AP1000主给水泵组的设计选型分析
Design Selection Analysis for Main Feed-water Pump Unit of AP1000
王保田
（三门核电有限公司，浙江台州317112）
摘要：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，供后续AP1000堆型二回路主给水泵组的设计选型借鉴和参考。
关键词：AP1000；主给水泵组；最佳估算流量；性能参数；分析
三门核电厂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。一期工程作为国家核电技术自主化依托项目，装机容量为2×1251 MWe，其核岛采用第三代先进型压水堆AP1000技术。计划1号机组2013年底投入商业运行，2号机组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，该设计的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1500 r/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4660 r/min。每台给水泵组额定流量2900 m3/h，总扬程785 m（主给水泵扬程595 m，前置泵扬程190 m）；泵组马达额定功率7800 kW，额定电压10 kV。
1 AP1000主给水系统流程
主给水系统是核电厂重要的二回路系统。在电厂启动、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（SG）并维持其水位，因此主给水泵的设计选型对核电厂运行的经济性、稳定性和安全性至关重要。
根据AP1000 DCD（Design Control Document）的要求，AP1000机组设计常规岛主给水泵组采用3×33.3%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号、7号高压加热器、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。
⊿CI
图1 AP1000给水系统流程示意图
2 主给水泵组设计输入的选择
常规岛主给水泵组的设计选型，取决于核电厂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。AP1000一回路冷却剂系统（RCS系统）在做设计时要考虑4种冷却剂流量：最佳估算流量、热工设计流量、最小测量流量、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设计选择哪种一回路工况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设计时考虑的4种冷却剂流量的定义。
最佳估算流量（BEF：Best-estimate Flow）：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泵扬程和流量的最可信估计；同时也是基于运行电厂的数据和经验（运行电厂的流量实测值与计算的最佳估算流量相当接近）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（TDF：Thermal Design Flow）：热工设计流量是用于堆芯热工—水力分析的相对保守的一个流量，该分析中设计和测量的不确定因素没有进行统计法综合。热工设计流量是从最小测量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%。
最小测量流量（MMF：Minimum Measured Flow）：最小测量流量被规定在技术规格书中，在电厂启动过程中现场实测的流量必须等于或大于技术规范书中规定的此最小测量流量。现场实测的流量期望值是落在最佳估算流量左右的一个范围内。
机械设计流量（MDF：Mechnical Design Flow）：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。机械设计流量约为最佳估算流量的104 %。
AP1000设计时考虑的4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点对应最小测量流量。
图2 AP1000压水堆一回路冷却剂四种流量的简要关系注：
①：主泵规范书要求特性
②③：规范书允许的正负偏差④：反应堆冷却剂系统阻力
计算结果
⑤⑥：反应堆冷却剂系统阻力
计算的正负偏差BEF: 最佳估算流量
MMF: 最小测量流量
TDF: 热工设计流量
MDF: 机械设计流量
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是偏保守的（两个负偏差的交点），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（对电厂其它系统设计来说，系统设计压力、温度、阻力计算等都采取这样一个原则）。因此，设计中应采用最佳估算流量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也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。最小测量流量还需与电厂启动过程中一回路冷却剂流量的实测值进行对比确认，不宜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%
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/h 7068645 6862762 6588251 4622016 67948
给水泵运行台数 3 3 3 2 1
NI/CI厂房墙处的给水温度T FW（℃）226.7 226.7 168 207 120
NI/CI厂房墙处的给水压力P FW（MPa abs）7.053 7.171 7.350 8.20 8.60
需要指出的是，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的运行工况，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6863 t/h ，因此单台给水泵组要求的流量为2288 t/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0.89 t/m 3；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：
()[]
ρ
βα++×=
10Q Q v （1）
式（1）中：
v Q ---单泵组额定工况下计算的体积流量，m 3/h ；
0Q ---单泵组要求的流量，2288 t/h ；
α---给水泵流量裕度，5 %； β---泵磨损裕度，5 % ρ---给水比重，0.89 t/m 3
由此得出v Q 的计算值为2828 m 3/h ，圆整后确定单台给水泵组的额定工况下的体积流量为2900 m 3/h 。 3.2 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（2900 m 3/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，主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、1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3种典型工况主给水泵组的扬程计算过程。
表2 3 种典型工况下主给水泵组的扬程计算过程
序号
项 目
单位 103 %流量 100 %流量 100% 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) 7.053 7.171 7.350 A 处 （2） 给水流量计（UF 、VF ）损失 MPa 0.072 0.068 0.062 ⑥ （3） CI 侧管道和阀门的损失 MPa 0.193 0.182 0.168 ⑥ （4） 6号高加损失 MPa 0.117 0.110 0.101 ⑥ （5） 7号高加损失
MPa 0.128 0.120 0.111 ⑥ （6） 静压差(前置泵入口与NI/CI 厂房墙处） MPa(a) 0.103 0.103 0.104 ⑧ （7） （1）~（6）总和 MPa(a) 7.666 7.754 7.896
进口压头
（8） 除氧器压力 MPa(a) 0.941 0.941 0.745 ⑦ （9） 管道阀门损失
MPa 0.127 0.120 0.111 ⑥ （10） 静压差（除氧器低水位与前置泵入口） MPa 0.227 0.227 0.229 ⑧ （11） 总压头[(8)-(9)+(10)] MPa(a) 1.041 1.048 0.863 （12） 总和[(7)-(11)] MPa 6.625 6.706 7.033 （13） 给水比重ρ
t/m 3 0.89 0.89 0.90 （14） 总扬程计算值（⊿P/ρg ）
{(12)*10/(13)/0.098}
m
759.1
768.5
796.9
（15） 裕量 % 5 5 5 （16） 总扬程 m 798 807 837
（17） 给水流量[式（1）中Q 0/ρ] m 3
/h 2648 2571 2398
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+18.10 m ，给水前置泵入口中心标高+6.30 m ，除氧器低水位标高+32.30 m 。
根据表2中的算法，可计算出上述其它两种工况下主给水泵组的扬程和流量，从而绘制出图3主给水泵组的性能曲线。在此性能曲线上确定额定流量（2900 m 3/h ）下所对应的泵组总扬程（给水泵和前置泵总扬程）为785 m 。
H (m )
流量甩负荷
流量图3 给水泵组性能曲线
3.3 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1台给水泵组的瞬态进行分析，参见图4和图5：当3台主给水泵组运行时，额定工况下泵的工作点为A ；1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变化，最终泵工作点在D 点。整个RB 过程持续时间约8-10分钟，其中图4中的C 点所对应的流量Q’是给水泵组流量最大时的工作点，需要以此来选择确定马达的功率。
100%
70%
图4 一台给水泵组跳闸后两台泵运行曲线变化情况
7250
100%负荷
100%负荷
图5 失去一台给水泵RB 时,蒸汽发生器液位及给水调节阀开度变化趋势
由图4可以看出，计算出Hs 和Hr 值，确定C 点的流量Q’和扬程H’，即可确定马达功率。表3给出了失去1台给水泵组后相关参数数值。
表3 失去1台给水泵组后，相关参数变化情况
图1和图4中符号
描述
数值 单位 ① P SG 蒸汽发生器出口蒸汽压力（70 %负荷）
6.34 MPa(a) ② H NI 蒸汽发生器最低水位与NI/CI 墙（A 处）的标高差 11.34 m ③⊿P NI NI 范围的给水管道压力损失（70 %负荷） 0.19 MPa ④⊿ P CV 给水调节阀压力损失（70 %负荷）
⑤ ⊿P SG 蒸汽发生器入口与出口的压力损失（70 %负荷） 0.09 MPa ⑥⊿P CI CI 范围的给水管道、阀门压力损失（70 %负荷） 0.27 MPa ⑦ P Dea 除氧器压力（70%负荷）
0.665 MPa(a) ⑧ H CI 除氧器水位与NI/CI 接口A 处的标高差
14.20 m Hs 失去一台主给水泵组瞬态时管路特性曲线开始处的压头（计算值） 635 m Hr
70%负荷时主给水泵组需克服的管路阻力（计算值） 62 m 给水流量（70%负荷）
4622016 kg/h NI/CI 墙处给水温度（70 %负荷） 207 ℃
泵进口给水比重（70 %负荷）
0.903
t/ m 3
其中，
[]=?+?=
CI NI Dea
SG s H H g
P P H ρ[①-⑦]+[②-⑧] （2）
=?+?+?+?=
g
P P P P H CI
CV NI SG r ρ⑤+③+④+⑥ （3）
将表3中的数据与式（2）、式（3）结合计算并运用到图4中，在泵的性能曲线上可得出C 点对应的H’=697
m ，Q’=7250 m 3
/h 。因此单台泵组最大流量工作点流量为7250/2=3625（m 3/h ）；
泵轴功率计算公式为
η
ρ1000H
gQ P v =
(4)
式（4）中，P---泵轴功率；ρ---给水比重（70 %负荷）：903 kg/ m 3；g---重力加速度；v Q ---给水体积流量：3625/3600=1.007 m 3/s ；H---泵的扬程：主给水泵525 m ，前置泵172 m ；η---最大流量点泵的效率：主给水泵80 %，前置泵82 %；
根据式（4），计算出给水泵组的轴功率为： )(771882.01000172
007.18.990380.010********.18.9903kW =××××+××××
马达功率最终确定为7800 kW 。
根据式（4）计算出额定流量2900 m 3/h 时马达功率为6732 kW （额定流量下主给水泵效率η=84.5 %,前置泵效率η=84 %，马达余量取3 %），因此泵组最大流量相比额定流量的马达容量富裕系数为1.15。
3 结论
（1） 根据AP1000 DCD 的要求，常规岛主给水泵组(由前置泵和主给水泵组成)采用3×33.3 %电动定速泵配置。 （2） 最佳估算流量是AP1000核电厂一回路最可能运行的工况，该流量所对应的常规岛二回路给水系统接口参数适合作为给水泵组选型的设计输入。 （3） 如常规岛二回路系统使用一回路热工设计流量所对应的接口参数进行匹配设计，则电厂整体不能发挥出它的最佳潜能。但100 %热工设计流量所对应的二回路主蒸汽系统接口参数，用来匹配汽轮发电机额定电功率（担保值）是谨慎且可行的。 （4） 给水泵组额定流量、扬程、马达功率等性能参数的选择确定，需要考虑泵的流量裕度、泵磨损裕度、五种典型运行工况等。 （5） 国内没有针对核电厂常规岛的设计规范，作为AP1000首堆工程的主给水泵组的设计选型还有待
于工程实践检验。
参考文献
[1] 郭立君. 泵与风机. 中国电力出版社. 2001. 130-170.
[2] 中国电力建设工程咨询公司.《火力发电厂设计技术规程DL5000—2000》.2000.
Design Selection Analysis for Main Feedwater Pump Unit of AP1000 PWR
Wang Baotian
(Sanmen Nuclear Power Co.,LTD. Taizhou 317112, China)
Abstract: This paper analyzes the design selection of main feed-water pump unit for the first AP1000 project as 3rd generation advanced PWR, and presents the interface parameter under primary loop Best-estimate flow condition as the design input to secondary loop main feed-water pump unit. The design selection process of performance parameters such as flow, total head and motor power for main feed-water pump unit is introduced, which can be the guidance and reference for main feed-water pump unit of other AP1000 nuclear power plant.
Key words: AP1000；Main feed-water pump Unit；Best-estimate flow；Performance parameter；Analysis
个人信息：
王保田，男，1975.9出生，高级工程师，学士学位，从事核电站技术管理工作。工作单位：三门核电有限公司
通讯地址：浙江省三门县三门核电有限公司，317112
联系方式：0576-********；133********
E-mail: Wangbt@https://www.doczj.com/doc/9417361447.html,