浅谈核主泵的国产化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海电气凯士比核电泵阀有限公司 作者:朱向东

  压水堆核电站一回路冷却剂循环泵(以下简称核主泵)是核电站的关键设备,核主泵对整个核电站的安全起着至关重要的作用。随着核电事业的发展,我国已掌握了多数关键核电主设备的制造能力,唯独核主泵在我国现已投产的核电机组中仍然主要依赖国外引进。核主泵的国产化,是几代核电人追求的梦想,实现核主泵的国产化将进一步促进我国核电事业的快速发展。本文通过对当今世界核电主泵各种流派的技术特点对比分析,梳理主要发达国家发展核电主泵的历程,建议培育我国核电主泵的自主设计能力、自主制造能力和自主试验验证能力。提出只要认认真真学习,掌握先进技术,扎扎实实推进核主泵自主研发的各项工作,核主泵的国产化目标一定能够实现。

一、前言

  核电站只需消耗很少的核燃料,就可以产生大量的电能,每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上。核电站还可以大大减少燃料的运输量。例如,一座100万kW的火电站每年耗煤三四百万吨,而相同功率的核电站每年仅需铀燃料三四十吨;核电的另一个优势是无污染,几乎是零排放,对于环境压力较大的中国来说,符合能源产业的发展方向。

  核电作为一种技术成熟、可大规模生产的安全、经济、清洁的能源,在我国的远景规划中将有更大的发展空间。预计到2015年,运行核电装机达到4 000万kW,在建规模1 800万kW;到2020年我国在运核电装机达到6 000万kW。

  2012年10月24日,国务院审议通过《核电安全规划(2011~2020年)》和《核电中长期发展规划(2011~2020年)》,重启核电建设。沉寂已久的核电设备制造业引起广泛关注。

  中国核电将进入快速发展时期,核电装备同样也将迎来难得的发展机遇期。然而,从核级泵技术上看,目前能自主开发、制造的也只是核二、三级泵,核一级主泵还在技术引进、消化吸收及部分关键部件的试制阶段,国产化自主率水平仍然较低,真正实现核主泵的国产化还有很长的路要走。

  核主泵一直是制约我国核电站发展的最关键设备,我国目前运行的核电站中所用的主泵几乎全部依赖进口,其自主设计、制造及试验验证是我国推进核电自主化的重点和难点。

二、核主泵的结构

  1. 轴封泵结构

  我国现在已建成的核电站核主泵多数是轴封式的,电动机与泵联接方式有刚性联接和挠性联接两种。世界上核主泵的主要制造商有: 美国的EMD 、法国热蒙AREVA)、日本三菱(MHI)、德国KSB、奥地利ANDRITZ和俄罗斯圣彼德堡机器制造中央设计局等。美国的EMD、法国热蒙(AREVA)和日本三菱(MHI)生产的轴密封主泵机组属于刚性联接。德国KSB、奥地利ANDRITZ和俄罗斯圣彼德堡

  机器制造中央设计局生产的主泵机组属于挠性联接。下面简要介绍上述各公司核主泵的结构特点。

  (1)美国EMD的核主泵结构特点

  三轴承支承的轴系结构如图1所示,电动机轴与泵轴用刚性联轴器直联,双向主推力轴承布置在电动机顶部,与电动机两个油润滑导轴承中的上部导轴承组合成一体式结构,在泵部分的第三个导轴承是水润滑轴承。轴密封系统是由3级密封组成,第1级是流体静压可控泄漏密封,第2级是特殊设计的端面机械密封,第3级是端面机械密封。泵机组的结构刚性、转子动力学以及电动机与泵之间的轴系对中问题,是结构设计、计算和制造安装中的关键点。

三轴承支承的核主泵结构

图1 三轴承支承的核主泵结构

  (2)俄罗斯圣彼德堡机器制造中央设计局生产的核主泵结构特点

  田湾核电站一期工程两台机组为俄罗斯AES-91型反应堆,采用了圣彼德堡机器制造中央设计局1391型反应堆主泵,主泵轴向止推轴承采用水润滑方式,是在世界上大型商用压水堆中首次应用。如图2所示。

俄罗斯圣彼德堡机器制造中央设计局的主泵结构

图2 俄罗斯圣彼德堡机器制造中央设计局的主泵结构

  (3)德国KSB核主泵的结构特点

  德国KSB核主泵采用四轴承支承的轴系结构,如图3所示。KSB核主泵与电动机采用挠性联轴器联接,高载荷的双向作用推力轴承部件布置在泵的上部,核主泵自带推力轴承,泵能与不同支承刚度和不同转子动力学电动机匹配。在泵上增加一道与主推力轴承一体化的油润滑导轴承,加上挠性联轴器,除了使泵和电动机轴的对中便利以外,机组的抗震设计和振动分析较容易分析和处理。轴密封系统由3级流体动压可控泄漏机械密封组成,每级密封均可承受系统全压设计,压力分配为40%、40%、20%,此外泵第3级机械密封上部布置有停车密封。我国秦山一期核电站采用了KSB四轴承核主泵。德国KSB除四轴承支承轴系结构核主泵外,也为世界核电站提供了大量的三轴承支承轴系的挠性联接结构主泵(见图4),目前为海南昌江核电站供货的主泵采用了三轴承支承轴系的主泵。

浅谈核主泵的国产化

图3 KSB四轴承主泵 图4 KSB三轴承主泵

三、核主泵技术国产化

  1. 世界核主泵技术的发展

  法国、日本、韩国核电设备国产化的发展过程:法国在20世纪七八十年代引进美国西屋公司的核电技术后,经过20年的发展,不仅形成了自己的核电技术,建立了自己的标准化体系,而且核岛中的反应堆压力容器、蒸汽发生器、主泵,常规岛的汽轮机、发电动机以及大量的核级泵、阀等设备很快实现了自主化,基本立足本国制造。法国政府还明确规定不允许再购买国外核主泵,有力地推动了法国装备制造业的自主创新和发展。日本也从美国引进了反应堆技术,进而实现核电设备的自主制造。其中三菱重工(MHI)引进、消化了西屋公司的压水堆技术;东芝、日立引进了GE 公司的沸水堆技术,都形成了自主的核电设备制造体系。韩国,在经历20世纪70年代初期出现的两次石油危机冲击后,韩国政府深受能源贫乏之痛,转而大力支持核电开发,制定了发展核电的长期规划,并深刻认识到“核电技术装备自主化是降低能源海外依存度的根本”。为此,韩国政府制订并不断完善了一系列自主化政策,并制定了每个时间段的技术装备自主化目标。韩国政府长远规划的指引与强有力的政策扶持是韩国核电走上自主化道路的重要保证。

  从20世纪80年代自主设计第一座30万kW秦山一期核电站至今,我国已逐步具备绝大多数核电主设备的制造生产能力,唯独核主泵是一直突破不了的难题;在我国现已投产的核电动机组中,主泵皆由国外引进。主泵国产化是几代核电人的梦想,也是中国核电实现自主化必须要突破的难关。

  2. 我国核主泵国产化进程

  20世纪70年代末,国内几家主要的泵制造企业,为向秦山一期300MW核电动机组提供核主泵,做了大量的技术准备工作。当时的上海水泵厂进行了核主泵机组水力部件的研发,并制作了缩小比例的水力模型泵,并在浙江省机科所一级精度试验台上进行了重复测量,水力模型研究项目通过了上海市机电一局组织的全国性鉴定会议的核查和认可。随后,完成了水力模型泵的四象限全特性试验,得到了完整的四象限全特性曲线,可用于NSSS系统的安全计算分析。

  巴基斯坦恰希玛C1项目核电站为30万kW压水堆型核电站,是我国自行设计、建造的第一座出口商用核电站,当时是我国重要的高科技成套出口项目。在该项目中,沈阳水泵厂与国外某一流体机械制造企业合作,在引进核主泵技术的基础上,实现了部分零部件的国产化制造。

  2005年由法国阿海珐/热蒙和东方电气合资兴建东方阿海珐核泵有限责任公司,希望通过引进法国阿海珐核主泵和电动机的设计、制造及试验方面的技术来逐步实现主泵的国产化。

  2008年3月,沈鼓、哈电分别与美国EMD签订了2台国产三代核主泵分包制造合同。

  2008年6月,上海电气集团与德国KSB成立由中方控股的合资企业——上海电气凯士比核电泵阀有限公司,该企业以核电用泵的设计、制造和销售为主业。2011年9月上海电气凯士比核电泵阀有限公司与国家核电技术公司一起开发承制国家重大专项CAP1400堆型的湿绕组主泵。

  3. 上海电气核主泵国产化推进

  通过引进国外先进的成熟的核电技术,并在此基础上消化、吸收,进行自主研发和自主创新,无疑是核主泵实现国产化的最好选择。上海电气凯士比核电泵阀有限公司通过引进、消化、吸收德国凯士比核主泵关键技术并掌握这一技术,意味着我国在打破国外核电技术垄断,实现核主泵的国产化方面将会取得重大进展。

  通过引进德国KSB成熟的核电泵技术,合资公司负责主泵零部件的国产化、整个主泵的装配、安装和全流量测试。目前,公司拥有世界上最先进的主泵全流量试验台,能进行二代、二代加核电站主泵以及三代核电站主泵全流量测试。全流量试验回路如图7所示。

SEC—KSB核主泵全流量测试台

图7 SEC—KSB核主泵全流量测试台

四、结语

  核主泵的难度不仅在于生产,更是在于它的可靠性、安全性,怎样保证主泵长时间安全可靠运行是主泵制造最核心的问题。核主泵是压水堆核电站核岛主设备里唯一转动的设备,这就要求它比其他非转动性设备具有更高的可靠性。另外,主泵的功能在核岛中至关重要。它的主要功能有:首先,核岛的冷却需要靠主泵来完成;其次,要把核岛里面产生的热量带出来,与蒸汽发生器二次侧换热,从而推动汽轮发电动机组发电。主泵就像核岛的心脏,一旦失效,危害巨大。

  1. 认认真真引进

  核主泵的重要性使它成为我国自主发展核电必须要拿下的“硬骨头”,为确保主泵的安全性,在主泵制造过程中要进行大量的设计计算以及试验验证工作。这些工作都需要经验和技术的沉淀,没有多年从事主泵技术的企业根本不可能实现主泵的研发和制造,德国KSB研究主泵技术已有超过40多年的时间,引进已经成熟的先进技术并逐步实现自主生产是我国发展核主泵首选的捷径。

  2. 扎扎实实推进

  自主化和国产化是我国核泵企业引进国外先进技术的最终目的,只有最终实现国产化,我国核电才能真正实现自主化。所谓自主化,就是完全自主控制,不再依赖外方,落地生根,开花结果,只有做到这一点,才能使引进的技术真正为我国主泵产业所用。正是这样的工作思路,使得上海电气凯士比核电泵阀有限公司在多个方面稳扎稳打、抢占先机。在基础设施方面,建造了全世界最先进的主泵全流量试验台。在临港基地,上海电气投资10亿元,除了建设厂房、购置机械加工设备外,还建了国际上最先进的主泵全流量测试台,仅试验台本身的投资就已经超过3亿元。

  这个测试台不仅可满足二代加轴封型主泵的测试,也可以进行三代核电湿绕组型主泵的全流量测试。这个试验台是德国KSB集团在全球范围内唯一的专业主泵试验台,德国KSB是全球跨国企业,将来德国KSB集团制造的所有核主泵均在临港基地试验。

  3. “走出去”与“请进来”

  谈到技术引进,首要的重点是员工的培训,即便拿到了全部的图样和技术资料,这也只能占真正技术的20%,这是远远不够的,在整个生产过程中,真正掌握技术的是“人”,所以加强员工培训是关键所在。从2008年开始,公司每年都有“走出去”和“引进来”的培训和学习。所谓“走出去”是指从事设计、机械加工、工艺、装配、合同执行、测试以及售后服务等工作的人员,到德国KSB总部去培训,培训有详细的培训计划,一半时间在课堂里面学习理论知识,另一半时间在其公司的各自岗位上进行实际操作,同德国KSB公司的人员一起工作。2009年至今,合资公司共计派出48人,培训时间达400多周,其中最长的在德国KSB学习9个多月。在派出去培训的同时,上海电气集团还采取了“请进来”的方式培训和交流。自2011年开始合资公司便将德方专家请到公司中来,不仅请技术人员,还请具体操作的工人。他们与企业的工作人员一起进行生产,在关键点给予指导。截止2013年底,德国共派出50多名专家,累积达156周的时间,这种现场指导和实际操作的培训,使合资公司员工获益匪浅。

  因此,找到合适的、有实力的、全心全意的合作方,并且有共同的合作目标,这是实现国产化的第一步,这一点很重要;其次要依赖于我国本土技术团队,建立人才队伍;第三,技术的转移和外方的技术支持也同样重要。上海电气凯士比核电泵阀有限公司为能实现中国核主泵的自主设计、自主制造和自主测试而不断努力,核主泵的国产化必定取得成功。

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