺電動定速給水泵并聯(lián)運行的配置方式，可以基本實現(xiàn)無節(jié)流損失的給水流量調節(jié)，省掉了調速機構，提高了運行的可靠性，避免了大約8%的液力耦合器能量損失或大約3%的變頻系統(tǒng)的能量損失，因此對壓水堆核電機組可以說是一種比較理想和比較經(jīng)濟的給水泵配置方案。

    2.2.2、投資

    由于定速給水泵沒有電動調速給水泵液力耦合器或變頻器一類的設備，所以可進一步降低設備費。以嶺澳核電站一期百萬千瓦級核電機組為例，取消液力聯(lián)軸器大約可降低電動給水泵10%的費用。

    2.2.3、維修經(jīng)濟性分析

    若采用定速電動給水泵配置方案，系統(tǒng)更加簡單，布置上更加靈活，維修費用可進一步降低。

    2.2.4、國產化

    按照目前國內核電設備制造廠的經(jīng)驗和現(xiàn)狀，百萬千瓦級核電機組給水泵組中的小汽輪機、給水泵、液力耦合器、10MW容量級電動機、大容量變頻裝置在國內采購還有一定難度。若采用多臺定速電動給水泵的配置方案，給水泵和驅動電機的生產均在國內發(fā)電設備制造廠的能力范圍，因此可輕易實現(xiàn)核電站主給水泵設備的國產化，進一步降低設備投資費用。

    3、結論

    綜上所述，按照壓水堆核電站安全運行的特點，從投資、運行和維修角度分析表明，壓水堆核電站主給水泵配置方案的選擇順序依次應為：多臺電動定速給水泵、變頻調速電動給水泵（3臺50%）、帶液力耦合器的電動調速給水泵（3臺50%）、汽動調速給水泵?？紤]到變頻調速電動給水泵配置方式還從未在大型核電站應用過，因此今后一段時間我國壓水堆核電站主給水調節(jié)系統(tǒng)應選擇多臺電動定速給水泵配置方案或帶液力耦合器的電動調速給水泵（3臺50%）配置方案為宜。