浅析第四代核电站用熔盐泵工程样泵的结构设计
时间：2022-08-16 12:25:08
摘 要：熔盐堆是国际下一代核能论坛推荐的6个第四代核能系统候选堆型之一，具有中子经济性好、放射性废物少、功率密度高、固有的安全性和防止核扩散等优点。熔盐堆使用高温熔盐作为燃料和冷却剂，熔盐泵是回路系统的核心设备。
1.概要
TMSR所使用的高温熔盐泵，其工作介质是高温氟盐，相对目前使用的水泵，其特点是高温常压，结构上与水泵有很大不同。
2.熔盐泵工程样泵的主要设计参数
TMSR高温熔盐工程样泵的主要设计参数如下：
使用介质：FLiBe熔盐或FLiNaK熔盐
使用温度：550―700℃
工作压力：≤0.5MPa
流量：≥300m3/h
额定转速：1500rpm 变频范围：连续可调
水头：在300m3/h的流量下不小于20m（进出口压差0.4MPa）
3. 机组的整体结构设计
3.1熔盐泵工程样泵为立式悬臂液下机械离心泵，总体结构参考图3-1：
图3-1 高温熔盐工程泵结构示意图
3.1.1电机位于最顶端，带有冷却系统，以保证电机稳定工作的温度环境，并与电机运行有连锁保护。通过联轴器与主轴连接，联轴器带全封闭的保护罩，以避免与泵轴或联轴器的直接接触。
3.1.2主轴采用两点支撑悬臂式结构，配置两组油轴承。油设有冷却措施，保证油正常的工作温度。设置集油槽机构收集泄漏的油。
3.1.3主轴轴承下方设置吹扫气体通道，沿主轴和屏蔽塞之间的间隙向下吹扫渗入的熔盐蒸气以免冻堵在主轴处。
3.1.4泵罐上部有屏蔽塞，用于阻挡泵罐内燃料盐的辐射损伤轴承及主法兰盖的密封机构，同时作为热屏保护轴承系统和主法兰密封系统
3.1.5泵罐上设置吹扫气入口和出口，主轴吹扫气体和泵罐吹扫气体将泵罐内的放射性气体吹扫出泵罐进行后处理。
3.1.6泵罐上部设置溢流管，当熔盐液位达到一定高度后熔盐可通过溢流管排放出泵罐。
3.1.7整个装置共有两处法兰连接（上部法兰、下部法兰）。上部法兰连接固定电机和轴承体；下部法兰连接固定轴承体、屏蔽塞和泵罐。轴承吹扫气体入口在下部法兰上。
3.1.8整个驱动机构、屏蔽塞、叶轮和部分蜗壳通过松开下法兰，可整体从泵罐中抽出，便于维修。
3.2水力系统
3.2.1泵的水力系统由叶轮和蜗壳组成。叶轮与蜗壳结构根据熔盐物理性质和水力物理要求、实际运行工况进行计算分析，选择最佳设计，叶轮根据水力特性需要选择单叶轮。
3.2.2泵罐的结构型式可以满足材料在高温状态下的使用要求，泵罐上部预留功能接口。蜗壳进口管与泵罐进口管之间保留一定间隙，以便罐体内熔盐回流。蜗壳上盖板与叶轮后盖板也保留一定间隙，使部分熔盐通过此间隙往上，通过脱气板脱出熔盐内部气体。
3.3轴承与密封
3.3.1轴承和油封：泵轴上的轴承采用两组轴承设计，分别承受轴向力和径向力。
3.3.1.1 轴承
轴承采用油。使用自循环系统，滑润油装在自带的油室中，泵旋转时油通过两根镶在轴承套上的特殊的油管引油上去轴承。。
3.3.1.2 油室密封
在上轴承上部及下轴承下部各安装油封机构，油封机构配置有泄漏检测装置，实时监测油泄漏情况。
3.3.1.3 轴承冷却
轴承采取冷却措施保证工作温度。采用冷却夹套设计，冷却夹套从下端轴承一直通到上端轴承，能够对轴承及油室进行充分冷却，保证轴承的工作温度。
3.3.1.4 轴承处配置振动监测，在轴承壳处测量振动速度。
3.3.2 轴封：TMSR反应堆在运行时，会产生具有中子毒性的裂变气体产物Xr和Kr，这些气体带有放射性，会被熔盐带入熔盐泵的泵罐并逸出熔盐，累积在泵罐上部，设计一个迷宫密封形式的轴封装置来封住这些放射气体。
迷宫密封与轴的装配间隙具有较好的密封效果且满足与主轴的热装配，有效阻止熔盐蒸气或放射性气体从进气通道逸出，并避免在运行过程当中发生主轴与屏蔽塞或迷宫密封的摩擦现象。
迷宫密封的结构使气流的动能转化为热能，而不使余速进入下一个间隙。结构设计成有利于吹扫气的吹扫及阻止泵罐内气体的泄露，设计合适形状的齿形截面，倾角在15°～30°之间，倾角方向指向泵罐内部；为使气流在迷宫密封腔中更充分的能量耗散实现良好的密封效果，齿腔的深度与齿间的距离之比取0.2～0.5，齿顶厚度与齿顶间隙之比取0.5～1.5。
3.3.3 法兰密封
3.3.3.1 泵罐与上部轴承组件有两个连接法兰，即上法兰和下法兰，上法兰用于轴承组件与水力系统连接，下法兰用于整个泵芯与泵罐连接。
3.3.3.2综合考虑密封面的温度、耐腐蚀、耐辐照问题选择合适的密封方式和部件。为保证泵罐法兰密封的气密性，安装法兰在线检漏装置确保其可靠性。
3.4 气路与功能
3.4.1 泵轴气体吹扫系统：冷却泵轴，辅助轴封、油封；
3.4.2 泵罐覆盖吹扫气系统：覆盖高温熔盐隔绝空气，吹扫泵罐内放射性气体；
3.4.3 密封气检漏系统：保证法兰的气密性；
3.4.4 屏蔽塞冷却气系统：热屏、冷却。
3.4.5 主轴与屏蔽塞及迷宫密封构成吹扫气进气通道。防止气态熔盐或示踪气体从进气通道逸出，并避免在运行过程当中发生主轴与屏蔽塞或迷宫密封的摩擦现象。
3.4.6 泵罐设置覆盖吹扫气，泵罐体进气速率等于出气速率，并实时监测进出气速率。
3.4.7屏蔽塞设冷却通道，采用合适的冷却介质，对屏蔽塞进行冷却。冷却通道需先加工好，然后焊接而成。
3.5 泵罐
3.5.1 在泵罐内设置液位计、溢流管、脱气板等附加装置：
3.5.1.1 泵罐上配置液位计，预留接口。
3.5.1.2泵罐内配置脱气板，部分熔盐通过蜗壳上盖板与叶轮后盖板的间隙往上，通过脱气板脱出熔盐内部气体，通过泵罐出气口进行尾气处理。
3.5.1.3高温熔盐泵将采用液下迷宫密封，减少磨损。
3.5.1.4 出口管道采用桥接结构，桥接管道末端与出口管道之间预留一定间隙，确保热膨胀量。
3.5.1.5 泵罐在实际工作中屏蔽塞下边缘以下部分外包电加热铠和保温层，工作温度550—700℃。
4.总结
随着技术的不断进步，必定会弥补许多设计中的缺陷。而全球经济一体化的不断提高，也会促成各国构建一个核主泵技术交流的平台，提高核泵性能。届时就可能打破市场垄断，形成产品的良性竞争，使核电设备以最佳的性价比为人类服务。
参考文献
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