摘要：高溫氣冷堆具有第4代功能的先進反應堆。一迴路介質氦氣的循環風機主氦風機組整體內置於壓力容器的氦氣內，主氦風機採用電磁軸承為其轉子的支撐系統。高性能的能量回饋高壓變頻器應能滿足各種工況經濟地調節保護電磁軸承系統和長期可靠運行。
一、引言
通過變頻器調節電機轉速既滿足了設備的需要，也很大程度上節約了能量的浪費。風機、水泵的流量及壓力的調節，以往常常用擋板或閥門進行調節，例如要減少流量，增加擋板或閥門的阻力達到了調節的目的，然而此時很大一部分能量就消耗在擋板或閥門上。也可以用分流的方法進行調節，此時很大一部分能量就消耗在支路上。用變頻器調節風機或水泵轉速直接提高了經濟效益，也極大的減少了電動機由於啟、停造成的對電網衝擊，降低了對電機、電纜、電器的衝擊造成的損壞和停機，減少了運行費用，增加了設備的可靠性，提高了自動化水平，降低了勞動強度。
核反應堆，特別是大規模核電廠需要變頻器作為反應堆一迴路冷卻劑流量調節的最佳設備，例如壓水堆一迴路水的主泵高溫氣冷一迴路氦氣的主氦風機都通過變頻器調節驅動電機的轉速而改變主泵或主氦風機的流量。
二、高溫氣冷堆概述
高溫氣冷實驗反應堆是國家863計劃的重點項目，從研究設計到建成歷時１7年，總投資為2.75億元，工程包括了反應堆、蒸汽發電等34個系統。為了促進核能更大規模的發展，近幾年來美國能源部和國際核能專家提出了第四代核能系統的理念，其主要特徵是具有更好的經濟性和安全性，核廢物產生量最小化，核資源更有效利用，以及防止核擴散。有關專家認為，模塊式高溫氣冷堆具有第四代核反應堆特性，是能夠適應未來能源市場需要的先進堆型。除了安全性好，效率高，它還可以提供900攝氏度以上的高溫熱源，除了高效發電外，還可以用於水熱裂解制氫，為未來氫能時代提供清潔能源。
高溫氣冷堆由於其具有固有安全性，而成為具有第四代功能的先進反應堆。清華大學於10年前為我國建成10MW高溫氣冷堆實驗堆，當前我國正在建設200MW級模塊或高溫氣冷堆示範電站[1.2]。
高溫氣冷堆用氦氣作為反應堆一迴路的冷卻介質，氦氣流過堆芯，將核裂變產生的熱量載走，送到水蒸氣發生器，一方面使通過蒸汽發生器另一側的二迴路水變成水蒸氣到汽輪機發電；另一方面，高溫的氦氣得到冷卻。氦氣循環風機主氦風機驅動冷卻過的氦氣再送到堆芯加熱，達到兩個獨立循環迴路的共生利用，這樣氦氣迴路與蒸汽發電迴路就只有惰性氣體以及熱量的耦合連接，其它部分都是隔離的。
三、主氦氣循環風機
根據高溫氣冷堆的總體設計安排，主氦風機設計有以下特點：
（1）為解決轉軸氦氣密封問題，驅動電機與葉輪同軸，整體內至於壓力容器的氦氣內，所有動力線、控制線和信號線均通過電氣貫穿件接出；
（2）用電磁軸承系統支承轉子；
（3）風機為立式結構；
（4）被驅動電動機為三相感應鼠籠式非同步電動機，通過變頻器調節轉速；
（5）電機用流動的氦氣冷卻，由氦--水冷卻器冷卻氦氣。
（6）主氦風機的結構及驅動原理。
1、輔助葉輪 2、冷卻器 3、徑向、軸向輔助軸承 4、軸向電磁軸承 5、變頻器 6、徑向電磁軸承 7、電機定子繞組 8、徑向電磁軸承 9、徑向輔助軸承 10、葉輪 11、壓力容器 12、軸 13、電器里穿件 14、控制櫃
四、高溫氣冷堆對變頻的技術要求
4.1工況調節
高溫氣冷堆的工況調節是在三個能量形式轉變或能量轉換的裝置或設備里進行的，他們是堆芯蒸汽發生器和汽輪發電機。
(1)堆芯
能量形式轉變：核裂變核能變成為熱能。控制棒的不同位置調節核裂變強度，改變了熱能功率。流過堆芯的氦氣帶走熱風，為維持堆芯的溫度，流過的氦氣流量由主氦風機控制。
(2)蒸汽發生器
能量轉換：氦氣側的氦氣溫度由高變低的熱能轉換為水側低溫水變成高溫水蒸汽的人能。調節給水量，保持氦氣排出的溫度。
(3)汽輪發電機
能量形式轉變：熱能變為電能。輸入蒸汽機的蒸汽流量決定了發電機輸出的電功率。
高溫氣冷堆的正常功率運行，反應堆啟動和反應堆投入停堆的各種工況狀態都離不開主氦風機調節。風機的驅動電機轉速即葉輪轉速的改變調節了氦氣流量，要求調節範圍為額定轉速的30% ~ 105%。變頻器的輸出頻率調節了電機的轉速，也經濟地滿足了主氦風機流量的調節要求。
4.2電磁軸承系統保護
電磁軸承的基本原理是通過磁力將轉子懸浮起來，同時用電子線路進行控制，使轉子與定子間的間隙得到控制。
萬一出現電磁繞組失電或控制系統失效，轉子就突然跌落。為了防止電磁軸承或電機的損壞，設置了輔助軸承臨時作為支承。為減少高速衝擊造成的強烈的磨損、摩擦和發熱，電磁軸承系統、特別輔助軸承要求在此情況下電機應緊急制動，轉速在10秒內降到<20%額定轉速以下。為此能量回饋型矢量控制高壓變頻器滿足了這種要求。
在系統運行過程中需要考慮到所有可能發生的異常情況：變頻器故障、電網掉電、風機故障、磁懸浮軸承異常、核泄漏、反應堆異常等緊急情況時：
l發生變頻器故障時，可投入備用變頻器，不影響系統運行；
l如果電網與變頻器都正常，但發生其它緊急故障時，可控制變頻器快速制動並能量回饋，使電機在30秒內降速到20%的額定轉速；
風機不裝葉片時折算到電機轉子后的總的轉動慣量是200kg·m2，為保證設計裕度，估計加上葉片后的轉動慣量為600 kg·m2；
①確定減速曲線
設轉速從n1 降至n2（轉速從4000 r/min(4200)降到800r/min(840)）,要求在td 時間內完成（td=30S），則dt=30s；dш=(4000-800)*2pai/60=335rad/s；(max,dш=(4200-840)*2pai/60=352rad/s)；
② 計算所需制動轉矩
電機額定轉矩TN=4500*103w/418 rad/s =10.75kN·m ；
(max,TN=4800*103w/440 rad/s =10.90kN·m) ；
200 kg·m2*dш/dt=200*335/30=2.78 kN·m ；
(max,200kg·m2*dш/dt=200*352/30=2.346 kN·m ) ；
即只需要10秒左右即可將電機轉速降到20%的額定轉速 ；
如果轉動慣量按照600 kg·m2 計算，
600 kg·m2* dш/dt=200*335/30=8.34 kN·m ；
(max,600 kg·m2*dш/dt=600*352/30=7.04 kN·m ) ；
即需要15秒左右將電機轉速降到20%的額定轉速，可實現快速制動的目的；
4.3長期運行可靠性
高溫氣冷堆要求長期可靠運行，已達到最大的電力輸出。反應堆的設計壽命原先定為40年，現規定為60年。反應堆還要求其各設備應有極低的停機率，例如主氦風機的非計劃停機規定為每堆年小於1次。在此壽期內變頻器應能滿足這些需求，包括：
(1)變頻器應有長期的無故障連續運行周期；
(2)變頻器的零部件、組件和線路應有足夠的冗餘量，在故障出現時除了標明故障的具體的位置和情況，還能自行將冗件取代故障件而不影響正常運行；
(3)變頻器的零部件、組件和線路應有足夠長時間可靠性；
(4)變頻器應具有運行參數的自行檢測、 輸和處理。反應堆的中央控制台及變頻器設備均具有變頻器的全套參數，又各自具有處理許可權。
五、結論
高溫氣冷堆的先進性要求相應的主氦風機—電機機組所配用的變頻器能滿足各種工況下經濟地調節， 能保護電磁軸承系統、能長期可靠運行。高性能的能量回饋型高壓變頻器被認為是可行的。
參考文獻
[1] 周惠忠，湯全法。HTR-PM主氦風機設計研究[C]。中國核能動力分會年會，2007昆明130~133。
[2] 周惠忠，王捷，湯全法。主氦循環風機的設計、試驗和運行[J]，核動力工程，2004.2 (1):54~58。
