通過分析壓水堆核電站二回路熱工參數(shù)控制要求以及電動定速給水泵、電動調(diào)速給水泵和汽動調(diào)速給水泵的運行特性，從建造、維修、運行經(jīng)濟(jì)性的觀點出發(fā)，探討壓水堆核電站主給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式與給水泵選擇方案，并提出了的壓水堆核電站選擇主給水泵配置方案優(yōu)先次序的建議。
我國大陸在役和在建的核電站有6座，11臺機(jī)組，總裝機(jī)容量8700MW。在其中的5座壓水堆核電站中，主給水泵型式和配置各異。大亞灣與嶺澳核電站采用2臺50%（指額定給水流量，下同）汽動泵加1臺50%備用電動調(diào)速泵，秦山一期采用3臺50%電動定速泵，秦山二期采用3臺50%電動調(diào)速泵，田灣核電站采用5臺25%電動定速泵。國外壓水堆核電站主給水泵選型配置方式也不盡相同，各國有各國的風(fēng)格和習(xí)慣，但趨勢越來越傾向于電動給水泵。盡管不同型式和不同配置的主給水泵系統(tǒng)都能滿足核電站的安全與功能要求，但作為核電站常規(guī)島zui重要的輔機(jī)系統(tǒng)，其投資和運行維修的經(jīng)濟(jì)性是大不相同的。中國的核電發(fā)展在面臨著機(jī)遇（2020年裝機(jī)容量要達(dá)到36～40GW）的同時，也面臨著實現(xiàn)國家要求的自主設(shè)計、自主制造、自主建設(shè)、自主運營以及降低工程造價和上網(wǎng)電價、參與市場競爭的巨大挑戰(zhàn)。因此，按照壓水堆核電站主給水系統(tǒng)運行要求分析不同類型給水泵運行特性，確定壓水堆核電站主給水泵*型式和配置方案，對實現(xiàn)我國壓水堆核電站自主設(shè)計、降低核電站的造價是非常必要的。
1、主給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式
壓水堆核電站主給水系統(tǒng)的主要功能是將溫度、壓力和水質(zhì)合格的給水送到蒸汽發(fā)生器，并利用給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能將蒸汽發(fā)生器水位維持在給定范圍，它是保證核島安全運行和汽水品質(zhì)的重要熱工系統(tǒng)。與常規(guī)電站一樣，壓水堆核電站主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)也有兩類，即定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，兩種給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)在較高負(fù)荷下（大于15%～20%）采用三沖量調(diào)節(jié)控制的原則。在低負(fù)荷下由于蒸汽參數(shù)低，負(fù)荷變化小，蒸汽發(fā)生器假水位現(xiàn)象不太嚴(yán)重，維持給定水位的要求不太高，加之蒸汽流量和給水流量小而很難準(zhǔn)確測量等原因，所以低負(fù)荷下給水采用單沖量旁路調(diào)節(jié)控制方法。
1.1、定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)
定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是zui簡單的一種給水調(diào)節(jié)控制方式。其實質(zhì)是給水泵特性曲線保持不變，通過調(diào)整給水閥門開度方式來改變給水管路流動阻力損失，即改變給水管路特性曲線來改變給水泵工作點。給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小，管路阻力特性曲線由R1改變到R2，給水泵工作點由1改變到2，使給水流量從Q1減小到Q2，實現(xiàn)調(diào)節(jié)給水流量和蒸汽發(fā)生器水位的目的。
1.2、變速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)
變速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在給水管道阻力特性曲線給定（或基本恒定）的情況下通過改變給水泵轉(zhuǎn)速來改變給水泵特性曲線，實現(xiàn)調(diào)節(jié)給水流量、控制蒸汽發(fā)生器水位的目的。給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將給水泵組轉(zhuǎn)速從n1調(diào)整到n2，給水泵特性曲線將從Q–H1改變到Q–H2，在給定給水管路阻力特性曲線（此處為恒定值）的情況下，
變速給水泵原動機(jī)主要有小汽輪機(jī)和電動機(jī)兩種方式。
汽動給水泵由小汽輪機(jī)驅(qū)動，小汽輪機(jī)接受給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量或轉(zhuǎn)速需求信號，并通過小汽輪機(jī)進(jìn)汽流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速。正常運行情況下小汽輪機(jī)進(jìn)汽來自主汽輪機(jī)抽汽，低負(fù)荷工況下來自反應(yīng)堆新蒸汽。當(dāng)主汽輪機(jī)負(fù)荷增加時，供小汽輪機(jī)的抽汽壓力也相應(yīng)提高，在調(diào)門開度變化不大的情況下汽動泵出力會自動增加，因此汽動給水泵給水流量控制有一定的自衡能力。
電動調(diào)速給水泵通過裝在電機(jī)和給水泵之間的液力耦合器調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速。液力耦合器接受給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量或轉(zhuǎn)速需求信號，并通過勺管控制機(jī)構(gòu)改變液力耦合器充油量來調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速。由于液力耦合器只能減速，因此在耦合器之前需要用齒輪增速器將轉(zhuǎn)速事先提高到上限值。
上世紀(jì)80年代以來，的工業(yè)國家特別是美國已逐步將變頻調(diào)速電機(jī)用于大型電站變速給水泵（給水泵功率在4～20MW），但我國在此方面仍處于起步階段。
1.3、壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器壓力控制要求
常規(guī)電站鍋爐受熱面?zhèn)鳠釡夭罡哌_(dá)數(shù)，鍋爐設(shè)計不受太嚴(yán)格的體積限制，更沒有核安全的特殊要求，熱工設(shè)計自由度大，因此可以按定壓（主蒸汽壓力基本維持不便）運行方式設(shè)計，也可按滑壓（主蒸汽壓力隨著負(fù)荷的增大而提高）
壓水堆核電站則不然，其一回路受壓水溫度（可看作常規(guī)鍋爐的爐膛溫度）低，二回路蒸汽始終處于非過熱狀態(tài)，一、二回路間傳熱溫差小，對數(shù)平均溫差大約只有50℃多，且布置在空間有限的水泥安全殼內(nèi)。為滿足核安全的嚴(yán)格要求，熱工設(shè)計的自由度非常有限。在熱停堆狀態(tài)下，反應(yīng)堆輸出功率接近零，反應(yīng)堆一、二回路間基本沒有溫差，反應(yīng)堆芯進(jìn)出口也沒有溫差，即一回路平均溫度與二回路蒸汽溫度基本相同。當(dāng)二回路負(fù)荷增加，為保證蒸汽發(fā)生器換熱面熱傳導(dǎo)正常進(jìn)行，一回路平均溫度必須提高或二回路蒸汽壓力必須降低。如果二回路蒸汽壓力（溫度）保持不變，一回路平均溫度必須保持足夠大，以便保證一、二回路間合適的對數(shù)平均溫差。
然而，一回路平均溫度的過度增大，會給整個核島安全設(shè)計帶來一系列問題。首先，一回路平均溫度提高后，穩(wěn)壓器的容積必須增大。穩(wěn)壓器容積的增大將直接導(dǎo)致一回路水裝量的增加，即一回路大破口事故下一回路冷卻劑總汽化潛熱的增加。為保證一回路大破口事故下壓水堆核電站的高度安全，其安全殼容積必須相應(yīng)增大，這在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是不可行的。
為避免以上問題，目前在成熟的壓水堆設(shè)計中對一回路平均溫度變化幅度都作出了限制（M310型反應(yīng)堆平均溫度變化范圍不大于20℃）。這樣，在保證核安全要求的前提下，為維持一、二回路間的正常熱功率傳遞，二回路蒸汽壓力或溫度必須按要求隨負(fù)荷的增加而降低（圖5的B-C線或B-G-C線），此時給水泵出口壓力維持基本恒定。
2、各種給水泵配置方式的經(jīng)濟(jì)性分析
2.1、電動調(diào)速給水泵與汽動調(diào)速給水泵
容量相同時，電動調(diào)速給水泵與汽動調(diào)速給水泵主要區(qū)別在于原動機(jī)形式不同，能源輸入方式不同以及調(diào)速方式不同。假定在調(diào)速范圍方面兩種給水泵都能滿足給水調(diào)節(jié)要求，那么兩種調(diào)速方式的給水泵經(jīng)濟(jì)性差異主要表現(xiàn)在投資、運行和維修方面。
2.1.1、運行經(jīng)濟(jì)性分析
假定能量傳輸?shù)钠瘘c為向小汽輪機(jī)供汽的主汽輪機(jī)抽汽點（見圖6）。那么汽動調(diào)速給水泵能源傳輸轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)有從抽汽點到小汽輪機(jī)進(jìn)汽口的抽汽管道、小汽輪機(jī)通流部分熱—機(jī)轉(zhuǎn)換過程和前置泵減速機(jī)構(gòu)。電動調(diào)速給水泵能源傳輸轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主要有主機(jī)抽汽點之后通流部分熱—機(jī)轉(zhuǎn)換過程、發(fā)電機(jī)機(jī)—電轉(zhuǎn)換過程、廠用變壓器、開關(guān)電纜、電動機(jī)電—機(jī)轉(zhuǎn)換過程、液力耦合器及其增速機(jī)構(gòu)或電動機(jī)變頻系統(tǒng)。由于小汽輪機(jī)供汽管道和開關(guān)電纜損失相對較小，此處不計入分析對比因素之列。
當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組總功率N相同，采用汽動調(diào)速給水泵與采用電動調(diào)速給水泵相比使機(jī)組功率增加△Nn為正值時，表明采用汽動調(diào)速給水泵在運行方面是經(jīng)濟(jì)的，反之則表明采用電動調(diào)速給水泵在運行方面是經(jīng)濟(jì)的。其得益程度可作如下推導(dǎo)：
采用汽動調(diào)速給水泵時機(jī)組輸出凈功率N1為：
N1=N－△N
△N=DexHηiηe
式中：
Dex：小汽輪機(jī)進(jìn)汽量；
H：主汽輪機(jī)抽汽點下游絕熱焓降；
ηi：主汽輪機(jī)抽汽點下游相對內(nèi)效率；
ηe：主汽輪機(jī)機(jī)械效率。
采用電動調(diào)速給水泵時機(jī)組輸出凈功率N2為機(jī)組總功率N與電動調(diào)速給水泵耗功NM之差：
N2=N－NM
NM=NTηd=NTηgηtηeηmηwηf
式中：
NT為小汽輪機(jī)軸功率；
NT=DexHηipηep=NMηd
ηg：發(fā)電機(jī)效率；
ηt：廠用降壓變壓器效率；
ηm：電動機(jī)效率；
ηw：升速齒輪機(jī)構(gòu)效率；
ηf：液力耦合器效率；
ηip：小汽輪機(jī)相對內(nèi)效率；
ηep：小汽輪機(jī)機(jī)械效率。

采用汽動調(diào)速給水泵較之采用電動調(diào)速給水泵配置方式的得益程度為：
△Nn=N1－N2=NTηd－△N或
△NnN=NTN（1ηd－△NNT）
=NTN（1ηd－ηiηeηipηep）
由此可見，只要1ηd>ηiηeηipηep就可得益。
以某百萬千瓦級壓水堆核電機(jī)組為例：
小汽輪機(jī)功率NT=2×7.961MW；
主汽輪機(jī)抽汽點下游相對內(nèi)效率ηi=83.3%；
小汽輪機(jī)相對內(nèi)效率ηip=70.7%；
發(fā)電機(jī)效率ηg=98.79%；
廠用降壓變壓器效率ηt=99.3%；
電動機(jī)效率ηm=96.9%；
主汽輪機(jī)機(jī)械效率ηe=99.6%；
小汽輪機(jī)機(jī)械效率ηep=99%；
升速齒輪機(jī)構(gòu)效率ηw=96.5%；
液力耦合器效率ηf=92.6%；
代入上式得：
△NnN=2×7.9611000×（10.846－0.833×0.9960.707×0.99）
=－0.0053%或
△Nn=－0.053MW
若考慮汽動調(diào)速給水前置泵齒輪減速機(jī)構(gòu)0.102MW的機(jī)械損失，那么汽動調(diào)速給水泵配置方式與電動液力耦合器調(diào)速泵相比凈損益0.155MW。也就是說，汽動調(diào)速給水泵配置方式與電動液力耦合器調(diào)速泵相比在運行上并不經(jīng)濟(jì)。
我們知道，若采用調(diào)頻電機(jī)，可以*消除液力耦合器增速齒輪的機(jī)械損失，僅須考慮大約3%的變頻損失（即升速齒輪機(jī)構(gòu)和液力耦合器兩項合并效率換成為97%的變頻器效率）。此時
△NnN=2×7.9611000×（10.918－0.833×0.9960.707×0.99）
=－0.153%或
△Nn=－1.53MW
也就是說，與變頻電機(jī)調(diào)速給水泵相比，汽動調(diào)速給水泵凈損益1.53MW。
早期大容量全速汽輪機(jī)由于受到末級長葉片長度以及軸系長度的限制，分流一部分低壓蒸汽用于給水泵小汽輪機(jī)，在某種程度上可以緩解主機(jī)排汽面積不足的壓力，降低排汽余速損失。加之早期液力耦合器制造技術(shù)不成熟等因素，200MW以上容量常規(guī)火電機(jī)組一般采用汽動調(diào)速給水泵配置，尤其在北方冷卻水溫較低的地區(qū)，主汽輪機(jī)低壓缸排汽容積流量相對較大，采用汽動給水泵配置的作用更加明顯。大亞灣和嶺澳一期4臺百萬千瓦級核電機(jī)組之所以選擇兩汽加一電的給水泵配置方式，一個主要原因是受到當(dāng)時發(fā)電機(jī)容量的限制。隨著發(fā)電設(shè)備制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，這些因素已不是主要問題，尤其對大容量半速汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組，葉片長度或排汽面積已不構(gòu)成必須選擇汽動給水泵配置方案的主要因素。
2.1.2、投資經(jīng)濟(jì)性分析
在給水泵本身基礎(chǔ)上，電動給水泵投資費用增加項主要有電動機(jī)、液力耦合器（包括齒輪增速機(jī)構(gòu)）或變頻系統(tǒng)、電機(jī)潤滑系統(tǒng)、開關(guān)柜與電纜等。汽動給水泵投資費用增加項主要有小汽輪機(jī)及相關(guān)閥門、抽汽管道、調(diào)節(jié)潤滑油系統(tǒng)、前置泵減速機(jī)構(gòu)、小汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)、疏水放汽系統(tǒng)以及小汽輪機(jī)排汽管道等。
經(jīng)對嶺澳核電站一期百萬千瓦級核電機(jī)組汽動調(diào)速給水泵與帶液力耦合器的電動調(diào)速給水泵系統(tǒng)的設(shè)備材料價格分項進(jìn)行累計分析，發(fā)現(xiàn)汽動調(diào)速給水泵投資費用高出電動調(diào)速給水泵投資費用70%。如果再考慮機(jī)組汽動給水泵及其相關(guān)系統(tǒng)占地面積大約是電動給水泵的2倍、占用空間高度至少是電動給水泵的3倍的因素，那么汽動調(diào)速給水泵投資費用比電動調(diào)速給水泵投資費用可能高出98%以上。
筆者雖沒有獲得有關(guān)變頻系統(tǒng)的成本信息，但根據(jù)有關(guān)報道，在美國即使考慮變頻系統(tǒng)的費用，汽動調(diào)速給水泵投資費用一般比電動調(diào)速給水泵投資費用高98%以上。這足以證明汽動給水泵與電動給水泵相比投資經(jīng)濟(jì)性低得多。
2.1.3、維修經(jīng)濟(jì)性分析
仍以嶺澳核電站一期百萬千瓦級核電機(jī)組為例，電動給水泵除泵本身外，主要設(shè)備是電動機(jī)以及液力耦合器，另加一個非常簡單的潤滑油冷卻系統(tǒng)（無固定式潤滑油凈化系統(tǒng)）。而汽動給水泵除泵本身設(shè)備外，還有小汽輪機(jī)、前置泵減速機(jī)構(gòu)、潤滑油系統(tǒng)、小汽輪機(jī)疏水放汽系統(tǒng)、小機(jī)汽封系統(tǒng)、甚至還有盤車系統(tǒng)（后取消），就像一個小型電站。尤其是疏水系統(tǒng)和潤滑油冷卻過濾系統(tǒng)具有相當(dāng)規(guī)模，并配備了相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，與主汽輪機(jī)相比麻雀雖小五臟俱全，與電動給水泵相比無疑大大增加了維修工作量、備件備品以及消耗品的數(shù)量。另外小汽輪機(jī)還需定期（大約4年一次）開缸檢查通流部分狀態(tài)。據(jù)報道，歐美變速電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的年維修費用僅為同容量蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)年維修成本的25%左右。
2.2、電動調(diào)速給水泵與電動定速給水泵
2.2.1、運行經(jīng)濟(jì)性分析
對于大型常規(guī)鍋爐，不管是定壓運行還是滑壓運行，如果采用定速給水調(diào)節(jié)方式，在低負(fù)荷下均不同程度地引起較大節(jié)流損失量△Np：
△Np=ρQ2（H2－H3）ηp
式中：
ρ為給水密度；
Q2為工況點2的給水流量；
H2為工況點2的水泵揚(yáng)程；
H3為工況點2扣除流量調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失后的給水泵揚(yáng)程；
ηp為給水泵效率。
另外，在低流量下給水泵遠(yuǎn)離*工作點，給水泵效率將大大降低。也就是說，對大型火電機(jī)組，采用定速給水調(diào)節(jié)方式的運行不經(jīng)濟(jì)已是*的事實。但是，對核電機(jī)組來說情況則不盡然。由于上文所述壓水堆核電站主蒸汽參數(shù)的特殊要求，給水調(diào)節(jié)閥前壓力一般隨負(fù)荷變化不大。這樣，只要能使給水泵特性曲線在負(fù)荷范圍內(nèi)保持平坦，就可在基本不節(jié)流的情況下實現(xiàn)定速給水泵的流量調(diào)節(jié)。
上述目標(biāo)可以通過多臺低容量給水泵并聯(lián)運行來實現(xiàn)。根據(jù)水泵運行理論，多臺給水泵并聯(lián)運行時，只要在壓力相同的條件下將并聯(lián)運行的各泵流量相加即可繪制出多泵運行特性曲線。圖7中的P3線為2臺等容量定速給水泵并列后的運行特性曲線。從中可以看出多泵并聯(lián)運行后的特性曲線變得較為平坦。如果采用4～5臺低容量給水泵并聯(lián)運行（田灣核電站給水泵配置方式），該曲線會更趨于平坦。由于每臺給水泵容量較小，可按照機(jī)組不同負(fù)荷的需要依次投入，因此每臺泵都能在其*效率點運行，也就是說，在一定負(fù)荷范圍內(nèi)各泵都能處于*效率點。
對于1臺98%容量甚至2臺50%容量定速給水泵配置方式，實現(xiàn)上述目標(biāo)是很困難的，其主要原因有：
（1）單泵或雙泵配置易造成給水泵低負(fù)荷下因特性曲線過于平坦引起的給水系統(tǒng)流動不穩(wěn)定性，嚴(yán)重時會引起管道流致振動。嶺澳核電站一期在調(diào)試期間曾遇到過此類問題，后經(jīng)給水泵zui小流量再循環(huán)系統(tǒng)加倍擴(kuò)容（由約36%提高到約72%）改造才得以解決。
（2）在機(jī)組部分負(fù)荷下，單泵或雙泵配置容易使給水泵在部分負(fù)荷運行，進(jìn)而使給水泵運行效率降低。
理論上，單臺泵容量越小，并聯(lián)泵臺數(shù)越多，98%負(fù)荷范圍內(nèi)的并聯(lián)特性曲線越平坦。但并聯(lián)泵臺數(shù)過多，單臺設(shè)備的容量系數(shù)將起作用，在此情況下，多臺定速給水泵配置總投資將會增加。目前在役、在建或供應(yīng)商對新工程建議的采用定速給水調(diào)節(jié)方案的壓水堆核電站電動泵配置方案有5臺25%，4臺33.3%。
此外，多泵并聯(lián)運行還降低了單泵跳閘對蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)帶來的沖擊，減少了蒸汽發(fā)生器因低—低水位跳閘停堆的風(fēng)險，增加了反應(yīng)堆運行的安全性。
以上分析表明，如果選型得當(dāng)，壓水堆核電站采用多臺電動定速給水泵并聯(lián)運行的配置方式，可以基本實現(xiàn)無節(jié)流損失的給水流量調(diào)節(jié)，省掉了調(diào)速機(jī)構(gòu)，提高了運行的可靠性，避免了大約8%的液力耦合器能量損失或大約3%的變頻系統(tǒng)的能量損失，因此對壓水堆核電機(jī)組可以說是一種比較理想和比較經(jīng)濟(jì)的給水泵配置方案。
2.2.2、投資
由于定速給水泵沒有電動調(diào)速給水泵液力耦合器或變頻器一類的設(shè)備，所以可進(jìn)一步降低設(shè)備費。以嶺澳核電站一期百萬千瓦級核電機(jī)組為例，取消液力聯(lián)軸器大約可降低電動給水泵10%的費用。
2.2.3、維修經(jīng)濟(jì)性分析
若采用定速電動給水泵配置方案，系統(tǒng)更加簡單，布置上更加靈活，維修費用可進(jìn)一步降低。
2.2.4、國產(chǎn)化
按照目前國內(nèi)核電設(shè)備制造廠的經(jīng)驗和現(xiàn)狀，百萬千瓦級核電機(jī)組給水泵組中的小汽輪機(jī)、給水泵、液力耦合器、10MW容量級電動機(jī)、大容量變頻裝置在國內(nèi)采購還有一定難度。若采用多臺定速電動給水泵的配置方案，給水泵和驅(qū)動電機(jī)的生產(chǎn)均在國內(nèi)發(fā)電設(shè)備制造廠的能力范圍，因此可輕易實現(xiàn)核電站主給水泵設(shè)備的國產(chǎn)化，進(jìn)一步降低設(shè)備投資費用。
3、結(jié)論
綜上所述，按照壓水堆核電站安全運行的特點，從投資、運行和維修角度分析表明，壓水堆核電站主給水泵配置方案的選擇順序依次應(yīng)為：多臺電動定速給水泵、變頻調(diào)速電動給水泵（3臺50%）、帶液力耦合器的電動調(diào)速給水泵（3臺50%）、汽動調(diào)速給水泵。考慮到變頻調(diào)速電動給水泵配置方式還從未在大型核電站應(yīng)用過，因此今后一段時間我國壓水堆核電站主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)選擇多臺電動定速給水泵配置方案或帶液力耦合器的電動調(diào)速給水泵（3臺50%）配置方案為宜。