某核電廠核反應(yīng)堆冷卻劑泵電機(jī)可靠性提升

薛軍軍， 陳曉斌， 肖 驥， 李春秋， 詹華德

（海南核電有限公司， 海南 昌江 572700）

1 背景概述

核能發(fā)電是清潔、高效能源的代表，近年來發(fā)展迅猛，作為能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其為節(jié)能減排、降低碳排放作出巨大貢獻(xiàn)。核電站與常規(guī)電站最大的區(qū)別在于，產(chǎn)生初始能量的動(dòng)力源不同，常規(guī)電站通過化石燃料燃燒產(chǎn)生能量，目前的核電站通過核燃料裂變產(chǎn)生能量，其中在裂變能產(chǎn)生的同時(shí)，還會(huì)有大量中子處于激活狀態(tài)，這些中子能量極高，所以在功率運(yùn)行期間，原則上不允許任何人員進(jìn)出核島。核反應(yīng)堆冷卻劑泵（下稱主泵）安裝在核島內(nèi)一回路管道上，用來驅(qū)動(dòng)一回路冷卻劑循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)堆芯熱量的帶出[1]。因此，主泵及主泵電機(jī)在核電廠正常功率運(yùn)行階段為不可達(dá)區(qū)域（圖1），無法實(shí)現(xiàn)在線檢修與在線維護(hù)，這便要求主泵和主泵電機(jī)在機(jī)組18 個(gè)月連續(xù)運(yùn)行期間穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

圖1 核電站流程簡(jiǎn)圖

該核電基地一期工程兩臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置兩個(gè)主環(huán)路，每個(gè)環(huán)路分別配備一臺(tái)主泵與主泵電機(jī)（圖2），電機(jī)設(shè)置上、下兩套軸承，均為Kinsbury設(shè)計(jì)制造，泵設(shè)置一套水潤(rùn)滑徑向?qū)лS承，為KSB設(shè)計(jì)制造。電機(jī)上、下兩套軸承分別設(shè)置于獨(dú)立的油箱，電機(jī)上部為組合軸承，自上而下為上部徑向軸承、上推力軸承、下推力軸承，承擔(dān)整個(gè)泵組軸向力。電機(jī)下部?jī)H設(shè)置導(dǎo)軸承，承受徑向載荷，兩套軸承均為浸泡式稀油潤(rùn)滑，未設(shè)置強(qiáng)迫循環(huán)，軸承熱量依靠油箱內(nèi)冷卻盤管帶出，冷卻盤管內(nèi)為恒溫的設(shè)備冷卻水（圖3）。

圖2 主泵電機(jī)三維圖

圖3 主泵電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 電機(jī)上油箱油位高報(bào)警問題及處理過程

該型主泵電機(jī)油位計(jì)為浮子式液位開關(guān)，通過潤(rùn)滑油浮力使得浮子上下移動(dòng)，從而觸發(fā)油位高、低報(bào)警，標(biāo)準(zhǔn)油位±19 mm 分別觸發(fā)高、低位報(bào)警（圖4）；每次加注潤(rùn)滑油均按照標(biāo)準(zhǔn)油位加注。

圖4 油位計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2017 年初，機(jī)組正常運(yùn)行期間首次出現(xiàn)上部油箱油位高報(bào)警問題，同年內(nèi)該基地兩臺(tái)機(jī)組4 臺(tái)主泵電機(jī)均觸發(fā)報(bào)警。換料大修窗口，核島可以進(jìn)出人員時(shí)，逐一排查電機(jī)油位計(jì)，發(fā)現(xiàn)油位計(jì)與油箱連通管焊接位置整體偏低（圖5），且高低均不相同，這是設(shè)備出廠時(shí)的缺陷，在多次討論研究后，一致認(rèn)為在不破壞油位計(jì)和油箱的前提下，選擇增設(shè)油位計(jì)調(diào)整墊塊是解決該問題的最優(yōu)方法。

圖5 油位計(jì)焊接位置偏低，增設(shè)調(diào)整墊塊示意圖

于是，在大修階段，對(duì)4 臺(tái)電機(jī)分別增設(shè)調(diào)整墊塊，補(bǔ)償焊接低的偏差尺寸，并在停運(yùn)狀態(tài)下消除了所有報(bào)警。

2018 年啟動(dòng)主泵后再次出現(xiàn)報(bào)警，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)整墊塊是在電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下增加，待設(shè)備運(yùn)行后，潤(rùn)滑油膨脹，以及潤(rùn)滑油漩渦效應(yīng)，會(huì)使得邊緣油位上升（圖6），但無法準(zhǔn)確測(cè)量該上升量，由于可調(diào)節(jié)范圍小，在核電站保守決策的原則下，只能逐步小幅增加調(diào)整墊塊厚度，用來消除新發(fā)現(xiàn)的引起油位升高的因素，此次調(diào)整只增加了3～5 mm，以消除報(bào)警。

圖6 潤(rùn)滑油膨脹及漩渦效應(yīng)示意圖

2019 年啟動(dòng)主泵后，4 臺(tái)電機(jī)均未觸發(fā)報(bào)警，效果良好，但是在正常運(yùn)行3 個(gè)月后，2 號(hào)機(jī)組2 號(hào)主泵電機(jī)再次觸發(fā)報(bào)警，電站啟動(dòng)運(yùn)行決策，組織分析原因，查詢歷史相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電廠最終熱肼冷源——海水溫度上漲，引起設(shè)備冷卻水溫度上漲，導(dǎo)致電機(jī)潤(rùn)滑油溫度上漲，疊加油位波動(dòng)等因素，最終再次觸發(fā)油位高報(bào)警，分析認(rèn)為，此次出現(xiàn)的上漲量不大，應(yīng)該是恰好觸發(fā)高報(bào)位置，由于油位計(jì)結(jié)構(gòu)存在回差值的特點(diǎn)，一旦觸發(fā)，至少需降低5 mm 才可能消除報(bào)警。于是只能在2019 年12 月203 機(jī)組大修期間處理，此次還是增加調(diào)整墊塊厚度，用來消除油位計(jì)回差影響。截至目前為止，2 號(hào)機(jī)組2 號(hào)主泵電機(jī)正常運(yùn)行，再未觸發(fā)報(bào)警，其他參數(shù)也均穩(wěn)定正常。

2020 年3 月20 日2：30，1 號(hào)機(jī)組1 號(hào)主泵電機(jī)在大修結(jié)束啟動(dòng)運(yùn)行第8 天，機(jī)組臨界后升功率過程中，電功率從160 MW 升至210 MW，一回路溫度從291 ℃升至306 ℃，出現(xiàn)油箱油位高報(bào)警，檢查報(bào)警真實(shí)觸發(fā)，潤(rùn)滑油溫度、軸瓦溫度、電機(jī)軸位移、泵殼振動(dòng)均穩(wěn)定正常，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

此次104 大修時(shí)該位置更換備用電機(jī)，油位計(jì)處已設(shè)置調(diào)整墊塊，但未按照2 號(hào)機(jī)組2 號(hào)主泵電機(jī)進(jìn)行增加厚度的方法處理；電機(jī)空載試驗(yàn)和帶載再鑒定均未出現(xiàn)過報(bào)警，且其他參數(shù)均穩(wěn)定正常。

經(jīng)分析認(rèn)為，此次出現(xiàn)油位高報(bào)警，和新?lián)Q備用電機(jī)使用新唇形密封（圖7）有關(guān)，新唇形密封效果較好，使得上油箱內(nèi)部壓力略高于其他使用時(shí)間較長(zhǎng)唇形密封的電機(jī)油箱，導(dǎo)致再次觸發(fā)報(bào)警。

圖7 唇形密封

電站啟動(dòng)運(yùn)行決策，考慮機(jī)組已運(yùn)行，人員無法進(jìn)入核島，104 大修后機(jī)組將進(jìn)入18 個(gè)月長(zhǎng)燃料循環(huán)周期，電機(jī)潤(rùn)滑油消耗會(huì)較之前有所增加，為保證長(zhǎng)燃料循環(huán)周期軸承具備充足的潤(rùn)滑油，暫不采取減少潤(rùn)滑油的方法來消除報(bào)警。

2021 年9 月，1 號(hào)機(jī)組執(zhí)行105 換料大修，2 號(hào)機(jī)組2 號(hào)主泵電機(jī)進(jìn)行增加厚度的方法，通過了長(zhǎng)燃料循環(huán)周期的考驗(yàn)，效果良好，此次大修對(duì)1 號(hào)機(jī)組兩臺(tái)主泵電機(jī)均按照該方法進(jìn)行處理。電機(jī)相應(yīng)參數(shù)見下頁表1。

表1 電機(jī)相應(yīng)參數(shù)

3 該型主泵電機(jī)上油箱油位高報(bào)警的根本原因

電機(jī)上油箱油位計(jì)整體焊接偏低，且每臺(tái)焊接位置均存在不同程度的偏差；油位計(jì)零點(diǎn)調(diào)整墊塊厚度難以一次性調(diào)整準(zhǔn)確,主要促成因素如下：

1）標(biāo)準(zhǔn)油位至高報(bào)為+19 mm，油位計(jì)可調(diào)整范圍小，且自身結(jié)構(gòu)存在5 mm 左右回差，導(dǎo)致油位波動(dòng)一旦觸發(fā)報(bào)警，難以消除。

2）潤(rùn)滑油溫度上升導(dǎo)致潤(rùn)滑油膨脹、啟動(dòng)階段由靜止到旋轉(zhuǎn)、潤(rùn)滑油在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)瞬時(shí)油位波動(dòng)，該上升量難以準(zhǔn)確測(cè)算。

3）唇型密封在壽期內(nèi)磨損量逐漸增大，每個(gè)運(yùn)行周期潤(rùn)滑油揮發(fā)消耗存在差異，新唇形密封比經(jīng)過磨損的唇型密封對(duì)應(yīng)油位略高。

4 結(jié)語

由于該核電基地主泵電機(jī)的獨(dú)特性，國(guó)內(nèi)外無法找到相同的電機(jī)進(jìn)行對(duì)比研究，無任何相關(guān)工程及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以借鑒；電機(jī)出廠制造階段油位計(jì)焊接位置存在偏差是先天缺陷，也是根本原因；在隨后的每年中，只有換料大修窗口一次機(jī)會(huì)可以進(jìn)行處理，從2017—2021 年經(jīng)歷數(shù)次油位高報(bào)警，逐次分析，每次都發(fā)現(xiàn)新的影響因素，從最初4 臺(tái)電機(jī)均報(bào)警，到目前全部解決，過程中不斷摸索，解決問題（圖8），使得電機(jī)可靠性穩(wěn)步提升。

圖8 油位高報(bào)警處理過程