CPR1000核電汽輪發(fā)電機單流環(huán)密封油系統(tǒng)問題分析與處理

蘇磊,李松海,王安平,徐寅超

（中廣核工程有限公司，廣東深圳 518124）

0 引 言

目前國內(nèi)已建成和在建CPR1000核電工程項目中，部分汽輪發(fā)電機組采用單流環(huán)密封油系統(tǒng)，如嶺澳二期、紅沿河一期、寧德一期和福清一期核電工程等。單流環(huán)密封油系統(tǒng)結構和流程相對簡單，但因此設備冗余性下降，一旦某一環(huán)節(jié)發(fā)生問題，會引起非常嚴重的后果。在實際調(diào)試、運行和檢修過程中，發(fā)現(xiàn)較多問題，嚴重影響機組正常調(diào)試和安全穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)簡介

發(fā)電機密封油系統(tǒng)（系統(tǒng)編碼GHE，下同）的主要作用是：1）向發(fā)電機前、后端密封瓦提供合適壓力和溫度的密封油，防止發(fā)電機內(nèi)的氫氣從機軸與機殼之間環(huán)形間隙處向外泄漏，以保證發(fā)電機帶負荷運行時的氫氣壓力在要求值范圍；2）阻止外界空氣向發(fā)電機內(nèi)侵入，以保證發(fā)電機內(nèi)的氫氣純度[1-4]。

圖1 單流環(huán)密封油流程簡圖

以寧德核電站一期工程單流環(huán)密封油系統(tǒng)為例。系統(tǒng)主要由密封油泵、密封瓦、油氫壓差閥、真空泵、排煙風機、進出口過濾器、真空油箱、浮子油箱和擴容油箱等設備構成。密封油系統(tǒng)有2路油源：一路來自汽輪機潤滑、頂軸和盤車系統(tǒng)（系統(tǒng)編碼GGR，下同）潤滑油母管，另一路來自GHE系統(tǒng)內(nèi)的擴容油箱。單流環(huán)密封油系統(tǒng)正常運行時，密封油經(jīng)過入口過濾器，進入真空油箱，經(jīng)真空泵抽真空除氣后，由主密封油泵加壓經(jīng)過出口過濾器，再經(jīng)過壓差調(diào)節(jié)閥調(diào)至正常壓力后輸送至密封瓦，之后空側密封油回GGR主油箱，氫側密封油經(jīng)擴容后進入浮子油箱，最終進入擴容油箱。系統(tǒng)還配備一臺可由柴油機帶載的應急交流油泵和一臺由不間斷直流電源供電的事故直流密封油泵作為備用，充分保證系統(tǒng)可靠性[5]。其系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。

密封瓦位于軸承和內(nèi)油擋之間，它包括了一個密封座，密封座內(nèi)圓有環(huán)形腔以容納2個密封環(huán)。每個密封環(huán)由4瓣組成，用2個彈簧定位，讓它適應軸通過臨界轉速時的振動。壓力油通入密封環(huán)的油溝內(nèi)，再通過兩個環(huán)間的間隙，沿軸面從兩個相反方向排出，即進入發(fā)電機的氫氣側和進入軸承腔的空氣側。經(jīng)過外部密封油系統(tǒng)處理的油被油泵打入密封座的中部，其壓力比機內(nèi)氫氣壓力高50 kPa。油被強迫進入密封環(huán)和軸之間的徑向間隙而起到了密封作用，保證了機內(nèi)氫氣不會外泄，機外空氣也不會進入機內(nèi)[6]。其結構簡圖如圖2所示。

2 常見問題分析與處理

2.1 靜壓未作修正

密封油油氫壓差設計值50 kPa是指密封瓦中分面的油壓與發(fā)電機內(nèi)部氣體壓力的差值。因密封油油氫壓差的取樣位置及儀表安裝位置與設計有差異，因此需要進行靜壓修正。

密封油系統(tǒng)主要設備布置在6.2 m，發(fā)電機位于16.2 m，油氫壓差閥出口與發(fā)電機密封油進口法蘭存在高差，靜壓修正P1約80 kPa；密封瓦為環(huán)形結構，發(fā)電機密封油進口法蘭位于密封瓦底部，進口法蘭與密封瓦中分面存在高差2 m，取發(fā)電機端蓋中分面為參考點，靜壓修正P2約15 kPa；發(fā)電機內(nèi)壓力記為P0，油氫壓差正常約50 kPa，記為P3，則密封油系統(tǒng)正常運行時，理論壓力P=P0+P1+P2+P3。若系統(tǒng)在調(diào)試階段未考慮到上述靜壓修正，系統(tǒng)運行時壓力低于計算值P，則可能會導致不能密封或密封效果差。在進行壓力修正時，需注意對油氫壓差相關的所有儀器儀表進行遷移。

2.2 油氫壓差引壓管線未充油排氣或充油排氣不充分

單流環(huán)密封油系統(tǒng)油氫壓差取樣管線分別取自位于16.2 m平臺的密封油供油管和氫側回油管，管徑較細（DN15），現(xiàn)場布置彎頭較多，整體管線很長，導致管線內(nèi)很難充滿密封油。特別在系統(tǒng)調(diào)試首次啟動或大修后投運系統(tǒng)時，由于發(fā)電機內(nèi)無氣壓，轉子也處于靜止狀態(tài)，密封油流量較小，此時完全依靠重力充油，氣側引壓管線很難注滿。

圖2 密封瓦結構簡圖

為解決此問題，在系統(tǒng)首次啟動時，可將油氫壓差閥GHE027VH前后隔離閥關閉，緩慢打開旁路閥，使出口壓力與系統(tǒng)所需壓力一致，即P=P0+P1+P2+P3。快速打開油氫壓差變送器的平衡閥，采取從高壓側經(jīng)過平衡閥直接對低壓側進行充油排氣，每次充油控制在5 s左右，可重復操作多次。重新投運油氫壓差閥后，觀察密封油出口壓力和理論值進行比較，若出口壓力與理論值一致，則視為充油排氣充分。

2.3 密封油泵出口壓力偏低

當機組處于停機狀態(tài)時，密封油系統(tǒng)運行所需的流量非常小，但當發(fā)電機壓力開始上升，汽輪發(fā)電機轉速開始上升后，密封油流量會迅速增加[7]。在此過程中，隨著流量的不斷增大，泵出口壓力會逐漸降低，當壓力降至0.6 MPa時會跳泵，若2臺交流密封油泵都因出口壓力降低引發(fā)跳泵時，直流油泵啟動，若此時直流油泵出口壓力依然過低，則會直接跳機甚至會引起泵損壞及密封瓦磨損情況，同時有氫氣泄漏風險[8]。按照GHE運行文件規(guī)定，密封油泵通過泵出口安全閥整定至額定壓力后，在系統(tǒng)啟動機機組升速、升負荷階段，必須定期檢查泵出口壓力是否為額定壓力，否則需通過調(diào)節(jié)旁路閥來提高泵出口壓力。在降速、降負荷階段，也需定期檢查泵出口壓力，避免泵壓力過高導致系統(tǒng)超壓。

根據(jù)密封油泵出口旁路閥運行與維護手冊中資料，油泵出口安全閥及旁路閥共用一個閥芯，如圖3所示。運行程序中的方法是通過調(diào)整彈簧緊力來調(diào)整閥門出口壓力，再根據(jù)實際工況通過調(diào)節(jié)旁路閥開度來調(diào)整旁路流量大小，進而起到調(diào)整泵出口壓力、流量的效果。

為避免反復操作，在調(diào)試階段優(yōu)化了調(diào)試方案，完全關閉泵出口旁路閥，使用泵出口安全閥來調(diào)整泵壓力和流量。由于系統(tǒng)正式恢復后，系統(tǒng)接到密封瓦上，在未沖轉時若進入密封瓦的密封油流量過大，將會直接導致發(fā)電機進油，因此選擇在系統(tǒng)沖洗階段，將密封瓦用臨時沖洗短接管旁路，可避免試驗過程中出現(xiàn)發(fā)電機進油情況。在密封油系統(tǒng)出口管道架設超聲波流量計，監(jiān)視系統(tǒng)流量。根據(jù)流量來通過安全閥整定泵出口壓力，要求泵出口壓力為額定壓力時，系統(tǒng)流量不小于7.2 m3/h。通過以上方式，可避免油泵在機組啟動后出現(xiàn)壓力偏低的情況。

2.4 密封油泵出口逆止閥不嚴

圖3 旁路閥結構圖

單流環(huán)密封油系統(tǒng)每臺密封油泵出口均配有一個逆止閥，若逆止閥出現(xiàn)不嚴問題，則可能會導致油泵意外跳泵、油氫壓差降低、跑油和跳機事故[9]。某機組在調(diào)試和運行階段，曾發(fā)生2次逆止閥不嚴問題。調(diào)試期間由于主密封油泵逆止閥不嚴，導致事故交流油泵啟動后，密封油從逆止閥倒灌入真空油箱，再從真空油箱返至真空油泵處，最終發(fā)生漏油；機組運行階段，在主密封油泵維修后重新投入的過程中，由于逆止閥不嚴，導致油氫壓差低進而引發(fā)意外跳機事件。

由于單流環(huán)密封油系統(tǒng)為廠家整體組件供貨，現(xiàn)場實施逆止閥拆卸檢查存在一定困難，且在回裝過程中會引入墊片裝偏等新的風險，因此需要采取其他方式驗證逆止閥可靠性。在現(xiàn)場調(diào)試過程中，可采取以下方式進行檢驗：密封油首次進油采用通過GGR潤滑油母管注油的方式進行，在系統(tǒng)首次進油前，關閉泵出口隔離閥，在管道中充滿油后，逐個打開泵出口隔離閥，檢查泵出口壓力表是否有上漲趨勢，同時觀察泵是否出現(xiàn)倒轉情況，以此來判斷逆止閥是否可靠。

2.5 主密封油泵汽蝕

主密封油泵在調(diào)試階段，曾多次出現(xiàn)汽蝕振動大的情況，導致主密封油泵不可用。從設備的EOMM文件中可以查到，主密封油泵GHE101PO設計吸入壓力最低為-0.08 MPa，其設計油溫為50℃。系統(tǒng)正常運行時，001 CW設計絕對壓力需低于20 kPa，一般調(diào)至10～15 kPa，根據(jù)設備實際布置高度進行測算，其設計氣蝕余量偏低。由于泵入口隔離閥為蝶閥，即使在閥門全開的情況下仍存在較大的壓力損失，同時潤滑油在低溫情況下本身黏度較大，總體沿程損失較大，容易發(fā)生汽蝕的情況，導致泵產(chǎn)生劇烈振動并發(fā)出噪聲。此外，潤滑油低溫時氣體溶解量較大，易加劇汽蝕現(xiàn)象[10]。從以上可以看出，泵設計汽蝕余量較小，在低溫情況下易發(fā)生汽蝕，而密封油本身未設計加熱裝置，對系統(tǒng)調(diào)試啟動造成影響。

為解決此問題，現(xiàn)場一般采取臨時方法提高油溫，減小黏度的同時減小氣體溶解量，進而減小發(fā)生汽蝕的概率。GHE101PO啟動后，逐漸關小泵出口閥門GHE104VH，真空油箱001CW內(nèi)潤滑油經(jīng)GHE101PO加壓后，通過旁路安全閥GHE102VH回到真空油箱內(nèi)，即通過泵來對真空油箱內(nèi)潤滑油進行循環(huán)加熱。在油溫升高之前，若仍出現(xiàn)劇烈汽蝕現(xiàn)象，應立即停泵。一般經(jīng)反復操作2～3次即可提高油溫至40℃以上，基本滿足設備運行條件，不再發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

2.6 過渡環(huán)漏氣

單流環(huán)密封油系統(tǒng)中，勵磁機側密封瓦通過過渡環(huán)與發(fā)電機定子連接。過渡環(huán)本身設計有密封結構，以防止外端蓋與密封瓦間的氫氣外泄，若存在氫氣泄漏，將會產(chǎn)生嚴重的安全事故。在密封瓦安裝階段，若密封瓦或過渡環(huán)等設備本身有質(zhì)量缺陷，或安裝存在問題，則將會直接影響到氣密試驗結果，甚至產(chǎn)生重大的安全事故[11]。

在某臺機組整體氣密試驗期間，氣密試驗結果不合格，后發(fā)現(xiàn)勵端過渡環(huán)與密封瓦結合處局部有氣泡和油噴出，漏氣較嚴重。拆卸密封瓦后進行檢查，發(fā)現(xiàn)過渡環(huán)上金屬凸臺與絕緣板表面不平整，部分絕緣板高于凸臺，導致密封條無法完全壓緊并良好接觸金屬凸臺。此外，還發(fā)現(xiàn)過渡環(huán)絕緣板與過渡環(huán)間有間隙，最大為0.60 mm，使油與氣可從過渡環(huán)與絕緣層間泄漏。在廠內(nèi)裝配時，涂抹的膠水沒有起到很好的黏合作用，部分膠水只是附著在一面，另一面很少或者是沒有涂抹膠水。后經(jīng)重新處理過渡環(huán)絕緣板，并更換密封條后復裝過渡環(huán)、密封瓦，未再發(fā)現(xiàn)泄漏情況。

在另一臺機組氣密試驗中，也發(fā)生氣密試驗多次不合格的情況。在排查了系統(tǒng)所有氣密邊界未發(fā)現(xiàn)異常后，拆卸密封瓦進行檢查。檢查時發(fā)現(xiàn)密封瓦室內(nèi)有大量密封膠，密封膠條擠壓變形，后清理密封瓦、密封瓦室，更換膠條，并對端蓋膠、油結合處進行了改造：通過將結合處焊接鐵塊，然后在鐵塊上開一小槽，以保證結合處的軸向密封。密封瓦復裝后，氣密性試驗結果合格。

因此，在密封瓦安裝完成后，若具備發(fā)電機充氣條件，可先進行一次氣密試驗，對密封瓦進行檢查，確認密封瓦有無漏氣情況，以便提前發(fā)現(xiàn)密封瓦問題，避免后續(xù)大量安裝工作及對調(diào)試試驗的影響。

2.7 浮子油箱異常

單流環(huán)密封油系統(tǒng)在運行期間，浮子油箱可能會發(fā)生液位異常升高或降低的情況。若主控出現(xiàn)液位高報警或低報警，應立即到現(xiàn)場核實液位真實情況，若液位真實變化較多，則應立即投入備用浮子油箱，隔離故障油箱，并分析原因[12]。若出現(xiàn)極端情況，2個浮子油箱均故障時，應立即打閘，并由專人通過應急排油閥控制浮子油箱液位。浮子油箱液位異常主要分以下兩種情況：

液位異常上漲。此問題可能是由于浮子油箱浮球閥卡澀，浮球脫落，或者浮球破損滿油導致浮球閥失效全關,進而導致油箱液位異常上漲，此情況若不及時干預可能會導致發(fā)電機進油[13-14]。出現(xiàn)此種情況時，停機后對浮子油箱解體檢查，必要時更換浮球閥。另外，在發(fā)電機內(nèi)壓力較低時（常見于發(fā)電機開始充壓前或氣體排盡），由于氫側回油壓頭不夠，浮子油箱液位會較高，此為正常情況，當發(fā)電機內(nèi)壓力逐漸升高時（氣壓高于0.05 MPa），液位會緩慢下降直至穩(wěn)定，此為正常情況，一般無需干預。

液位異常下降。此問題可能是由于浮子油箱浮球閥卡澀，或者浮球閥安裝工藝問題導致法蘭張口，無法實現(xiàn)密封的情況，浮子油箱內(nèi)油位會迅速降低，此情況若不及時干預則會導致發(fā)電機內(nèi)無法維持壓力，壓力會逐漸降低。出現(xiàn)此種情況時，停機后對浮子油箱解體檢查，必要時更換浮球閥或重新安裝浮球閥消除法蘭張口。

此外，在浮球閥首次安裝時，應注意浮球閥連桿長度要適中，必要時進行切割或加長，避免連桿問題導致液位過高或過低。

3 結語

單流環(huán)密封油系統(tǒng)流程、原理相對雙流環(huán)、三流環(huán)密封油系統(tǒng)簡單，設備、冗余相應較少，但一旦某一環(huán)節(jié)發(fā)生問題后，會引起非常嚴重的后果。在系統(tǒng)安裝階段，需特別留意安裝工藝，避免安裝問題遺留到

調(diào)試或者運行階段，否則會對系統(tǒng)運行和機組安全造成重大影響。在系統(tǒng)調(diào)試和試運行階段，需特別關注調(diào)試方法，所用的調(diào)試方法、方案應盡可能驗證所有設備的可靠性，避免設備問題造成系統(tǒng)意外動作甚至跳機[15]。此外，系統(tǒng)調(diào)試、投運時，還需額外關注相關系統(tǒng)運行狀況和系統(tǒng)間的關聯(lián)性，如汽輪機潤滑、頂軸和盤車系統(tǒng)和發(fā)電機氫氣供應系統(tǒng)等，任何問題的分析、處理，都需綜合考慮，盡可能避免非預期的系統(tǒng)間影響。

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