核電應(yīng)急柴油機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)布置改進(jìn)研究

賴斌生，閔濟(jì)東，余澤輝

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350315)

某廠所產(chǎn)20V956TB33型柴油機(jī)應(yīng)用于各核電機(jī)組6.6 kV應(yīng)急電源系統(tǒng)超過50臺(tái)。應(yīng)急柴油機(jī)預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)為設(shè)備提供應(yīng)急啟動(dòng)所需預(yù)潤(rùn)滑，預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)失效直接影響柴油機(jī)可用性。其預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)泵為泵機(jī)械本體在上電機(jī)在下的立式設(shè)計(jì)。由于很難保證預(yù)潤(rùn)滑油泵本體軸封零泄漏，在存在外漏情況下，泵本體上的潤(rùn)滑油在重力作用下會(huì)穿過油封直接滲入電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子(見圖1)，影響預(yù)潤(rùn)滑油泵電機(jī)運(yùn)行。此為核電廠應(yīng)急柴油機(jī)重復(fù)發(fā)生的痼疾，亟需攻克此難題，提高設(shè)備可靠性。

圖1 電機(jī)內(nèi)部油污Fig.1 Oil contamination inside the motor

故本文提出預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)布置改進(jìn)方法，以徹底解決電機(jī)進(jìn)油異常。由于泵應(yīng)用于核級(jí)應(yīng)急柴油機(jī)，需考慮抗震等因素，本文通過理論分析和數(shù)分析法明確了改進(jìn)對(duì)核級(jí)設(shè)備抗震的影響，以及對(duì)油泵流量和揚(yáng)程的影響。

1 改進(jìn)方案簡(jiǎn)介

為了徹底解決電機(jī)進(jìn)油問題，采取的布置改進(jìn)方法為將預(yù)潤(rùn)滑油泵體與電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，變?yōu)楸皿w在下電機(jī)在上的安裝。為保證進(jìn)出口軟管的朝向，在泵體在下電機(jī)在上安裝之后，再將泵體沿著預(yù)潤(rùn)滑油泵主軸軸線旋轉(zhuǎn)180°，使泵進(jìn)出口與原泵體在上電機(jī)在下時(shí)進(jìn)出口方向一致。

通過改進(jìn)，利用重力作用使得泄漏無法進(jìn)入電機(jī)，從而徹底解決共性問題。

為了盡量減少改進(jìn)對(duì)系統(tǒng)的影響，故預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)閥門管路保持不變，只改變預(yù)潤(rùn)滑油泵泵進(jìn)出口連接的軟管。進(jìn)出口軟管為活接頭連接，在安裝時(shí)調(diào)整活接頭使軟管的整體方向和布置優(yōu)化前一致。調(diào)整后泵體安裝示意見圖2。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，改進(jìn)后預(yù)潤(rùn)滑油泵電機(jī)上部安裝空間不足，會(huì)與上方管道干涉，需將安裝基座下移50 mm,下方位置空間滿足下移距離要求，基座下移50 mm后，安裝基座需要在應(yīng)急柴油機(jī)底座上重新打4個(gè)M12的螺紋孔，螺紋孔按原螺紋孔參數(shù)進(jìn)行鉆孔加工。

圖2 預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)布置改進(jìn)圖—泵體Fig.2 Improved layout of the pre-lubricating oil system-the pump

改進(jìn)后，泵進(jìn)出口的軟管長(zhǎng)度增加進(jìn)口軟管入口軟管長(zhǎng)度增加500 mm，出口軟管長(zhǎng)度增加800 mm。電機(jī)用原有電纜安裝點(diǎn)改變，但是長(zhǎng)度滿足要求，電纜接口拆卸后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整電纜走向即可。

2 抗震影響分析

2.1 理論分析法

由于管路閥門設(shè)置未變化，故預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)布置改進(jìn)對(duì)抗震的影響考慮泵組改進(jìn)影響即可。改造前后泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)、載荷基本相同，因此改進(jìn)前后兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣M、結(jié)構(gòu)阻尼矩陣C、結(jié)構(gòu)剛度矩陣K完全相同，從而可以推導(dǎo)出兩種結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性(模態(tài)、頻率、模態(tài)參與因子等)完全相同。

而兩種結(jié)構(gòu)安裝位置的地震樓層響應(yīng)譜相同，通過結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力分析法、地震載荷下的譜分析方法、模態(tài)組合分析的理論分析可知(篇幅所限不列出)，其響應(yīng)的幅值相同[1]。

根據(jù)核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)構(gòu)在三個(gè)方向的地震響應(yīng)采用SRSS方法組合[2]：

通過分析可知，改造前/后的地震響應(yīng)是完全相同，即采用改變泵機(jī)組的安裝方向?qū)Ρ脵C(jī)組的地震響應(yīng)沒有影響。

2.2 數(shù)值分析法

(1)預(yù)潤(rùn)滑油泵組改進(jìn)前應(yīng)力分析

泵機(jī)組改進(jìn)前結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果見圖3和圖4(圖中應(yīng)力單位為Pa)。通過分析可知，泵機(jī)組在地震、自重載荷作用下的應(yīng)力很小，最大的應(yīng)力強(qiáng)度為16.3 MPa，遠(yuǎn)小于其許用值1.5S=138.75 MPa(考慮泵機(jī)組在事故工況下的可運(yùn)行性，D級(jí)工況保守地按B級(jí)工況評(píng)價(jià)，下同)。

圖3 改進(jìn)前結(jié)構(gòu)在RLE(左圖)以及自重+RLE地震下(右圖)的應(yīng)力分布Fig.3 The stress intensity distribution of the structure before improvement under RLE (The left figure) and dead weight+RLE (The right figure) earthquake

圖4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)在RLE和自重+RLE地震下的應(yīng)力分布Fig.4 The stress distribution of the structure after improvement under RLE(The left figure) and dead weight+RLE (The right figure) earthquake

(2)預(yù)潤(rùn)滑油泵組改進(jìn)后分析結(jié)果

通過泵機(jī)組改進(jìn)后的構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果可知，泵機(jī)組在地震、自重載荷作用下的應(yīng)力很小，最大的應(yīng)力強(qiáng)度為18.3 MPa，遠(yuǎn)小于其許用值138.75 MPa。

2.3 改進(jìn)前后泵機(jī)組力學(xué)性能對(duì)比

改進(jìn)前后泵組的固有頻率對(duì)比見表1，從表中可知，改進(jìn)前后泵機(jī)組的固有頻率是一致的，最大校對(duì)誤差0.009 9%(理論分析表明改進(jìn)前后泵機(jī)組的固有頻率應(yīng)完全一致，有限元數(shù)值分析存在微小的誤差)。

表1 改進(jìn)前后頻率對(duì)比

在地震改進(jìn)前、后泵機(jī)組在RLE地震載荷作用下的應(yīng)力對(duì)比：

改進(jìn)前最大薄膜加彎曲應(yīng)力：4.23 MPa；

改進(jìn)后最大薄膜加彎曲應(yīng)力：4.24 MPa；

改進(jìn)前后泵機(jī)組在RLE地震載荷作用下的應(yīng)力基本一致(理論分析表明改進(jìn)前后泵機(jī)組在地震載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)完全一致，有限元數(shù)值分析存在微小的誤差：-0.23%)。

2.4 抗震分析結(jié)論

采用理論分析和有限元數(shù)值分析的方法論證了預(yù)潤(rùn)滑油泵機(jī)組結(jié)構(gòu)改進(jìn)(方向改變)后對(duì)原泵機(jī)組的抗震性能的影響，分析結(jié)果表明泵機(jī)組安裝優(yōu)化后在地震載荷作用下的應(yīng)力、位移等于原結(jié)構(gòu)一致，動(dòng)態(tài)特性保持不變。

改進(jìn)后，自重與RLE地震載荷聯(lián)合作用下的應(yīng)力有微小的增加。

原安裝方式的最大薄膜加彎曲應(yīng)力為16.3 MPa，遠(yuǎn)小于許用值138.75 MPa；改進(jìn)后安裝方式的最大薄膜加彎曲應(yīng)力為18.3 MPa，遠(yuǎn)小于許用值138.75 MPa。

因此，原始安裝和改進(jìn)方式對(duì)結(jié)構(gòu)在自重和地震聯(lián)合作用下的影響較小，兩種安裝方式的應(yīng)力強(qiáng)度均小于設(shè)計(jì)許用值，且具有較大的裕量。

3 改進(jìn)對(duì)系統(tǒng)流量和揚(yáng)程影響分析

由于管路閥門設(shè)置未變化，故改進(jìn)對(duì)預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)流量和揚(yáng)程和影響主要考慮泵組安裝方式變化。改進(jìn)后泵出口位置降低約0.5 m。根據(jù)原泵使用要求，泵進(jìn)口處背壓應(yīng)大于-0.1 bar。原泵組使用時(shí)進(jìn)口壓力約0 bar。改進(jìn)后由于泵組進(jìn)口位置降低，提高了進(jìn)口處背壓，增加值為0.045 bar，滿足泵組運(yùn)行條件。泵組的出口降低，考慮到進(jìn)口一樣降低，背壓增加，因此出口的揚(yáng)程無影響。

齒輪泵是一種定容積泵。其利用齒輪間的空腔，通過旋轉(zhuǎn)的方式，通過內(nèi)外側(cè)不同的體積變化輸送介質(zhì)[3]。由于內(nèi)外側(cè)空腔尺寸的差值是由齒輪加工尺寸確定的，因此當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，其輸送能力是固定的，不能變流量。本次改進(jìn)后預(yù)潤(rùn)滑油泵轉(zhuǎn)速不變，因此泵的輸送能力不改變，對(duì)流量無影響。

泵的出口軟管增加了一定長(zhǎng)度，會(huì)增加一定阻力。出口軟管內(nèi)徑46 mm，增加的長(zhǎng)度約400 mm。其增加的阻力計(jì)算：

(1)

式中:L為增加長(zhǎng)度,L=0.4 m

D為管道內(nèi)徑,D=0.046 m

ρ為密度,ρ=900 kg/m3

v為速度,v=0.72 m/s

f為阻力系數(shù),

由于泵的出口揚(yáng)程約0.5 MPa，計(jì)算管道增加的流阻與揚(yáng)程比值為0.8‰，可見增加的阻力損失占比很小。故分析布置改進(jìn)后管道增長(zhǎng)造成的阻力損失影響忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

本研究提出了預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)布置改進(jìn)方案，就改進(jìn)后對(duì)應(yīng)急柴油機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的抗震和出力影響開展了分析：經(jīng)研究，預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)布置改進(jìn)滿足設(shè)備抗震要求、滿足系統(tǒng)流量和揚(yáng)程要求，改進(jìn)具備可行性。

此改進(jìn)適用于中國(guó)核電行業(yè)50多臺(tái)MTU所產(chǎn)20V956TB33型柴油機(jī)，為其預(yù)潤(rùn)滑油泵電機(jī)進(jìn)油故障徹底解決提供了改進(jìn)方案，從而提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。