壓水堆核電站一回路冷卻劑循環(huán)泵(以下簡稱核主泵)是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，核主泵對整個核電站的安全起著至關(guān)重要的作用。隨著核電事業(yè)的發(fā)展，我國已掌握了多數(shù)關(guān)鍵核電主設(shè)備的制造能力，唯獨核主泵在我國現(xiàn)已投產(chǎn)的核電機組中仍然主要依賴國外引進。核主泵的國產(chǎn)化，是幾代核電人追求的夢想，實現(xiàn)核主泵的國產(chǎn)化將進一步促進我國核電事業(yè)的快速發(fā)展。本文通過對當(dāng)今世界核電主泵各種流派的技術(shù)特點對比分析，梳理主要發(fā)達國家發(fā)展核電主泵的歷程，建議培育我國核電主泵的自主設(shè)計能力、自主制造能力和自主試驗驗證能力。提出只要認認真真學(xué)習(xí)，掌握先進技術(shù)，扎扎實實推進核主泵自主研發(fā)的各項工作，核主泵的國產(chǎn)化目標一定能夠?qū)崿F(xiàn)。

一、前言

　　核電站只需消耗很少的核燃料，就可以產(chǎn)生大量的電能，每千瓦時電能的成本比火電站要低20%以上。核電站還可以大大減少燃料的運輸量。例如，一座100萬kW的火電站每年耗煤三四百萬噸，而相同功率的核電站每年僅需鈾燃料三四十噸；核電的另一個優(yōu)勢是無污染，幾乎是零排放，對于環(huán)境壓力較大的中國來說，符合能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

　　核電作為一種技術(shù)成熟、可大規(guī)模生產(chǎn)的安全、經(jīng)濟、清潔的能源，在我國的遠景規(guī)劃中將有更大的發(fā)展空間。預(yù)計到2015年，運行核電裝機達到4 000萬kW，在建規(guī)模1 800萬kW；到2020年我國在運核電裝機達到6 000萬kW。

　　2012年10月24日，國務(wù)院審議通過《核電安全規(guī)劃(2011～2020年)》和《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2011～2020年)》，重啟核電建設(shè)。沉寂已久的核電設(shè)備制造業(yè)引起廣泛關(guān)注。

　　中國核電將進入快速發(fā)展時期，核電裝備同樣也將迎來難得的發(fā)展機遇期。然而，從核級泵技術(shù)上看，目前能自主開發(fā)、制造的也只是核二、三級泵，核一級主泵還在技術(shù)引進、消化吸收及部分關(guān)鍵部件的試制階段，國產(chǎn)化自主率水平仍然較低，真正實現(xiàn)核主泵的國產(chǎn)化還有很長的路要走。

　　核主泵一直是制約我國核電站發(fā)展的最關(guān)鍵設(shè)備，我國目前運行的核電站中所用的主泵幾乎全部依賴進口，其自主設(shè)計、制造及試驗驗證是我國推進核電自主化的重點和難點。

二、核主泵的結(jié)構(gòu)

　　1. 軸封泵結(jié)構(gòu)

　　我國現(xiàn)在已建成的核電站核主泵多數(shù)是軸封式的，電動機與泵聯(lián)接方式有剛性聯(lián)接和撓性聯(lián)接兩種。世界上核主泵的主要制造商有： 美國的EMD 、法國熱蒙AREVA)、日本三菱(MHI)、德國KSB、奧地利ANDRITZ和俄羅斯圣彼德堡機器制造中央設(shè)計局等。美國的EMD、法國熱蒙(AREVA)和日本三菱(MHI)生產(chǎn)的軸密封主泵機組屬于剛性聯(lián)接。德國KSB、奧地利ANDRITZ和俄羅斯圣彼德堡

　　機器制造中央設(shè)計局生產(chǎn)的主泵機組屬于撓性聯(lián)接。下面簡要介紹上述各公司核主泵的結(jié)構(gòu)特點。

　　(1)美國EMD的核主泵結(jié)構(gòu)特點

　　三軸承支承的軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示，電動機軸與泵軸用剛性聯(lián)軸器直聯(lián)，雙向主推力軸承布置在電動機頂部，與電動機兩個油潤滑導(dǎo)軸承中的上部導(dǎo)軸承組合成一體式結(jié)構(gòu)，在泵部分的第三個導(dǎo)軸承是水潤滑軸承。軸密封系統(tǒng)是由3級密封組成，第1級是流體靜壓可控泄漏密封，第2級是特殊設(shè)計的端面機械密封，第3級是端面機械密封。泵機組的結(jié)構(gòu)剛性、轉(zhuǎn)子動力學(xué)以及電動機與泵之間的軸系對中問題，是結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算和制造安裝中的關(guān)鍵點。

圖1 三軸承支承的核主泵結(jié)構(gòu)

　　(2)俄羅斯圣彼德堡機器制造中央設(shè)計局生產(chǎn)的核主泵結(jié)構(gòu)特點

　　田灣核電站一期工程兩臺機組為俄羅斯AES-91型反應(yīng)堆，采用了圣彼德堡機器制造中央設(shè)計局1391型反應(yīng)堆主泵，主泵軸向止推軸承采用水潤滑方式，是在世界上大型商用壓水堆中首次應(yīng)用。如圖2所示。

圖2 俄羅斯圣彼德堡機器制造中央設(shè)計局的主泵結(jié)構(gòu)

　　(3)德國KSB核主泵的結(jié)構(gòu)特點

　　德國KSB核主泵采用四軸承支承的軸系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。KSB核主泵與電動機采用撓性聯(lián)軸器聯(lián)接，高載荷的雙向作用推力軸承部件布置在泵的上部，核主泵自帶推力軸承，泵能與不同支承剛度和不同轉(zhuǎn)子動力學(xué)電動機匹配。在泵上增加一道與主推力軸承一體化的油潤滑導(dǎo)軸承，加上撓性聯(lián)軸器，除了使泵和電動機軸的對中便利以外，機組的抗震設(shè)計和振動分析較容易分析和處理。軸密封系統(tǒng)由3級流體動壓可控泄漏機械密封組成，每級密封均可承受系統(tǒng)全壓設(shè)計，壓力分配為40%、40%、20%，此外泵第3級機械密封上部布置有停車密封。我國秦山一期核電站采用了KSB四軸承核主泵。德國KSB除四軸承支承軸系結(jié)構(gòu)核主泵外，也為世界核電站提供了大量的三軸承支承軸系的撓性聯(lián)接結(jié)構(gòu)主泵(見圖4)，目前為海南昌江核電站供貨的主泵采用了三軸承支承軸系的主泵。

圖3 KSB四軸承主泵　圖4 KSB三軸承主泵

三、核主泵技術(shù)國產(chǎn)化

　　1. 世界核主泵技術(shù)的發(fā)展

　　法國、日本、韓國核電設(shè)備國產(chǎn)化的發(fā)展過程：法國在20世紀七八十年代引進美國西屋公司的核電技術(shù)后，經(jīng)過20年的發(fā)展，不僅形成了自己的核電技術(shù)，建立了自己的標準化體系，而且核島中的反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵，常規(guī)島的汽輪機、發(fā)電動機以及大量的核級泵、閥等設(shè)備很快實現(xiàn)了自主化，基本立足本國制造。法國政府還明確規(guī)定不允許再購買國外核主泵，有力地推動了法國裝備制造業(yè)的自主創(chuàng)新和發(fā)展。日本也從美國引進了反應(yīng)堆技術(shù)，進而實現(xiàn)核電設(shè)備的自主制造。其中三菱重工(MHI)引進、消化了西屋公司的壓水堆技術(shù)；東芝、日立引進了GE 公司的沸水堆技術(shù)，都形成了自主的核電設(shè)備制造體系。韓國，在經(jīng)歷20世紀70年代初期出現(xiàn)的兩次石油危機沖擊后，韓國政府深受能源貧乏之痛，轉(zhuǎn)而大力支持核電開發(fā)，制定了發(fā)展核電的長期規(guī)劃，并深刻認識到“核電技術(shù)裝備自主化是降低能源海外依存度的根本”。為此，韓國政府制訂并不斷完善了一系列自主化政策，并制定了每個時間段的技術(shù)裝備自主化目標。韓國政府長遠規(guī)劃的指引與強有力的政策扶持是韓國核電走上自主化道路的重要保證。

　　從20世紀80年代自主設(shè)計第一座30萬kW秦山一期核電站至今，我國已逐步具備絕大多數(shù)核電主設(shè)備的制造生產(chǎn)能力，唯獨核主泵是一直突破不了的難題；在我國現(xiàn)已投產(chǎn)的核電動機組中，主泵皆由國外引進。主泵國產(chǎn)化是幾代核電人的夢想，也是中國核電實現(xiàn)自主化必須要突破的難關(guān)。

　　2. 我國核主泵國產(chǎn)化進程

　　20世紀70年代末，國內(nèi)幾家主要的泵制造企業(yè)，為向秦山一期300MW核電動機組提供核主泵，做了大量的技術(shù)準備工作。當(dāng)時的上海水泵廠進行了核主泵機組水力部件的研發(fā)，并制作了縮小比例的水力模型泵，并在浙江省機科所一級精度試驗臺上進行了重復(fù)測量，水力模型研究項目通過了上海市機電一局組織的全國性鑒定會議的核查和認可。隨后，完成了水力模型泵的四象限全特性試驗，得到了完整的四象限全特性曲線，可用于NSSS系統(tǒng)的安全計算分析。

　　巴基斯坦恰�，擟1項目核電站為30萬kW壓水堆型核電站，是我國自行設(shè)計、建造的第一座出口商用核電站，當(dāng)時是我國重要的高科技成套出口項目。在該項目中，沈陽水泵廠與國外某一流體機械制造企業(yè)合作，在引進核主泵技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了部分零部件的國產(chǎn)化制造。

　　2005年由法國阿�，m/熱蒙和東方電氣合資興建東方阿�，m核泵有限責(zé)任公司，希望通過引進法國阿�，m核主泵和電動機的設(shè)計、制造及試驗方面的技術(shù)來逐步實現(xiàn)主泵的國產(chǎn)化。

　　2008年3月，沈鼓、哈電分別與美國EMD簽訂了2臺國產(chǎn)三代核主泵分包制造合同。

　　2008年6月，上海電氣集團與德國KSB成立由中方控股的合資企業(yè)——上海電氣凱士比核電泵閥有限公司，該企業(yè)以核電用泵的設(shè)計、制造和銷售為主業(yè)。2011年9月上海電氣凱士比核電泵閥有限公司與國家核電技術(shù)公司一起開發(fā)承制國家重大專項CAP1400堆型的濕繞組主泵。

　　3. 上海電氣核主泵國產(chǎn)化推進

　　通過引進國外先進的成熟的核電技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上消化、吸收，進行自主研發(fā)和自主創(chuàng)新，無疑是核主泵實現(xiàn)國產(chǎn)化的最好選擇。上海電氣凱士比核電泵閥有限公司通過引進、消化、吸收德國凱士比核主泵關(guān)鍵技術(shù)并掌握這一技術(shù)，意味著我國在打破國外核電技術(shù)壟斷，實現(xiàn)核主泵的國產(chǎn)化方面將會取得重大進展。

　　通過引進德國KSB成熟的核電泵技術(shù)，合資公司負責(zé)主泵零部件的國產(chǎn)化、整個主泵的裝配、安裝和全流量測試。目前，公司擁有世界上最先進的主泵全流量試驗臺，能進行二代、二代加核電站主泵以及三代核電站主泵全流量測試。全流量試驗回路如圖7所示。

圖7 SEC—KSB核主泵全流量測試臺

四、結(jié)語

　　核主泵的難度不僅在于生產(chǎn)，更是在于它的可靠性、安全性，怎樣保證主泵長時間安全可靠運行是主泵制造最核心的問題。核主泵是壓水堆核電站核島主設(shè)備里唯一轉(zhuǎn)動的設(shè)備，這就要求它比其他非轉(zhuǎn)動性設(shè)備具有更高的可靠性。另外，主泵的功能在核島中至關(guān)重要。它的主要功能有：首先，核島的冷卻需要靠主泵來完成；其次，要把核島里面產(chǎn)生的熱量帶出來，與蒸汽發(fā)生器二次側(cè)換熱，從而推動汽輪發(fā)電動機組發(fā)電。主泵就像核島的心臟，一旦失效，危害巨大。

　　1. 認認真真引進

　　核主泵的重要性使它成為我國自主發(fā)展核電必須要拿下的“硬骨頭”，為確保主泵的安全性，在主泵制造過程中要進行大量的設(shè)計計算以及試驗驗證工作。這些工作都需要經(jīng)驗和技術(shù)的沉淀，沒有多年從事主泵技術(shù)的企業(yè)根本不可能實現(xiàn)主泵的研發(fā)和制造，德國KSB研究主泵技術(shù)已有超過40多年的時間，引進已經(jīng)成熟的先進技術(shù)并逐步實現(xiàn)自主生產(chǎn)是我國發(fā)展核主泵首選的捷徑。

　　2. 扎扎實實推進

　　自主化和國產(chǎn)化是我國核泵企業(yè)引進國外先進技術(shù)的最終目的，只有最終實現(xiàn)國產(chǎn)化，我國核電才能真正實現(xiàn)自主化。所謂自主化，就是完全自主控制，不再依賴外方，落地生根，開花結(jié)果，只有做到這一點，才能使引進的技術(shù)真正為我國主泵產(chǎn)業(yè)所用。正是這樣的工作思路，使得上海電氣凱士比核電泵閥有限公司在多個方面穩(wěn)扎穩(wěn)打、搶占先機。在基礎(chǔ)設(shè)施方面，建造了全世界最先進的主泵全流量試驗臺。在臨港基地，上海電氣投資10億元，除了建設(shè)廠房、購置機械加工設(shè)備外，還建了國際上最先進的主泵全流量測試臺，僅試驗臺本身的投資就已經(jīng)超過3億元。

　　這個測試臺不僅可滿足二代加軸封型主泵的測試，也可以進行三代核電濕繞組型主泵的全流量測試。這個試驗臺是德國KSB集團在全球范圍內(nèi)唯一的專業(yè)主泵試驗臺，德國KSB是全球跨國企業(yè)，將來德國KSB集團制造的所有核主泵均在臨港基地試驗。

　　3. “走出去”與“請進來”

　　談到技術(shù)引進，首要的重點是員工的培訓(xùn)，即便拿到了全部的圖樣和技術(shù)資料，這也只能占真正技術(shù)的20%，這是遠遠不夠的，在整個生產(chǎn)過程中，真正掌握技術(shù)的是“人”，所以加強員工培訓(xùn)是關(guān)鍵所在。從2008年開始，公司每年都有“走出去”和“引進來”的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)。所謂“走出去”是指從事設(shè)計、機械加工、工藝、裝配、合同執(zhí)行、測試以及售后服務(wù)等工作的人員，到德國KSB總部去培訓(xùn)，培訓(xùn)有詳細的培訓(xùn)計劃，一半時間在課堂里面學(xué)習(xí)理論知識，另一半時間在其公司的各自崗位上進行實際操作，同德國KSB公司的人員一起工作。2009年至今，合資公司共計派出48人，培訓(xùn)時間達400多周，其中最長的在德國KSB學(xué)習(xí)9個多月。在派出去培訓(xùn)的同時，上海電氣集團還采取了“請進來”的方式培訓(xùn)和交流。自2011年開始合資公司便將德方專家請到公司中來，不僅請技術(shù)人員，還請具體操作的工人。他們與企業(yè)的工作人員一起進行生產(chǎn)，在關(guān)鍵點給予指導(dǎo)。截止2013年底，德國共派出50多名專家，累積達156周的時間，這種現(xiàn)場指導(dǎo)和實際操作的培訓(xùn)，使合資公司員工獲益匪淺。

　　因此，找到合適的、有實力的、全心全意的合作方，并且有共同的合作目標，這是實現(xiàn)國產(chǎn)化的第一步，這一點很重要；其次要依賴于我國本土技術(shù)團隊，建立人才隊伍；第三，技術(shù)的轉(zhuǎn)移和外方的技術(shù)支持也同樣重要。上海電氣凱士比核電泵閥有限公司為能實現(xiàn)中國核主泵的自主設(shè)計、自主制造和自主測試而不斷努力，核主泵的國產(chǎn)化必定取得成功。