CPR1000東方機型汽機潤滑、頂軸及盤車系統(tǒng)油沖洗技術(shù)優(yōu)化

崔翔東，戶嘯，朱應(yīng)周

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳518124）

1 引言

我國改進型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）東方機型核廠汽輪機采用的是東汽引進法國阿爾斯通（ALSTOM）技術(shù)生產(chǎn)的半速機組，該機組采用1個高中壓合缸，3個低壓缸，共對應(yīng)10個軸承。其汽機潤滑、頂軸及盤車系統(tǒng)（GGR）承擔(dān)著向汽輪發(fā)電機組的軸頸軸承、推力軸承和盤車裝置提供潤滑油，向軸頸軸承提供機組啟動和停運時所需的頂軸油，向發(fā)電機密封油系統(tǒng)提供密封油的功能，對潤滑油質(zhì)量要求較高，因此制定一套行之有效的GGR系統(tǒng)油沖洗規(guī)范和清潔度驗收準(zhǔn)則并堅持執(zhí)行尤為重要。

本文參考的核電廠采用的GGR系統(tǒng)油沖洗技術(shù)方案，具有工期短、效率高的優(yōu)勢，有效地保證油沖洗質(zhì)量，但在機組聯(lián)調(diào)啟動階段也發(fā)生過類似頂軸油泵出口壓力波動、潤滑油母管油壓波動等異常事件，經(jīng)事件原因分析可能與潤滑油中含有顆粒污染物有關(guān)，間接說明了該核電廠GGR系統(tǒng)油沖洗質(zhì)量控制不完善的問題，因此，針對技術(shù)方案開展優(yōu)化研究并制定改進措施有現(xiàn)實意義。

2 GGR系統(tǒng)油沖洗現(xiàn)行方案

該核電廠GGR系統(tǒng)采用已成熟應(yīng)用于CPR1000機組的油沖洗技術(shù)方案，其中潤滑油系統(tǒng)采用大流量裝置進行油沖洗，頂軸油系統(tǒng)通過臨時油箱取油進行油沖洗，設(shè)備電源采用臨時施工電源。

2.1 頂軸油沖洗

根據(jù)汽輪發(fā)電機組安裝邏輯，為配合汽輪機本體扣缸等安裝需求，頂軸油系統(tǒng)需提前投用。為此，頂軸油沖洗與潤滑油沖洗獨立開來，并在其之前進行。

為了保證頂軸油泵沖洗和投運期間設(shè)備內(nèi)部清潔度，在汽輪機廠房16 m平臺安裝1個臨時油箱作為頂軸油泵的吸油口，油箱容積約10m3。通過具備過濾和除水功能的臨時濾油機從主油箱取油往臨時油箱上油，頂軸油泵通過臨時管道從臨時油箱吸油，然后進行頂軸油系統(tǒng)管路沖洗循環(huán)，通過套裝回油管回到GGR系統(tǒng)主油箱。頂軸油系統(tǒng)沖洗油循環(huán)如圖1所示。

圖1 頂軸油系統(tǒng)沖洗油循環(huán)

頂軸油沖洗步驟：①臨時油箱沖洗；②頂軸油泵啟動；③頂軸油分配器前管路沖洗；④頂軸油分配器后管路沖洗；⑤正式系統(tǒng)恢復(fù)。

2.2 潤滑油沖洗

潤滑油系統(tǒng)采用大流量沖洗裝置進行油沖洗。潤滑油沖洗采用的大流量沖洗裝置為核電專用（沖洗流量0～1000 m3/h，濾網(wǎng)精度5～10 μm，具備電加熱和反沖洗功能，且泵組和過濾裝置采用分體式布置設(shè)計）。大流量泵及就地起停按鈕安裝在潤滑油室，大流量控制柜、加熱器組件和過濾裝置安裝在油室上方的16 m汽輪機平臺。通過大流量裝置從GGR系統(tǒng)主油箱底部吸油，出油口與潤滑油母管相連，同時出口增加一路直接排GGR系統(tǒng)主油箱的旁路，通過設(shè)置不同的管路狀態(tài)，建立不同階段的潤滑油沖洗循環(huán)，實現(xiàn)對供回油管道和各軸瓦的分段沖洗。潤滑油系統(tǒng)沖洗油循環(huán)如圖2所示。

圖2 潤滑油系統(tǒng)沖洗油循環(huán)

潤滑油沖洗步驟：①主油泵回路沖洗；②發(fā)電機密封油系統(tǒng)預(yù)沖洗；③供回油母管及調(diào)壓閥回油管線沖洗；④供油母管至各軸承支管沖洗；⑤交直流油泵出口油管沖洗；⑥開瓦沖洗；⑦正式系統(tǒng)恢復(fù)及冷油器沖洗。

至此，GGR系統(tǒng)油沖洗工作結(jié)束，系統(tǒng)滿足初步調(diào)試啟動條件。

該核電廠GGR系統(tǒng)油沖洗采用的是結(jié)合了CPR1000核電機組系統(tǒng)設(shè)計和布置特點的技術(shù)方案，引進了大流量油沖洗裝置，具有高效率、高質(zhì)量和短工期等優(yōu)勢，經(jīng)過多項目現(xiàn)場的應(yīng)用實踐，技術(shù)方案已趨近成熟，但現(xiàn)行技術(shù)方案存在設(shè)計要求不可靠、沖洗方法不完善、沖洗范圍不全面和驗收標(biāo)準(zhǔn)單一等薄弱環(huán)節(jié)，不利于油沖洗質(zhì)量控制，有必要進行優(yōu)化研究。

3 技術(shù)方案優(yōu)化研究

聚焦油沖洗執(zhí)行全周期的質(zhì)量控制關(guān)鍵點開展深入分析，并針對技術(shù)方案中存在的薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化改進。

3.1 設(shè)計要求

該核電廠GGR系統(tǒng)除油箱充排油管線和回油套管選材是碳鋼外，其余供油管道均采用不銹鋼材料。調(diào)試期間對充排油管線進行過檢查，發(fā)現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象明顯，且充油管線終端濾網(wǎng)尺寸只有250 μm，無法有效過濾鐵銹，充油時會將顆粒污染物帶入主油箱。因為頂軸油泵是柱塞泵，對顆粒污染物異常敏感，曾經(jīng)就發(fā)生過在頂油泵連續(xù)運行期間進行充油工作，頂軸油泵出口油壓異常波動的事件。

為了確保潤滑油系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計潤滑油系統(tǒng)部件時，應(yīng)合理考慮應(yīng)用環(huán)境，像油箱充排油管線大部分位于廊道，處于濕冷環(huán)境且使用頻率較低，應(yīng)關(guān)注設(shè)備材料的腐蝕性和制造的工藝性，以便于清洗和滿足防腐要求，而不能一味追求低成本。碳鋼成本較低，但碳鋼的金屬晶粒粗、表面也粗糙，耐腐蝕性明顯弱于不銹鋼[1]。如果從潤滑油顆粒度控制要求和保護設(shè)備的角度考慮，需要提出將油箱充排油管線選材修改為不銹鋼材料的設(shè)計要求，以確保管道有合格的清潔度和防腐銹的要求。

3.2 沖洗方法

根據(jù)流體力學(xué)原理，介質(zhì)在管道中的雷諾數(shù)可以表述為：

式中：Re是雷諾數(shù)，ρ是流體密度，v是流體流速，d是管道直徑，μ是流體粘度。

對于GGR系統(tǒng)來說，管道直徑一定，流體流量和溫度越高，雷諾數(shù)越大，沖洗效率越好。

3.2.1 沖洗流量

該核電廠GGR系統(tǒng)油沖洗采用大流量油沖洗裝置后，流量足夠大，一般能使沖洗管系內(nèi)流速達到3 m/s以上（流速為油系統(tǒng)正常運行時的3～4倍），且雷諾數(shù)至少能達到4000以上，管道內(nèi)流體處于較好的紊流狀態(tài)，能很好地滿足沖洗要求。

3.2.2 沖洗油溫

為提高沖洗效果，一般會將沖洗油溫控制在允許范圍內(nèi)，并盡可能提高以減小潤滑油粘度。在加熱階段，潤滑油變得高溫、低粘度和高速率，在這樣的高速油作用下，管道內(nèi)部表面被拋光，有助于提升沖洗效果，但高速油對攜帶重粒子效果不佳，而低油溫的高粘度油卻可以滿足這一要求，同時通過重復(fù)加熱和冷卻使管道擴大或收縮，可有效除去黏在管道上的污染物。因此，對沖洗油溫的控制以冷熱交替變化的方式為最佳。油溫加熱到現(xiàn)場實際可能的最高溫度，冷卻油溫最低到實際可能的最低溫度，并輔以管道尤其是焊接部分的外部敲擊振動，使雜質(zhì)更易于脫落。

3.3 沖洗范圍

該核電廠GGR系統(tǒng)油沖洗包括主油箱、潤滑油和頂軸油供/回油管道、冷油器、過濾器和泵組及相關(guān)管道等，通過分階段分步?jīng)_洗基本覆蓋了全部范圍。但作為儲油單元的潤滑油傳輸系統(tǒng)卻不在GGR系統(tǒng)油沖洗技術(shù)方案范圍內(nèi)。雖然會單獨進行系統(tǒng)油沖洗，但執(zhí)行欠規(guī)范且驗收標(biāo)準(zhǔn)低，也增加了后續(xù)潤滑油傳輸期間顆粒污染物的引入風(fēng)險。

對比先進的非能動型壓水堆核電技術(shù)（AP1000）汽輪機組就會發(fā)現(xiàn)，其對油凈化設(shè)施、貯油設(shè)施等此類附屬系統(tǒng)都予以足夠的重視，在油沖洗技術(shù)方案中明確規(guī)定應(yīng)在第0階段進行室外儲油箱、室內(nèi)主油箱、供油泵、輸油泵及其管道的沖洗，并且制定了嚴(yán)格的驗收標(biāo)準(zhǔn)[2]。

另外，該核電廠GGR系統(tǒng)油沖洗執(zhí)行期間在沖洗完成后恢復(fù)正式設(shè)備和管線時缺少對壓力調(diào)節(jié)閥及平衡管線的沖洗和清潔度檢查，若留有顆粒污染物易造成潤滑油壓力調(diào)節(jié)閥主部件拉毛，動作過程卡澀或遲緩，從而導(dǎo)致油壓響應(yīng)緩慢或穩(wěn)壓閥卡開失效等異常情況。該核電廠3號機組聯(lián)調(diào)啟動期間發(fā)生的潤滑油母管壓力頻繁波動事件正好驗證了這一點。

3.4 驗收標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)現(xiàn)行能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，油清洗驗收標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)油沖洗過程中應(yīng)不定期對油質(zhì)進行分析，清洗后應(yīng)采用濾網(wǎng)檢驗，清潔度的接受準(zhǔn)則主要遵循了制造廠的要求，當(dāng)制造廠無要求時，管道油清潔后應(yīng)采用濾網(wǎng)檢驗。油清洗合格標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[3]。

表1 油清洗合格標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)然，不同制造廠會給出各自的油清洗合格標(biāo)準(zhǔn)，驗收方式和標(biāo)準(zhǔn)也各不相同，具體如表2所示。

表2 不同制造廠給出的油清洗合格標(biāo)準(zhǔn)

該核電廠GGR系統(tǒng)油沖洗技術(shù)方案采用的是東汽制造廠提供的取樣化驗油質(zhì)的方式來判斷每階段油沖洗是否合格，其中驗收標(biāo)準(zhǔn)是油質(zhì)清潔度達到NAS 9級?？梢?，相對上汽和哈汽機型，該標(biāo)準(zhǔn)基本上是技術(shù)上符合制造廠要求下的最低驗收標(biāo)準(zhǔn)。雖然有操作簡單和節(jié)省工期的優(yōu)勢，但僅通過化學(xué)取樣法來作為驗收標(biāo)準(zhǔn)，而不同時采用機械檢查法，從安全角度考慮，存在殘留顆粒污染物的可能。

4 技術(shù)方案優(yōu)化措施

4.1 管道材質(zhì)優(yōu)化

考慮到潤滑油顆粒度控制要求，將GGR系統(tǒng)油箱充排油管線選材修改為不銹鋼材料，從設(shè)計源頭滿足管道清潔度和防腐銹的要求。

4.2 沖洗方法優(yōu)化

采用冷熱交替的方式來控制沖洗油溫。油溫以潤滑油允許加熱最高溫度為上限，建議不超過65℃，最低以裝置允許起泵最低溫度為下限，建議不低于20℃。油溫循環(huán)可參考以8h為一個循環(huán)周期，開始2h為冷態(tài)沖洗階段，中間4h啟動加熱器進行熱態(tài)沖洗，后2h停運加熱器進行自然降溫沖洗階段，同時在沖洗過程中輔以管道尤其是焊接部分的外部敲擊振動，以增強沖洗效果。

4.3 沖洗范圍優(yōu)化

4.3.1 增加第0階段沖洗：潤滑油傳輸系統(tǒng)（SKH）沖洗

①凈/污油箱及其管道沖洗

這階段沖洗的目的是沖洗油箱（凈油箱、污油箱）以及凈油機之間的主要管道，沖洗動力來源于油凈化裝置。建立污油箱→油凈化裝置→凈油箱→污油箱的管路沖洗循環(huán)，通過檢查油凈化裝置保護過濾器清潔度和化驗油質(zhì)判斷沖洗是否合格。

②供/排油管道沖洗

這階段沖洗的目的是沖洗SKH系統(tǒng)與GGR系統(tǒng)之間的供/排油管道，沖洗動力來源于供油泵和輸油泵。建立凈油箱→供油泵→主油箱→輸油泵→污油箱→油凈化裝置→凈油箱的管路沖洗循環(huán)，通過檢查供油濾網(wǎng)和化驗油質(zhì)判斷沖洗是否合格。

4.3.2 增加壓力調(diào)節(jié)閥及平衡管線清潔度的檢查

壓力調(diào)節(jié)閥和平衡管線在回裝前，要檢查清潔度是否符合要求，必要時進行一定的擦拭和吹掃。在首次投入壓力調(diào)節(jié)閥前，先將調(diào)節(jié)閥調(diào)整到全開位置，使母管流量以最大旁路流量通過調(diào)節(jié)閥，對調(diào)節(jié)閥及其平衡管線進行沖洗后再對母管壓力按設(shè)計值整定，建議重復(fù)2～3次。

4.4 驗收標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化

采用化學(xué)取樣法和機械檢查法作為油清潔合格驗收標(biāo)準(zhǔn)。

①化學(xué)取樣法：每階段油沖洗均需取樣化驗，油質(zhì)清潔度標(biāo)準(zhǔn)需達到NAS 7級。油質(zhì)清潔度標(biāo)準(zhǔn)（每100mL溶液）。

②機械檢查法：每階段油沖洗監(jiān)測和收集主油箱回油濾網(wǎng)顆粒污染物，確認(rèn)呈逐漸降低趨勢。同時，每階段化學(xué)取樣合格后對主油箱回油濾網(wǎng)進行目視檢查，確認(rèn)無硬質(zhì)顆粒及粘稠物且每平方厘米范圍內(nèi)，軟雜物不多于3個，滿足上述要求后再連續(xù)沖洗60min以上則合格。

5 結(jié)語

綜上所述，該核電廠CPR1000東方機型GGR系統(tǒng)采用的油沖洗技術(shù)方案整體上已較為成熟和完善，但通過本文研究，發(fā)現(xiàn)仍存在優(yōu)化空間，后續(xù)同類型機組在編制GGR系統(tǒng)油沖洗技術(shù)方案時可特別關(guān)注和參考借鑒。

①設(shè)計要求：將主油箱充排油管線選材修改為不銹鋼材料。

②沖洗方法：利用變油溫方式及振打手段提升沖洗效率。

③沖洗范圍：將潤滑油傳輸系統(tǒng)的沖洗工作增加到GGR系統(tǒng)油沖洗技術(shù)方案中，以實現(xiàn)整體控制驗收，同時增加壓力調(diào)節(jié)閥和平衡管回裝后的清潔度檢查環(huán)節(jié)。

④驗收標(biāo)準(zhǔn)：提高化學(xué)取樣法的油質(zhì)清潔度等級，同時增加機械檢查法驗收標(biāo)準(zhǔn)。