1000MW 核主泵一體化循環(huán)滑油供應(yīng)系統(tǒng)功能性分析

高玉爽

（哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

國家的經(jīng)濟(jì)在飛速發(fā)展，自然資源不斷被開發(fā)和利用，電力需求越來越大，而對核能發(fā)電的需求也更加迫切。國家在核電站的建設(shè)以及核技術(shù)上都取得了重大突破，1000MW 大容量的核電站更被看好，前景非常廣闊。主泵核電站中的重要組成部分，與核安全緊密相關(guān)，是核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的核心部分，關(guān)系到核電站的運(yùn)行質(zhì)量。為此，應(yīng)當(dāng)針對土建結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保其結(jié)構(gòu)和功能都滿足核主泵的設(shè)計(jì)要求。

1 主泵電動機(jī)概況

核主泵電機(jī)是核電站中的重要設(shè)備組成之一。1000MW 級核電主泵電機(jī)國際上只有美國、德國、俄羅斯等國家是自主研發(fā)制造的，其它國家使用的該型主泵電機(jī)大多是直接引進(jìn)或者是通過技術(shù)引進(jìn)而生產(chǎn)制造的。

2 與常規(guī)電機(jī)結(jié)構(gòu)的最大不同

核電站是非常高能但是也相對高風(fēng)險(xiǎn)的一種發(fā)電設(shè)施，維護(hù)和運(yùn)行需要多種高端的技術(shù)和設(shè)備的支持。在核電站中，當(dāng)發(fā)生短暫斷電情況時(shí)，為了確保冷卻劑能夠正常流經(jīng)反應(yīng)堆，冷卻反應(yīng)堆中的過高的熱量，避免反應(yīng)堆內(nèi)元件被燒毀，就需要核主泵電機(jī)具有比較大的轉(zhuǎn)動慣量，也就是需要大飛輪。主泵電機(jī)中的飛輪有可脫節(jié)飛輪以及不可脫節(jié)飛輪兩種結(jié)構(gòu)，不可脫節(jié)飛輪結(jié)構(gòu)中又被分為飛輪布置在轉(zhuǎn)子鐵心上端或下端兩種方案。（1）可脫節(jié)飛輪結(jié)構(gòu)特征如下：襯套位于軸和飛輪中間位置處，同時(shí)與飛輪采取過盈配合連接方式，使得摩擦力增加，進(jìn)而促使主泵飛輪可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。需要注意地是，摩擦力禁止過大，避免脫鉤過程中，不能順利與軸脫離；（2）不可脫節(jié)飛輪的結(jié)構(gòu)特征如下：針對飛輪和軸的連接部位而言，主要采取直接連接方式，也是利用過盈配合，同時(shí)還能使用鍵槽，通常飛輪位于電機(jī)軸的最外側(cè)，便于隨時(shí)檢測。

3 主泵一體化滑油系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布置

滑油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵，關(guān)系著最終系統(tǒng)的應(yīng)用性能，為此，在實(shí)際進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備把握結(jié)構(gòu)布置方法。具體而言，可以考慮使用水導(dǎo)軸承、油潤滑徑向軸承、雙向推力軸承，如圖1 所示。通過使用這三個(gè)軸承，以便起到支撐的作用。通過采取該結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅軸承之間的潤滑作用提高，也能使得壓力得以均勻，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 一體化供油系統(tǒng)P&ID 圖

4 滑油循環(huán)回路系統(tǒng)分析

4.1 頂泄油供應(yīng)系統(tǒng)

頂泄油供應(yīng)系統(tǒng)是滑油循環(huán)回路系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，在該系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。與其他系統(tǒng)相比，頂泄油供應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)也比較凸顯。在實(shí)際應(yīng)用過程中，要求操作人員了解該系統(tǒng)的組成部分。實(shí)際上，該系統(tǒng)主要由頂油泵與兩臺泄油泵構(gòu)成，以便起到抬升轉(zhuǎn)軸的作用，同時(shí)也可以方便控制下油箱油位。主泵中的轉(zhuǎn)軸受到轉(zhuǎn)子自身的重量、葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)中的推動力量以及軸承壓力等多種作用力的共同作用，不同的工作狀態(tài)也會影響到轉(zhuǎn)軸的方向和位置。于是，為了保護(hù)軸承與軸承組件的完好性，減少這些作用力對軸承的影響，頂油泵在加大壓力之后，潤滑油通過推力流入頂油泵的推力盤與瓦塊內(nèi)，形成一種比較穩(wěn)定的油膜。因?yàn)轫斢捅帽旧韺φ麄€(gè)循環(huán)系統(tǒng)有一個(gè)推動與控制的作用，在開啟或者是停用主泵的時(shí)候，必須要將頂油泵開啟，保證系統(tǒng)的循環(huán)暢通。而在整個(gè)滑油循環(huán)系統(tǒng)中，下油箱中的滑油并不參與到循環(huán)工作中，如果在下油箱中存儲過多的滑油可能會導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)中的油量不夠，因此，漏油泵要根據(jù)具體的油量情況，如果過多，就要將下油箱多余的滑油推送到上郵箱，保證系統(tǒng)的滑油循環(huán)穩(wěn)定。

4.2 雙向推力軸承滑油供應(yīng)系統(tǒng)

雙向推力軸承系統(tǒng)是滑油循環(huán)系統(tǒng)中的重要推動力供應(yīng)系統(tǒng)，能夠保證滑油循環(huán)所需推力的正常供應(yīng)，是主泵中循環(huán)滑油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。雙向推動力軸承系統(tǒng)的構(gòu)成相對簡單，主要由葉輪、導(dǎo)葉以及雙向推力軸承構(gòu)成，向主泵中需要潤滑的主體結(jié)構(gòu)傳輸潤滑油。其運(yùn)行原理如下：當(dāng)主泵開始啟動時(shí)，葉輪會將潤滑油加入到滑油系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)，進(jìn)入軸承內(nèi)部之后，葉輪與電機(jī)軸一起轉(zhuǎn)動，持續(xù)向軸承之間供應(yīng)潤滑油，潤滑油在軸承之間進(jìn)行潤滑工作，溫度也會隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)而升高，最后在系統(tǒng)推力作用下進(jìn)入油冷卻器完成降溫步驟，最后回到軸承室油箱中。

4.3 油密封可控泄漏系統(tǒng)

循環(huán)滑油系統(tǒng)中油密封可控泄漏系統(tǒng)專門為了減少主泵中潤滑油的泄露而設(shè)計(jì)，是由一套流體動壓機(jī)械密封和一套機(jī)械式迷宮密封組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用于軸承室油箱的邊界密封。其中的流體動壓機(jī)械密封位于軸承室油箱的下方，軸承室油箱中泄露的潤滑油在集液盤中聚集后流入下油箱，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為成熟完善，能夠有效控制滑油的泄露。機(jī)械式迷宮密封位于軸承室油箱的上方，是由蓋環(huán)、甩油環(huán)、擋油塊以及減壓倉共同構(gòu)成。泄露的潤滑油進(jìn)入減壓倉中經(jīng)過降壓、凝結(jié)等變化，最后以氣液混合體的形式流回軸承室的油箱。結(jié)構(gòu)見圖2。該結(jié)構(gòu)充分考慮了潤滑油在高溫中氣體、液體兩種情況的摩阻效應(yīng)、熱力學(xué)效應(yīng)等多種反應(yīng)，然后在其它部件的共同作用下，基本上能夠做到系統(tǒng)中無潤滑油泄露。

圖2 軸承室油箱上部機(jī)械式迷宮密封

4.4 滑油存儲系統(tǒng)

滑油存儲系統(tǒng)則是整個(gè)循環(huán)滑油體系中的關(guān)鍵組成部分，是系統(tǒng)中滑油的循環(huán)的重要場所。滑油存儲系統(tǒng)一共由三個(gè)油箱構(gòu)成，其中的軸承室油箱是存儲系統(tǒng)中的主要儲油設(shè)備，超出七成的潤滑油都在這個(gè)油箱當(dāng)中，其余的油量分別存儲于上、下兩個(gè)油箱中。

4.5 滑油冷卻系統(tǒng)

一體化循環(huán)滑油系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)是由4 個(gè)并聯(lián)的換熱器元件組成的，具有循環(huán)線路短、冷卻速度快、安裝便利等多種特點(diǎn)。冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行原理為：上電機(jī)支座的外圍安裝了整體式的油/水冷卻器以及管路。當(dāng)油箱中的80 度的高溫潤滑油在油壓的推動下經(jīng)過上軸承室油管路進(jìn)入油冷卻器中，經(jīng)過小于40度的冷水進(jìn)行熱量的交換，最后回到油箱中的潤滑油溫度要小于60 度。

4.6 潤滑油的監(jiān)控和連鎖保護(hù)系統(tǒng)

安德里茨公司制造的核主泵充分考慮到了主泵潤滑油系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)置了多重連鎖裝置以及眾多監(jiān)測點(diǎn)，能夠重點(diǎn)監(jiān)測潤滑油的壓力、溫度、用量以及液位等指標(biāo)，并且將潤滑油系統(tǒng)與主泵運(yùn)行、啟動以及停用等工作情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)，完成一個(gè)連鎖性的保護(hù)系統(tǒng)。一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)行指標(biāo)出現(xiàn)問題，將會出發(fā)警報(bào)裝置，提醒相關(guān)的技術(shù)人員做出調(diào)整處理，保證了主泵運(yùn)行的安全和可靠。

5 結(jié)論

綜上所述，核主泵是核電站運(yùn)行中的重心部位，是核電站發(fā)電的重要支撐結(jié)構(gòu)，而國內(nèi)的核主泵類型越來越多，也越來越先進(jìn)。從主泵自身的滑油系統(tǒng)來比較，本文研究的主泵類型在滑油系統(tǒng)的潤滑效果、冷卻速度以及系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性等方面要比其它類型的核主泵更具優(yōu)勢。安德里茨主泵被應(yīng)用到電廠中開始運(yùn)行的時(shí)候，其它類型的核主泵還在優(yōu)化潤滑油系統(tǒng)的各個(gè)功能結(jié)構(gòu)。只有深入了解掌握了核主泵一體化循環(huán)滑油供應(yīng)系統(tǒng)的功能以及結(jié)構(gòu)，才能做好核主泵的維護(hù)和保養(yǎng)工作，確保核電廠的心臟主泵能夠安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)有力發(fā)電。