EPR三流環密封油系統中間側回路啟動超壓研究

李松海，蘇 磊, 石 剛

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EPR三流環密封油系統中間側回路啟動超壓研究

李松海，蘇 磊, 石 剛

（中廣核工程有限公司, 廣東 深圳 518124）

臺山EPR核電項目一期工程發電機密封瓦為三流環結構，包括空側回路、氫側回路、中間側(即真空側)回路，該項目的三流環密封油系統在世界上首次加裝了蓄能器回路。調試過程中發現中間側回路在發電機轉子低轉速工況下啟動會導致密封油系統供油壓力嚴重超壓，無法啟動。本文探討中間環路無法啟動問題的根本原因，并據此研究設計解決方案，增加相關從業人員對三流環密封油系統的認識，為三流環密封油系統設計完善提供技術參考。

EPR；三流環密封油系統；容積泵；蓄能器；空側回路止回閥

0 前言

臺山EPR核電項目一期工程汽輪發電機是由ALSTOM-DEC聯合提供的首臺1750MW 4極發電機,采用ALSTOM公司技術制造，型號TA1800-83，水-氫-氫冷卻。該型發電機的密封瓦為三流環式結構，在密封瓦中有三道環形油腔，組成密封油系統的三個環路。在發電機密封油系統單系統調試過程中，出現了中間側回路啟動導致系統密封油壓嚴重超過設計值問題，導致了中間側回路無法啟動，問題嚴重制約機組調試進度，亟需解決。

1 三流環密封油系統簡介

1.1 臺山EPR核電機組三流環密封油系統簡介

臺山EPR核電項目一期工程的三流環密封油系統[1]（以下簡稱GHE）在結構上包括氫側及空側密封。每個密封環在圓周方向設計有通流槽。空側及氫側密封環疊放安裝，中間設計多個凸臺保證空側與氫側之間形成通流間隙，形成位于兩者中間的中間側回路。密封瓦結構示意圖如圖1所示。

圖1 三流環密封瓦結構示意圖

系統正常運行時，GHE系統的密封油源來自汽輪機潤滑油系統的母管潤滑油。空側、中間側及氫側三個環路分別通過各自環路的油泵提供壓力為0.65MPa、0.67MPa、0.67MPa[2]的密封油進入密封瓦，處于中間環路的真空油路在空側和氫側之間起到一個隔離作用，徹底阻止了油液中空氣和氫氣的混合，有利于保證氫氣純度，減少氫氣消耗量。GHE系統流程簡圖如圖2所示。

1.空側交流油泵；2.空側直流油泵；3.冷卻器；4.過濾器；5.油氫壓差閥；6.空側供油逆止閥；7.蓄能器；8.空側油箱；9.空側油箱排煙風機；10.真空油泵；11.真空油泵安全閥；12.真空泵；13.真空油箱；14.真空回路調壓逆止閥；15.氫側油泵；16.過濾器；17.冷卻器；18.氫側油位控制閥；19.氫側油壓調節閥

由于中間側回路及氫側回路均由空側回路供油，因此空側回路安全級別最高。設計了一臺主密封油泵、一臺應急交流密封油泵、一臺不間斷電源供電的事故直流密封油泵，并設計了蓄能器回路穩定空側回路密封油壓。真空側回路及氫側回路失去的情況下，可以單獨由空側回路保證氫氣的密封。

1.1.1 空側回路

空側密封油回路由三臺泵組成，兩臺交流油泵，一用一備，一臺備用直流油泵。正常運行時，空側密封油通過密封油泵從空側油箱取油，經冷油器和過濾器進入到發電機汽勵兩端的空側密封環。空側密封油壓力通過一運一備油氫壓差閥（圖2閥5）調節控制，保證在任何運行方式下空側密封油壓力大于發電機內氫氣壓力0.05MPa。

在空側供油回路上設置有一組應付瞬態情況的蓄能器，其主要功能是在密封油泵出口壓力下降時，向密封瓦提供所需的密封油，維持3s，保證油壓大于氫壓。空側回路正常運行時，蓄能器回路出口電磁閥關閉；當空側密封回路油壓出現波動時，蓄能器出口電磁閥開啟，空側供油逆止閥保證蓄能器油壓全部輸出到密封瓦穩定空側供油壓力。

1.1.2 中間側回路

中間側回路即真空側回路，主要包括一臺真空油泵、真空油箱、真空泵和調壓逆止閥，用于分離發電機密封瓦空側和氫側密封油回路，同時真空泵除去密封油中所含的氣體（發電機泄漏的氫氣和油氣等），保證密封油的純度和發電機密封效果。正常運行時，空側回路向真空油箱補油，真空油泵從真空油箱取油向發電機汽勵兩端提供密封。真空側回路通過空側供油回路與真空側供油回路間的逆止閥（圖2閥14）調節油壓，保證真空側油壓總是大于空側油壓0.02MPa[3]。

1.1.3 氫側回路

發電機密封瓦氫側環的密封油分別由兩個獨立、相同的回路提供。每個回路主要由一臺交流油泵，過濾器，冷卻器等設備組……氫側密封油經過氫側油泵升壓后，通過氫側冷油器和過濾器供油至汽勵兩端的氫側密封環，流經排油室返回氫側油泵入口管線，形成閉式循環。氫側回路正常運行時，氫側油壓由氫側油泵入口油位決定，油位高度由氫側回路的供回油管線間的油壓調節閥（圖2閥19）維持恒定，從而保證氫側油壓與真空側油壓相同。在氫側油泵入口管油位超過限值（不能導致發電機進油）時，過剩的氫側油經回油管線油位控制閥（圖2閥18）返回空側油箱，其中勵端氫側油直接返回油箱，汽端經過汽勵兩端之間的U形虹吸連通管間接返回。虹吸管防止汽勵兩端間氣體和氫側回油的流竄。

1.2 臺山EPR核電機組三流環密封油系統相比常規火電三流環密封油系統的優點

常規火電三流環密封油系統與臺山項目三流環密封油系統相比，空側回路無蓄能器及出口逆止閥，其他設備基本一樣，如圖3、圖4所示。

圖3 臺山核電空側/真空側回路示意圖

常規火電三流環密封油系統以安徽平圩電廠[4]為例，在機組額定轉速運行工況下，兩臺空側泵運行，然后停運一臺空側泵時會出現約1s的系統失壓情況，系統密封油壓低于20kPa，導致跳機，如圖5所示。

這是由于空側回路啟動兩臺泵（容積泵）的情況下流量是一臺泵時流量的兩倍（容積泵流量基本為定值）[5]。因此空側回路油氫壓差閥開度較大，將多余的流量旁路回空側主密封油。當停運一臺泵的瞬間，空側回路油氫壓差閥需要一定響應時間[6]來關小旁路流量，而這時只有一臺泵運行，流量即全部旁路回主油。這段時間會出現密封油壓不足，低于20kPa跳機值（見圖5，高峰值即啟動兩臺泵，低峰值即停運一臺泵導致的系統失壓）[7]。這屬于設計缺陷，問題無法從根本上解決。三流環密封油系統制造商采取將約1s的系統油氫壓差值低跳機信號屏蔽，臨時解決該問題。但是系統失壓1s的時間內可能會有發電機氫氣微量泄露風險[8]。

圖4 常規火電空側/真空側回路示意圖

圖5 系統油氫壓差曲線

臺山項目EPR機組三流環密封油系統相比常規火電在空側回路增加了逆止閥以及三臺蓄能器。兩臺泵運行停運一臺泵的工況下，逆止閥會阻止泵出口的流量通過旁路閥泄油回油箱[9]。同時安裝在逆止閥下游的蓄能器也會動作，為空側回路補充密封油，從而避免了系統失壓進而導致跳機事件的發生，從設計理論上解決了常規火電三流環密封油系統空側泵切換導致的失壓問題。

2 中間側回路無法啟動現象及原因分析

2.1 中間側回路啟動超壓現象

在2015年5月9日，現場首先啟動GHE空側泵GHE2115PO，啟動后穩定參數如下：空側油壓2418LP=0.06MPa，2438LP=0.062MPa。

之后啟動中間側環路：啟動中間側泵GHE3215PO（啟動前安全閥全松），GHE3215PO出口加裝臨時壓力表VLP測量泵出口壓力，3412LP、3232LP為真空側回路供油壓力表，如圖6所示。通過調整中間側密封油泵安全閥逐步調高泵出口壓力（VLP），觀察記錄發電機處供油壓力，數據見表1。

圖6 中間側/空側回路示意簡圖

表1 中間側/空側壓力對比 MPa

在中間側密封油泵啟動后，當泵出口壓力調節為0.28MPa，真空回路供油壓力已高達0.12MPa（空側油氫壓差高報警值0.1MPa，中間側油壓比空側大0.02MPa），繼續升壓可能導致發電機進油，因此無法繼續調整中間側泵安全閥至設定值1.21MPa。可得出結論：在發電機零壓力及轉子零轉速下，由于超壓問題，中間側密封油泵無法啟動。

2.2 中間側回路啟動超壓原因探討

2.2.1 理論分析

密封油系統在單系統調試階段和正常運行工況下所需密封油流量差別很大，系統設計是按照機組正常運行工況（1500r/min，0.6MPa氫氣）計算得出三個環路流量，進而為泵選型。泵均為容積泵：空側回路單臺密封油泵655L/min，真空側回路密封油泵93L/min，氫側回路單臺密封油泵113L/min。

油氫壓差0.05MPa，測量發電機0壓力下密封油流量為2.2m3/h，發電機額定壓力下流量為2.6m3/h，即在發電機轉子靜止工況，所需密封油流量只有2~3m3/h。而設計時依據發電機1500r/min工況計算設定中間側密封油泵額定流量為93L/min≈5.6 m3/h。中間側泵為容積泵，流量一定，且該回路未設計旁路調節，因此中間側泵啟動后，超過密封瓦所需流量的密封油充斥密封油系統供油管線，一定的空間內，多余的流體壓縮導致系統超壓。

2.2.2 理論計算

根據伯努利方程可得：

對系統而言，管道相同、流體相同，在不同流量工況(Q,Q)下得出油氫壓差關系：

同理可得出發電機額定壓力0轉速時，油氫壓差為0.232MPa，同樣嚴重超壓。

由此得出真空側回路無法啟動的根本原因：在發電機低轉速工況下，系統密封瓦所需流量較小，設計時未充分考慮發電機低轉速工況，導致該工況下中間側泵（容積泵）流量相對過大，系統流量超過密封瓦所需流量，進而導致系統密封油壓遠超正常值，中間側回路無法啟動。

2.2.3 試驗驗證

為了驗證分析的正確性，我們設計了專項試驗。從系統整體分析，空側回路在發電機靜止工況也是超流量狀態，但是由于有旁路管線可以將多余密封油旁路回油箱，可以成功啟動。中間側沒有旁路管線，但是密封油三個環路在密封瓦處是相通的，因此可以設想通過打開空側供油逆止閥的旁路閥來讓中間側回路多余密封油流量旁路回主密封油箱。

試驗步驟：真空側泵出口壓力（VLP）、汽端空側壓力（2418LP）、汽端真空側壓力（3412LP）、勵端空側壓力（2438LP）、勵端真空側壓力（3232LP），并在空側泵出口母管上加裝一超聲波流量計記錄空側回路密封油流量（MD），先啟動空側回路，穩定后啟動中間側回路，逐步調高中間側泵出口安全閥設定值，直至1.21MPa，試驗數據見表2。

由以上試驗可知：在打開空側供油逆止閥的旁路閥后，隨著真空側泵出口壓力升高，空側進油管流量逐漸下降，最終變為負流量，說明中間側回路密封油通過空側的旁路閥，將多余流量旁路回了空側主油箱，系統壓力最終穩定在0.11MPa，完成了中間側回路的啟動。

表2 打開空側回路逆止閥的旁路閥試驗數據

這說明EPR核電機組三流環密封油系統在解決常規火電三流環密封油系統失壓的同時由于逆止閥的引入導致了新的問題產生，中間側多余流量無法通過空側旁路調節閥回空側油箱，中間側回路在汽輪發電機組低轉速工況下無法啟動。

3 解決方案

由于三流環密封油系統設計原則是中間側油壓比空側油壓大0.02MPa，而不是中間側密封油壓比發電機氫壓大0.07MPa，因此真空側與空側之間壓力調節是靠靠近發電機處的空側——真空側調壓逆止閥實現，單獨在真空側回路增加調壓閥的方案不可取。

方案1：將空側供油逆止閥的旁路閥修改為電磁閥，如圖7所示。

圖7 方案1示意圖

電磁閥增加邏輯：當真空側密封油壓--發電機氫壓大于0.1MPa時閥門打開，低于該值時關閉。這樣在發電機轉子靜止情況下，真空側密封油流量大，真空側油氫壓差壓力遠大于0.1MPa，這時空側出口逆止閥的旁路電磁閥打開，真空側回路多余密封油可以旁路回空側密封油箱；當機組沖轉后，隨著轉速升高，密封瓦所需密封油流量增大，一定轉速后真空側油氫壓差值低于0.1MPa，電磁閥關閉，系統正常運行。

電磁閥打開的情況下，與空側回路不帶逆止閥的常規火電三流環密封油系統相似，已有成功先例。同時，這種情況下真空側密封油壓大于氫壓0.1MPa，代表僅靠真空側流量即能滿足密封瓦所需密封油流量，即使空側回路密封油泵切換，也會由真空側密封油補充到密封瓦，不會產生常規火電的系統失壓；而當機組正常運行時（轉速1500r/min，氫壓0.6MPa），電磁閥會關閉，蓄能器與逆止閥能起到設計的穩壓作用。

方案2：將空側/真空側調壓逆止閥與空側回路的接口更改到空側泵出口逆止閥前的位置（圖8）。

圖8 方案2示意圖

由于空側——真空側逆止閥與空側接口移到了空側逆止閥前，這樣真空側多余流量可以直接通過空側回路旁路逆止閥流回到空側油箱。但是由于發電機勵端、汽端空側管路長度不一樣，管阻也不同，勵端、汽端空側供油壓力會有微小差別。而空側——真空側調壓逆止閥的空側取樣點在空側回路母管上，這樣會導致空側——真空側回路密封油壓壓差在勵端、汽端略不相等。

方案3：ALSTOM正式方案-順控邏輯修改

臺山項目設計修改需法方ALSTOM同意，ALSTOM確認了中間側密封油回路在發電機低轉速下無法啟動的問題，并采納了打開空側供油逆止閥旁路閥來調試中間側回路的調試方案。但是ALSTOM基于現場進度及改造工作量方面考慮，其處理方案為決定在發電機低轉速下不啟動中間側回路：修改三流環密封油系統啟停邏輯，將GHE系統三個環路順序啟動邏輯修改為分別啟動三個環路，在汽輪發電機轉子非沖轉狀態只啟動空側、氫側回路密封油，轉速＞1000r/min后再啟動中間側回路。

該方案缺點：只有在機組沖轉至轉速＞1000r/min時中間側回路密封油才啟動，其他工況下三流環密封油系統只有兩個環路運行，中間真空側回路隔離功能失效（三流環密封油系統在這些工況下變成雙流環），會使空側回路含氫量上升，需要密切關注發電機氫氣純度及氫氣泄漏率。

圖9 方案3順控邏輯修改示意圖

4 結語

臺山項目三流環密封油系統作為世界上首臺增加了蓄能器及逆止閥的三流環密封油系統，有其設計上領先的地方，同時也由于考慮不周，細微的設計改變引入了新的問題——真空側回路在發電機低轉速下無法啟動。本文通過理論分析得出根本原因，并通過試驗驗證找出了處理方案，為相關從業人員尤其是設計人員提供思路。

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Study of Overpressure Issue on Start of the Vacuum-circuit in EPR Triple flow Seal Oil System

LI Songhai, SU Lei, SHI Gang

(China Nuclear Power Engineering Co. Ltd., Shenzhen 518124, China)

Generator with triple flow seal oil system which include the air-oil circuit, H2-oil circuit and vacuum-oil circuit was adopted in the EPR first-phase project. Accumulator was employed for the very first time in the triple flow seal oil stystem. However, the oil was over pressured when the generator rotor is in low rotation speed in the field debug and resulted in failure of the start of the seal oil system. This paper is devoted to the exploration of the root cause of the failure of start of middle loop and solutions of it. It is helpful for the engineers to get more insight into the triple flow seal oil system.

EPR; triple flow seal oil system; positive displacement pump; accumulator; check valve in the air-circuit

TM623

B

1000-3983(2018)03-0075-06

2017-06-28

李松海（1988-），2011年畢業于華中科技大學能源與動力工程專業，獲學士學位，現從事核電站常規島及BOP調試工作，工程師。