压水反应堆冷却剂系统

第五章 反应堆冷却剂系统（RCP）

反应堆冷却剂系统是核电站一回路主系统，系统代码为RCP，包括三个环路，每个环路上有一台冷却剂循环泵和一台蒸汽发生器，其中1号环路上还设有一台稳压器及与其相关的卸压箱。

反应堆冷却剂系统的功能是：

（1）主泵使冷却剂在环路中循环，将堆芯的热量带出，通过蒸汽发生器将热量传给二次侧给水；

（2）堆芯中的冷却剂又起慢化剂作用，使中子得到慢化； （3）冷却剂中溶有硼酸，用来控制反应性的变化；

（4）稳压器用来控制冷却剂压力，防止堆芯产生偏离泡核沸腾； （5）稳压器上的安全阀起超压保护作用；

（6）在发生燃料元件包壳破损时，反应堆冷却剂系统的压力边界是防止放射性泄漏的第二道屏障。

图5.1是RCP系统1号环路的示意图，图中也标出了其它一些与RCP系统连接的辅助系统。注意有些辅助系统与RCP的接口不在1号环路，这里只是示意性地把它们表示出来。

图5.1 RCP主系统（1号环路）

5.1 反应堆冷却剂泵

反应堆冷却剂泵又称主泵，是三相感应电动机驱动的立式、单级、轴封泵，由电动机、

- 49 -

轴封组件和水力部件组成。反应堆冷却剂由装在转动轴下部的泵唧送，冷却剂通过泵壳底部吸入，然后从泵壳侧面出口接管排出。串联布置的三级轴封有效地限制了冷却剂沿泵轴的泄漏。

三台主泵的设备编码分别为RCP001PO、002PO、003PO。主泵名义流量23790 m3/h，压头97.2 mCL，转速1485 rpm。其结构如图5.2所示。 5.1.1 水力部件

1．泵体

泵体由泵壳、扩散器（又称导叶）、进水导管、叶轮、泵轴组成。其中除泵轴为不锈钢锻件之外，均为不锈钢铸件。

叶轮有七个螺旋离心叶片，装在泵轴的下端。扩散器汇集来自叶轮的冷却剂，它由十二个螺旋离心叶片组成，被安装在扩散段法兰的底部，扩散器可以与泵的内部部件同时从泵体中取出。在扩散器的下部装有防热罩。冷却剂由泵壳底部的进口接管吸入，由装在泵轴下部的叶轮唧送，经扩散器从泵壳侧面的出口接管排出。

2．热屏

热屏是由12层不锈钢扁平盘管组成的热交换器，装在叶轮与泵轴承之间，热屏法兰构成泵壳上法兰。由RCV系统来的高压冷却水注入泵径向轴承和轴封之

图5.2 反应堆冷却剂泵 间，它对轴封来说是密封水，对

径向轴承来说则是润滑剂。

热屏冷却盘管内流动的冷却水来自设备冷却水系统（RRI），其进口温度为35 ℃，流量约为9 m3/h。它在反应堆冷却剂（292.4℃）和轴承之间提供传热屏障，冷却流过的反应堆冷却剂，防止轴封和轴承的损坏。即使在失去RCV系统注入水的情况下，这样构成的热屏可保持其上部温度不超过72℃。因此，在主泵运行时或在主泵停运后而一回路温度高于70℃时，必须供给热屏冷却水。

3．泵轴承

- 50 -

主泵共装有三个轴承，两个装在电机上，第三个为泵轴承。泵轴承是浸在水中的水润滑轴承，安装在热屏和轴封之间。它包括覆盖司太立钴铬钨耐热耐磨合金的不锈钢轴颈和由几个石墨环构成的壳体，轴颈在壳体内旋转。轴承安装在环形箱中，该箱能校正轴的偏心度。

4．轴封注入水

由RCV系统来的高压冷却水注入到泵径向轴承和一号轴封之间。其作用是：

● 保证主泵轴承的润滑；

● 通过三个串联的轴封，保证一回路水不向外泄漏；

● 在RRI系统暂时断水时，保证主泵轴承和轴封的短时应急冷却。

正常运行时，由RCV系统供给的轴封水压力为158 bar.a，略高于一回路压力。总流量约1.8 m3/h，其中通过轴封约0.7m3/h，其余流入一回路。 5.1.2 轴封系统

为了防止高温高压且带放射性的冷却剂沿泵轴泄漏到环境中，设置了轴封系统来保证主泵轴向的密封。该系统由三级串联的轴封组成，通过连续的三级可控泄漏，将压力逐步降低，如图5.3所示。

图5.3 主泵轴封系统 图5.4 1号轴封结构

1． 1号轴封

1号轴封结构如图5.4所示。它由两个覆盖氧化铝的不锈钢环构成。下边为动环，与泵轴联结在一起，随轴旋转；上边是静环，与泵壳联结在一起不转动，但可以上下移动。两个环的端面不接触，构成曲面型液膜密封件。

- 51 -

在正常运行时，由轴封压差引起的作用在动环上、下两面的压力能使动环自动处于平衡状态，保持两环之间的间隙为0.1 mm左右，形成液膜。动环和静环的两个端面在液膜两侧相对滑动，不会产生磨损。泄漏水由外侧流向内侧，两端的压差为155 bar，背压约为3.1 bar.a。通过1号轴封的泄漏水流量为680 l/h，入口温度为55 ℃，其泄漏量大部分返回RCV系统。

为保证1号轴封的正常工作，在启动主泵时必须由RCV系统供给轴封水，而且要求反应堆冷却剂系统压力不得低于23 bar.g，以保证能够抬起静环，使静环与动环之间保持一定的间隙。

2． 2号轴封

2号和3号轴封均属于常规的表面磨擦轴封。其动环由不锈钢制成，表面覆盖一层氧化铝；静环由石墨制成，通过弹簧压紧在动环上，并与泵的定子联成一体。

2号轴封的作用是阻挡1号轴封的泄漏。在1号轴封发生故障时，它能在一回路额定压力下工作（旋转或不旋转）约30分钟，以便设备停运。

正常运行时，2号轴封泄漏量为12 l/h，背压1.4 bar.a，两端压差1.7 bar。轴封泄漏水被送往RPE系统。

3． 3号轴封

3号轴封的作用是阻挡2号轴封的泄漏，由双密封件组成。在双密封件之间由REA系统注入密封水，其最大压力为2.3 bar.a，正常流量为0.8 l/h。密封水提供对轴封的润湿，并以很小的流量冲刷轴封，避免硼在密封处结晶，其排水送往RPE系统。

3号轴封依靠一根安装在高处的立管供水，以保持3号轴封有1.6 bar.a的背压。 5.1.3 电动机

驱动主泵运转的电动机是三相异步直接启动式电动机，其额定功率为6.5 MW，由6.6 kW母线供电。为了便于维修主泵和电机，在泵轴与电机轴之间由400 mm长的短轴刚性连接。

1．定子和转子

电动机定子和转子采用开放式空气冷却。为防止安全壳内空气升温，在空气冷却回路出口装有两台冷却器，由RRI系统冷却。定子绕组上设有电加热器，在泵停运时自动加热，保持绕组干燥。

2．电动机轴承

电动机由下部径向轴承、上部径向轴承和轴向止推轴承定位： ——下部径向轴承用油润滑，轴承箱内贮存的油通过装在轴承箱上的一个盘管冷却器冷却；

——上部径向轴承与轴向止推轴承组合为一体，止推轴承是金斯伯利型推力轴承。润滑油通过外置热交换器进行冷却。

3．顶轴油泵

- 52 -

主泵在启动或停止之前，应首先启动一台辅助高压润滑油泵（称顶轴油泵），向推力轴承上、下侧注入高压油，避免轴盘与轴瓦磨损。顶轴油泵产生的最小油压为42 bar.g，在主泵完全启动后至少50 s才能停止该油泵。

4．惰转飞轮

在电动机轴的顶端装有一个6～6.5吨重的飞轮，其总转动惯量为3800 kg·m2（飞轮转动惯量为2500 kg·m2）。飞轮用来增加泵的转动惯量，提供充分的惯性运动的时间，以便在发生断电事故时能保证反应堆堆芯的冷却。飞轮上附有一个抗倒转装置，使得当一台泵停转而其它泵仍在运行时，停转泵的转子不会由于冷却剂的回流而发生倒转。

5.2 稳压器

稳压器（PZR）设备编码为RCP001BA，是对一回路压力进行控制和超压保护的重要设备，它担负着以下功能：

（1）在正常运行时，保持一回路压力恒定；

（2）在负荷变化时，限制一回路压力的变化，防止冷却剂在堆内沸腾；

（3）当出现某种事故引起一回路压力急剧升高时，稳压器的安全阀能提供超压保护；

（4）吸收一回路系统水容积的迅速变化。 5.2.1 稳压器结构

1．概述

稳压器是一个立式圆柱形容器，安装在下部裙座上，如图5.5所示。其高为13 m，直径为 2.5m，内部容积为39.7 m3，净重80 t。

稳压器顶封头上装有喷淋管线和安全阀接管，喷淋管末端接有喷嘴，喷淋水通过喷头喷入汽空间。底封头上焊接有60根电加热器的套筒，套筒以封头轴线为圆心呈同心圆布置，由两个水平板支撑，以防止横向振动。

连接稳压器与RCP主管道的波动管一端接在底封头的中心，另一端与一环路的热管段相连接。在容器内波

图5.5 稳压器

动管进口的正上方设有一个滞留滤网，使波动水与稳压

器内的水均匀混合，并防止异物进入冷却剂系统中。

在正常运行时，稳压器内下部是水，上部是蒸汽，水、汽处于饱和状态。压力正波动时，喷淋水冷凝容器内的蒸汽而降压；压力负波动时，水的闪蒸和加热水产生蒸汽而升压。这就是稳压器调节压力的原理。

- 53 -

2．喷淋系统

稳压器喷淋系统有两条引水管线，分别接到RCP两个环路的冷段。两条管线在稳压器外汇合为一，进入稳压器；另一端的取水口伸入到一回路管内呈勺形，以便利用环路中流动的速度头增加喷淋的驱动力。

每条管线上有一个气动调节阀，阀门带有下档块，保持一个小流量连续喷淋。连续喷淋的作用是：

● 保持稳压器内的水温与化学成分的均匀性； ● 限制在大流量喷淋启动时对喷淋管的热冲击； 喷淋管的公共管段在最高点处布置成一个水封，用来防止蒸汽凝结水集聚在喷淋阀的后面。

除了由两个环路冷段来的主喷淋水外，另外设有由RCV系统供水的辅助喷淋管线，它在喷淋阀下游与主喷淋管连接，供主喷淋失效时（例如上述两个环路的主泵停止运行）使用。

3．电加热器

电加热器由60根直管护套型电加热元件组成，通过稳压器的下封头插入稳压器中。 加热元件的护套管上端用塞焊密封，下端由连接管座密封。加热元件的镍铬合金电热丝放在管状不锈钢护套中心，周围用压紧的氧化镁粉末绝缘。

电加热器总电功率为1440 kW，共分为六组： ——1组和2组为通断式加热器，每组9根； ——3组和4组为比例式加热器，每组9根； ——5组和6组为通断式加热器，每组12根。

4．安全阀

由三个安全阀组提供稳压器的超压保护。每个阀组由串联安装的保护阀和隔离阀组成。在正常运行期间，保护阀关闭，隔离阀开启。

当稳压器的压力超过安全阀的整定值时，保护阀开启，将稳压器内的蒸汽迅速排至卸压箱中，使稳压器卸压，起到超压保护作用。压力下降后，保护阀自动关闭。如果保护阀启跳之后回座失效，则隔离阀关闭，防止一回路进一步卸压。

表5.1 安全阀开、关阈值 （bar.a）

保护阀和隔离阀结构类似，都是自启动先导式阀门。每一个阀由两个主要部分组成：先导柜和主阀。如图5.6所示。

主阀部分是一个液压启动阀，提供卸压功能。它包括： 一个插入喷嘴的下阀体，主阀盘就座在喷嘴上；

- 54 -

一个包含活塞的上阀体，活塞使阀盘压到喷嘴上，而且活塞的表面积比阀盘的表面积大。

阀门的先导柜起压力敏感和控制元件的作用，它与主阀部分及稳压器通过脉冲管线相连接。在稳压器与先导柜之间装有一个冷凝罐，保护先导柜不受高温蒸汽的影响。

稳压器压力启动先导柜的活塞，活塞自身又带动一根由一个调节弹簧定位的传动杆，而传动杆借助一个凸轮启动两个先导柜盘R1和R2。

当稳压器压力低于先导柜的整定压力时，先导柜的传动杆受弹簧牵拉，处于较上位置，先导盘R1开启，使主阀活塞上部与稳压器接通，由于主阀活塞的表面积比阀盘的大，因此主阀关闭。

当稳压器压力升高达到整定压力时，它作用在先导活塞上，使先导传动杆向下移动，先导盘R1使主阀活塞与稳压器隔离，先导盘R2开启，主阀活塞上部容纳的流体排出，作用在主阀阀盘上的稳压器压力使主阀开启。

当稳压器卸压而压力降低后，先导传动杆上移，首先关闭先导盘R2，再开启先导盘R1，因而使主阀活塞上部与稳压器接通，于是安全阀关闭。

另外，在先导柜的底部装有一个电磁线圈，通电后可直接拉动传动杆和凸轮向下运动，使得在低于整定压力下可以人为使安全阀卸压，以便远距离手动强制开启阀门。

5.2.2 卸压箱

图5.6 安全阀结构 图5.7 稳压器卸压箱

卸压箱（RDP）与稳压器配合使用，设备编码为RCP002BA。当一回路系统超压时，它接收、凝结、冷却由稳压器安全阀所排出的蒸汽，使稳压器的蒸汽免于向安全壳内排放，避免了带有放射性的一回路流体可能对安全壳的污染。卸压箱也接收来自其他一些系统的安全阀和阀门引漏的蒸汽。

在满功率运行工况下，稳压器卸压箱能接收110％的稳压器蒸汽空间的蒸汽，即在安

- 55 -

全阀开启30秒的时间内，卸压箱大约可接收2吨蒸汽量。然而稳压器卸压箱容积有限，不能连续不断地接收稳压器大流量的蒸汽排放。

卸压箱是一个卧式低压容器，总容积约37 m3。它的上部约11.5 m3为氮气空间，并装有一组喷淋器；下部约25.5 m3为水空间。容器的底部沿轴线方向装有一根鼓泡管，与稳压器卸压管线相连。

在正常状态下，卸压箱内水位为总高度的65％，箱内水温维持在40℃。水是经过处理的除盐水，由反应堆的硼和水补给系统（REA）供给。其余空间充满氮气，由核岛氮气分配系统（RAZ）供给。氮气正常压力为0.2 bar.g，略高于大气压，这是为了阻止空气的进入，防止排放蒸汽中含有的氢气与空气中的氧气混合形成易爆气体。卸压箱气体中的氢和氧的浓度超过限值时，必须进行排气。

当稳压器安全阀开启时，蒸汽经卸压管路进入卸压箱，从鼓泡管均匀喷入水中，被水冷却和混合。在这过程中，卸压箱中水温升高，但不会超过93℃；水位增高，但不应超过总高度的90％；箱内压力增高，但不应超过7 bar.g。当压力超过7 bar.g时，卸压箱的两个爆破盘会自动开启，直接将蒸汽排放到安全壳内。

为了使卸压箱降温降压，恢复正常状态，来自REA系统的除盐水可经喷淋器喷入卸压箱内，其最大喷淋流量为34 m3/h；同时卸压箱的水由蛇形管内的设备冷却水（RRI）不间断地冷却。如卸压箱内水位过高，就打开底部的疏水阀向RPE系统排水。

5.3 蒸汽发生器

蒸汽发生器的作用是：

（1）作为热交换设备，将一回路冷却剂中的热量传给二回路的给水，使之产生蒸汽； （2）作为连接设备，在一、二回路之间起隔离作用，使二回路不受一回路的放射性污染；

（3）蒸汽发生器的管板和传热管作为反应堆冷却剂压力边界的组成部分，属于压水堆的第二道安全屏障。

一回路三个环路共有三台蒸汽发生器，分别为ARE001GV、002GV、003GV。 5.3.1 结构描述

大亚湾核电站的蒸汽发生器为立式饱和蒸汽发生器，如图5.8所示。它由两部分组成，下筒体部分是蒸发段，使二回路给水汽化；上筒体部分是汽水分离段，将所产生的汽水混合物进行机械干燥。

1．下筒体部分

下筒体部分主要包括：

——下封头：由碳钢铸件制成的半球体，与管板焊接，内部用因科镍合金隔板分隔为两个水室。内表面堆焊一层厚约5～6 mm的不锈钢。封头上开有一回路水的进出口和维修用人孔。

- 56 -

——管板：厚555 mm，由锻件制成，表面堆焊一层因科镍合金。管板上钻有8948个孔，与传热管连接。

——倒U形管束：共有4474根，是由因科镍-600制成的传热管。每根传热管外径19.05 mm，壁厚1.09mm。U形管在管板内全程胀管，防止污垢填塞空隙。管束外有管束套筒内。

——支撑板：共有9块，沿管束长度分布，用来保持管子之间的距离。

——流量分配挡板：位于管束下部高于管板处，它和U形管束中间水道的阻塞块保证二回路水以足够的流速有效地冲刷管板表面，避免了二回路侧腐蚀产物的聚积，从而减小管板表面以上的管子腐蚀的危险。

——筒体：由4个圆环及1个锥形壳体组成，用厚度为75～100 mm的锰钼镍低合金钢板加工后焊接而成。圆筒部分外径约为3.5 m，锥形部分扩大到约4.5 m，下筒体部分总高13.25 m。

——排污管：共有2根，在管板表面上方，供连续排污用。

——此外，在筒体上还开设了一些

图5.8 蒸汽发生器构造

洞孔（正常运行时这些孔均用盖板螺栓

密封）：

距管板上表面高约350mm处，设四个检查孔，以便检查管板上表面； 距管板上表面高约625mm处，设有两个检查孔，以便检查流量分配档板以上的管束； 距管板上表面约490mm处设有两个手孔。 2．上筒体部分

蒸汽发生器的上筒体部分高约7.4 m，外径约4.5 m，也是由锰钼镍低合金钢板加工焊接制成。其内部装有以下部件：

——旋叶式汽水分离器：在管束套筒顶部，共有16只，对蒸发段产生的汽水混合物进行第一级汽水分离。

——人字形干燥器：进行二级汽水分离。它是六角形带钩波形板分离器，设有六块波纹形分离器。

——给水环管：位置稍低于旋叶式汽水分离器。在给水环管顶部焊接了一些倒J形管，来自二回路的给水进入环管后，从倒J形管流出，进入下降通道。

- 57 -

——限流器：在蒸汽发生器顶部蒸汽出口接管内，由因科镍600制成，其作用是当蒸汽管道破裂时限制蒸汽流量，以防止一回路过冷而重达临界及减轻对安全壳产生的压力。 5.3.2 水的流程

1．一次侧（管侧）

一回路热管段的水进入蒸汽发生器下部，在倒U形管组成的管束中流动，把热量传给管外的二回路水，再从蒸汽发生器的下部流出。管束为一、二回路流体间提供了庞大的传热面积（5429 m2）。

2．二次侧（壳侧）

给水由位于蒸汽发生器上部的给水接管进入环管，然后从给水环管上的倒J形管喷出，沿着管束套筒向下流。管束套筒将蒸汽发生器下筒体内的水分隔为两个区域：

冷柱：管束套筒与筒体之间的水，其中包括给水和从汽水分离器分离出来的再循环水；

热柱：管束套筒内的水和蒸汽混合物。

冷柱的水向下流动至管板，然后转向进入管束套筒，沿着倒U形管束的管外侧向上流动，被传热管内流动的一回路冷却剂加热，一部分水蒸发成蒸汽，形成汽水混合物。

3．水和蒸汽混合物的干燥

在热柱顶端，水和蒸汽混合物中带有大量的水份，必须予以干燥。干燥分为二个阶段进行。首先，汽水混合物穿越16个旋叶式分离器，被分离的水流下汇入冷柱；其后，从分离器出来的蒸汽通过人字形干燥器，将残余的水份除去。在干燥器内聚集的水也流入冷柱。

蒸汽发生器的出口是饱和蒸汽，其湿度低于0.25％。 5.3.3 给水和排污

1．给水来源

正常工况时由给水流量控制系统（ARE）提供给水，它来自冷凝器中的冷凝水，经给水加热器加热后，送入蒸汽发生器。

当ARE的给水不可用时（例如启、停堆期间或发生设备故障），蒸汽发生器由辅助给水系统（ASG）提供给水。辅助给水泵将辅助给水箱中的水送入蒸汽发生器，蒸汽则由蒸汽旁路系统（GCT）排向大气或送往冷凝器。

2．排污

蒸汽发生器受到腐蚀的重要原因是冷凝器中的循环水（海水）向二回路中泄漏。它使二回路水受到污染，导致蒸汽发生器传热管——尤其是在管板上方传热管根处——因非挥发性产物的聚集而受到腐蚀。因此，除了对给水的水质进行严格控制之外，还在管板上部

- 58 -

图5.9 蒸汽发生器原理图

处进行连续排污。

排污管连接到蒸汽发生器排污系统（APG）。被排出的污水经冷却和净化，根据情况重新利用或排放。

表5.2列出了RCP系统的主要参数。

表5.2 RCP系统主要特性参数

系统额定热功率，MWt 堆芯额定热功率，MWt 环路数

工作压力，MPa.a 额定流量（冷态），m3/h 系统总容积，m3

满功率运行时冷却剂温度，℃ −−反应堆压力容器进口温度 −−反应堆压力容器出口温度 −−平均温度 零功率时冷却剂温度，℃ 蒸汽发生器二次侧（额定功率下） −−蒸汽压力，MPa.a −−蒸汽温度，℃ −−蒸汽流量，t/h −−蒸汽最大湿度 −−给水温度，℃

2905 2895 3 15.5 3×23790 283 292.4 327.6 310.0 291.4 6.89 283.6 3×1938 0.25% 226

- 59 -