CN102104291A - 压水堆核电站主泵电磁飞轮 - Google Patents

压水堆核电站主泵电磁飞轮 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压水堆核电站主泵电磁飞轮，旨在提供一种通过以电磁场的耦合代替飞轮与主泵轴系的机械连接，主泵轴与飞轮轴物理分离，能够大幅度提高主泵惰转时间，降低主泵轴系的制造要求、减少主泵轴系震动能量、缩短主泵启动时间、减少主泵启动过程对周边设备的影响的压水堆核电站主泵电磁飞轮。它包括机械飞轮、同步电机、直流启动电机、启动控制单元、同期控制单元，机械飞轮与同步电机及直流启动电机的转轴机械连接，同步电机通过开关和导线与主泵电机并连，启动控制单元控制直流启动电机。电磁飞轮由直流电机启动，同步电机维持同步运转，机械飞轮和同步电机、主泵电机共同向主泵提供惰转能量。本发明适用于所有的压水堆核电站。

Description

压水堆核电站主泵电磁飞轮
技术领域
本发明涉及一种压水堆核电站主泵结构，尤其是涉及一种压水堆核电站主泵电磁飞轮。
背景技术
水冷堆核电站中，主泵用于提供反应堆冷却剂循环动力，保证堆芯热量的有效导出。作为缓解电厂失去外电源事故的关键手段，主泵设置有较大质量的飞轮，为主泵提供足够的断电后惰转时间。传统设计是将一个机械式飞轮直接与主泵轴机械连接，增大轴系转动惯量，以满足对惰转时间的要求。但这也造成了一些问题：
对泵轴及各个轴承的制造要求变得更苛刻。压水堆主泵容量很大，运行环境恶劣，维护困难。这导致对其轴系的设计制造要求极高。质量很大的机械飞轮附加在轴系上，进一步增加了设计制造的难度；
由于各种原因，主泵的安装空间受到限制。机械飞轮需要占用较大空间。这给主泵及其飞轮的设计制造带来了极大的困难。例如AP1000系列核电厂的主泵飞轮设计就遇到了极大的挑战；
高速运转的大质量飞轮，不可避免地增加了轴系的震动能量。由于主泵与冷却剂压力边界的刚性连接，这直接增加了LOCA（loss of coolant accident，失去冷却剂装量事故）的风险；
机械飞轮大幅度增加了主泵轴系的转动惯量，进而大幅度增加了主泵启动时间，这极大地增加了主泵电机设计制造和运行的限制和困难；
主泵启动时会造成其电源母线电压明显下降，影响周边设备的正常运转；
由于上述各项问题的存在，主泵飞轮的储能容量受到较大限制。这就造成对电站堆芯物理热工设计方面的限制，并可能进一步导致电站整体造价的上升。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的由于各种原因导致的对飞轮储能容量限制、对主泵轴系制造要求高、轴系震动能量大、主泵启动时间长、主泵启动时功率高等的技术问题，提供一种可以延长主泵惰转时间、降低主泵轴系的制造要求、减轻主泵轴系震动、缩短主泵启动时间、减少主泵启动过程对电源母线电压影响的压水堆核电站主泵电磁飞轮。
本发明设计了一种压水堆核电站主泵电磁飞轮装置，以解决上述技术问题。所述装置包括机械飞轮、同步电机、直流启动电机、启动控制单元、同期控制单元。同期控制单元连接有同期开关。机械飞轮与同步电机的转动轴及直流启动电机的转动轴机械连接。同步电机出口通过同期开关与主泵电机入口连接，启动控制单元连接直流启动电机和同步电机。同期控制单元控制同期开关的同期合闸过程。依据同步电机的出口频率和操作人员的指令，启动控制单元控制同步电机的启动升速过程。在反应堆正常运行时，同步电机与主泵电源母线同步运行。当主泵电源母线失电时，同步电机将作为同步发电机运行，并通过同步电机定子磁场、转子磁场的耦合以及主泵电机的定子磁场、转子磁场的耦合，将电磁飞轮所储存的转动动能传输给主泵转子，延长主泵惰转时间，有效导出堆芯余热。
作为优选，压水堆电站主泵电磁飞轮还包括交流变压器、整流电源，交流变压器的输入端和电源母线之间串联有一个直流启动电机电源开关，交流变压器的输出端通过整流电源与直流启动电机电连接，启动控制单元连接整流电源。交流变压器和整流电源在启动控制单元的控制下向直流启动电机供电。
作为优选，压水堆核电站主泵电磁飞轮还包括无功指示仪表，无功指示仪表与同步电机电连接。无功指示仪表检测并指示同步电机出口的无功输出，并在同步电机的无功输入/输出异常时报警。
作为优选，压水堆核电站主泵电磁飞轮还包括内部环境为真空的外壳，同步电机、飞轮和同步电机都设置在外壳内。真空环境可以减少飞轮转动时的动力损耗，并降低对材料的要求。
作为优选，启动控制单元通过电磁飞轮出口频率仪表连接同步电机。启动控制单元通过电磁飞轮频率仪表获取飞轮的转速，从而发出适当的控制信号来控制飞轮的转速。
作为优选，主泵电机和电源母线之间串联有第一进线开关和第二进线开关，同期开关与主泵电机的连接点在第一进线开关和第二进线开关之间。第一进线开关和第二进线开关可以增加电磁飞轮运行的灵活性。
本发明带来的实质性效果是，飞轮和主泵轴系机械分离，解决了安装空间、电气系统容量、轴系震动等外部环境对飞轮转动惯量的限制，可以大幅度提高主泵惰转时间，提高反应堆运行的安全性；可以杜绝飞轮震动能量向主泵及冷却剂系统的传输，降低LOCA风险；提供了自由的飞轮安装空间，降低主泵设计制造过程中处理力学问题和机械问题的代价；提供单独的飞轮启动系统，有效减少主泵启动过程对电源母线的扰动和启动过程中主泵电机线圈过热的问题；飞轮与主泵轴系物理分离，方便维护和检修。
附图说明
图1是本发明的一种系统示意图；
图中：a：第二进线开关，b：第一进线开关，c、：同期开关，d: 直流启动电机电源开关，e：电源母线/电磁飞轮同期仪表，f：电磁飞轮出口频率仪表，g：同期控制单元，h：启动控制单元，k：交流变压器，m、n：可控硅整流电源，r：外壳，s：同步电机，t：直流启动电机，u：机械飞轮，v：主泵，w：无功指示仪表，实线连接线为动力电缆线，虚线连接线为测量仪表信号线，点划线连接线为控制驱动信号线。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种压水堆核电站主泵电磁飞轮，如图1所示，主泵电磁飞轮的主体是包括安装在同一个轴上的一个同步电机s、一个直流启动电机t和一个机械式飞轮u，上述装置都包容在一个真空密封容器r内。通过同期开关c，同步电机s与主泵v的电源可以互相交换能量。通过直流启动电机电源开关d，交流变压器k，以及可控硅整流电源m和n，直流启动电机t从主泵v电源母线上直接获得电源。可控硅整流电源m和n分别提供直流启动电机t的励磁电流和电枢电流。启动控制单元h依据同步电机s出口频率控制启动过程。同期控制单元g依据主泵v电源母线与同步电机s出口电压、频率和相位控制同期开关c的合闸过程，同时也实现第二进线开关a、同期开关c、直流启动电机电源开关d之间的连锁关系。第一进线开关b控制主泵v的启动与停止。电源母线/电磁飞轮同期仪表e为同期控制单元g提供相位差信号。机械飞轮u可以采用普通不锈钢制造。同步电机c可以是永磁式，也可以是自励式。同步电机c工频运行时的电压输出应与主泵工作电源一致或略高。
（1）系统启动
在同期开关c 分断状态下，合上直流启动电机电源开关d，启动控制单元h依据电磁飞轮出口频率仪表f检测到的参数控制机械飞轮u转速提升。当达到额定转速时，同期控制单元g控制同期开关c合闸，并同时分断直流启动电机电源开关d。此时，整个压水堆核电站主泵电磁飞轮作同步电动机空载运行。启动控制单元h采用调磁/调压结合的方式控制机械飞轮u的转速和转速变化率。
（2）系统热备用运行
在主泵v正常运行中，主泵电磁飞轮与电源同步运转，处于热备用状态。开关a、b、c处于合闸状态，开关d处于分断状态。无功指示仪表w监测同步电机s的无功输出，并在其无功输入/输出超出范围时发出警报。
（3）系统作发电机运行
当主泵v电源母线失电后，第二进线开关a分断。在冷却剂流道阻力作用下，主泵v转速将降低。在同步电机s定子磁场、转子磁场以及主泵v电机定子磁场、转子磁场的耦合作用下，电磁飞轮的转动动能传输给主泵v转子，主泵v转速与电磁飞轮转速同步缓慢下降。这个过程中，电磁飞轮所储存的转动动能将有效地延长主泵v的惰转时间，保证堆芯余热的安全导出。
（4）系统停役
当反应堆的运行状态允许时，由操作人员手动分断同期开关c, 并将其处于冷备用状态。在转动阻力的作用下，电磁飞轮轴系的转速将缓慢降低，直至停止。此时，可以对电磁飞轮系统作检查维护或故障处理。
（5）系统维护
本系统内各部件均为常规设备，无需特殊维护措施。
主泵电磁飞轮轴系为机械部件，可以安排2~3年的维护周期，主要是轴承的检查和维护，滑油检查更换。
同步电机s以及直流启动电机t可以安排每5~10年作一次检查维护，主要是检查定子线圈的绝缘，检查转子磁极的机械状态，检查直流启动电机t定子/转子线圈的绝缘。
同期控制单元g和启动控制单元h可由同一部工控计算机实现控制逻辑，在电站寿期内不需维护。其输出继电器以及输入传感器均为标准元器件，做常规维护，一般3~5年一次。
开关a、b、c、d和交流变压器k、整流器m、n也为标准设备，做常规维护。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了飞轮、轴系等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1. 一种压水堆核电站主泵电磁飞轮，包括机械飞轮，其特征在于，还包括同步电机、直流启动电机、启动控制单元、同期控制单元，所述同期控制单元连接有同期开关，所述机械飞轮与所述同步电机的转动轴及所述直流启动电机的转动轴机械连接，所述同步电机通过所述同期开关与主泵电机入口连接，所述启动控制单元连接所述直流启动电机和所述同步电机。
2.根据权利要求1所述的压水堆核电站主泵电磁飞轮，其特征在于，还包括交流变压器、整流电源，所述交流变压器的输入端和电源母线之间串联有一个直流启动电机电源开关，所述交流变压器的输出端通过所述整流电源与所述直流启动电机电连接，所述启动控制单元连接所述整流电源。
3.根据权利要求1或2所述的压水堆核电站主泵电磁飞轮，其特征在于，还包括无功指示仪表，所述无功指示仪表与同步电机电连接。
4.根据权利要求1或2所述的压水堆核电站主泵电磁飞轮，其特征在于，还包括内部环境为真空的外壳，所述同步电机、所述机械飞轮和所述同步电机都设置在外壳内。
5.根据权利要求1或2所述的压水堆核电站主泵电磁飞轮，其特征在于，所述启动控制单元通过电磁飞轮出口频率仪表连接所述同步电机。
6.根据权利要求1或2所述的压水堆核电站主泵电磁飞轮，其特征在于，所述主泵电机和电源母线之间串联有第一进线开关和第二进线开关，所述同期开关与所述主泵电机的连接点在所述第一进线开关和所述第二进线开关之间。
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