CPR1000東方機(jī)型汽機(jī)潤(rùn)滑、頂軸及盤(pán)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(guó)改進(jìn)型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）東方機(jī)型核廠汽輪機(jī)采用的是東汽引進(jìn)法國(guó)阿爾斯通（ALSTOM）技術(shù)生產(chǎn)的半速機(jī)組，該機(jī)組采用1個(gè)高中壓合缸，3個(gè)低壓缸，共對(duì)應(yīng)10個(gè)軸承。其汽機(jī)潤(rùn)滑、頂軸及盤(pán)車系統(tǒng)（GGR）承擔(dān)著向汽輪發(fā)電機(jī)組的軸頸軸承、推力軸承和盤(pán)車裝置提供潤(rùn)滑油，向軸頸軸承提供機(jī)組啟動(dòng)和停運(yùn)時(shí)所需的頂軸油，向發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)提供密封油的功能，對(duì)潤(rùn)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(yàn)收準(zhǔn)則并堅(jiān)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(shì)，有效地保證油沖洗質(zhì)量，但在機(jī)組聯(lián)調(diào)啟動(dòng)階段也發(fā)生過(guò)類似頂軸油泵出口壓力波動(dòng)、潤(rùn)滑油母管油壓波動(dòng)等異常事件，經(jīng)事件原因分析可能與潤(rùn)滑油中含有顆粒污染物有關(guān)，間接說(shuō)明了該核電廠GGR系統(tǒng)油沖洗質(zhì)量控制不完善的問(wèn)題，因此，針對(duì)技術(shù)方案開(kāi)展優(yōu)化研究并制定改進(jìn)措施有現(xiàn)實(shí)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(jī)組的油沖洗技術(shù)方案，其中潤(rùn)滑油系統(tǒng)采用大流量裝置進(jìn)行油沖洗，頂軸油系統(tǒng)通過(guò)臨時(shí)油箱取油進(jìn)行油沖洗，設(shè)備電源采用臨時(shí)施工電源。

2.1 頂軸油沖洗

根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)組安裝邏輯，為配合汽輪機(jī)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(rùn)滑油沖洗獨(dú)立開(kāi)來(lái)，并在其之前進(jìn)行。

為了保證頂軸油泵沖洗和投運(yùn)期間設(shè)備內(nèi)部清潔度，在汽輪機(jī)廠房16 m平臺(tái)安裝1個(gè)臨時(shí)油箱作為頂軸油泵的吸油口，油箱容積約10m3。通過(guò)具備過(guò)濾和除水功能的臨時(shí)濾油機(jī)從主油箱取油往臨時(shí)油箱上油，頂軸油泵通過(guò)臨時(shí)管道從臨時(shí)油箱吸油，然后進(jìn)行頂軸油系統(tǒng)管路沖洗循環(huán)，通過(guò)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(shí)油箱沖洗；②頂軸油泵啟動(dòng)；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(rùn)滑油沖洗

潤(rùn)滑油系統(tǒng)采用大流量沖洗裝置進(jìn)行油沖洗。潤(rùn)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(guò)濾裝置采用分體式布置設(shè)計(jì)）。大流量泵及就地起停按鈕安裝在潤(rùn)滑油室，大流量控制柜、加熱器組件和過(guò)濾裝置安裝在油室上方的16 m汽輪機(jī)平臺(tái)。通過(guò)大流量裝置從GGR系統(tǒng)主油箱底部吸油，出油口與潤(rùn)滑油母管相連，同時(shí)出口增加一路直接排GGR系統(tǒng)主油箱的旁路，通過(guò)設(shè)置不同的管路狀態(tài)，建立不同階段的潤(rùn)滑油沖洗循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供回油管道和各軸瓦的分段沖洗。潤(rùn)滑油系統(tǒng)沖洗油循環(huán)如圖2所示。

圖2 潤(rùn)滑油系統(tǒng)沖洗油循環(huán)

潤(rùn)滑油沖洗步驟：①主油泵回路沖洗；②發(fā)電機(jī)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(kāi)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(dòng)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(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置特點(diǎn)的技術(shù)方案，引進(jìn)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(shì)，經(jīng)過(guò)多項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用實(shí)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(jì)要求不可靠、沖洗方法不完善、沖洗范圍不全面和驗(yàn)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(jìn)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(diǎn)開(kāi)展深入分析，并針對(duì)技術(shù)方案中存在的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.1 設(shè)計(jì)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(duì)充排油管線進(jìn)行過(guò)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(wú)法有效過(guò)濾鐵銹，充油時(shí)會(huì)將顆粒污染物帶入主油箱。因?yàn)轫斴S油泵是柱塞泵，對(duì)顆粒污染物異常敏感，曾經(jīng)就發(fā)生過(guò)在頂油泵連續(xù)運(yùn)行期間進(jìn)行充油工作，頂軸油泵出口油壓異常波動(dòng)的事件。

為了確保潤(rùn)滑油系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計(jì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)部件時(shí)，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(rùn)滑油顆粒度控制要求和保護(hù)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(jì)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(duì)于GGR系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(dá)到3 m/s以上（流速為油系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的3～4倍），且雷諾數(shù)至少能達(dá)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(huì)將沖洗油溫控制在允許范圍內(nèi)，并盡可能提高以減小潤(rùn)滑油粘度。在加熱階段，潤(rùn)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(duì)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(shí)通過(guò)重復(fù)加熱和冷卻使管道擴(kuò)大或收縮，可有效除去黏在管道上的污染物。因此，對(duì)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(chǎng)實(shí)際可能的最高溫度，冷卻油溫最低到實(shí)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(dòng)，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(rùn)滑油和頂軸油供/回油管道、冷油器、過(guò)濾器和泵組及相關(guān)管道等，通過(guò)分階段分步?jīng)_洗基本覆蓋了全部范圍。但作為儲(chǔ)油單元的潤(rùn)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(huì)單獨(dú)進(jìn)行系統(tǒng)油沖洗，但執(zhí)行欠規(guī)范且驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)低，也增加了后續(xù)潤(rùn)滑油傳輸期間顆粒污染物的引入風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)比先進(jìn)的非能動(dòng)型壓水堆核電技術(shù)（AP1000）汽輪機(jī)組就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其對(duì)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(jìn)行室外儲(chǔ)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(yàn)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(shí)缺少對(duì)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(rùn)滑油壓力調(diào)節(jié)閥主部件拉毛，動(dòng)作過(guò)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(kāi)失效等異常情況。該核電廠3號(hào)機(jī)組聯(lián)調(diào)啟動(dòng)期間發(fā)生的潤(rùn)滑油母管壓力頻繁波動(dòng)事件正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

3.4 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)現(xiàn)行能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，油清洗驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)油沖洗過(guò)程中應(yīng)不定期對(duì)油質(zhì)進(jìn)行分析，清洗后應(yīng)采用濾網(wǎng)檢驗(yàn)，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(wú)要求時(shí)，管道油清潔后應(yīng)采用濾網(wǎng)檢驗(yàn)。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(huì)給出各自的油清洗合格標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)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(yàn)油質(zhì)的方式來(lái)判斷每階段油沖洗是否合格，其中驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是油質(zhì)清潔度達(dá)到NAS 9級(jí)。可見(jiàn)，相對(duì)上汽和哈汽機(jī)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。雖然有操作簡(jiǎn)單和節(jié)省工期的優(yōu)勢(shì)，但僅通過(guò)化學(xué)取樣法來(lái)作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而不同時(shí)采用機(jī)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(rùn)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(jì)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(lái)控制沖洗油溫。油溫以潤(rùn)滑油允許加熱最高溫度為上限，建議不超過(guò)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(gè)循環(huán)周期，開(kāi)始2h為冷態(tài)沖洗階段，中間4h啟動(dòng)加熱器進(jìn)行熱態(tài)沖洗，后2h停運(yùn)加熱器進(jìn)行自然降溫沖洗階段，同時(shí)在沖洗過(guò)程中輔以管道尤其是焊接部分的外部敲擊振動(dòng)，以增強(qiáng)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(rùn)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(jī)之間的主要管道，沖洗動(dòng)力來(lái)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(guò)檢查油凈化裝置保護(hù)過(guò)濾器清潔度和化驗(yàn)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(dòng)力來(lái)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(guò)檢查供油濾網(wǎng)和化驗(yàn)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(shí)進(jìn)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(kāi)位置，使母管流量以最大旁路流量通過(guò)調(diào)節(jié)閥，對(duì)調(diào)節(jié)閥及其平衡管線進(jìn)行沖洗后再對(duì)母管壓力按設(shè)計(jì)值整定，建議重復(fù)2～3次。

4.4 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化

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

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

②機(jī)械檢查法：每階段油沖洗監(jiān)測(cè)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(shì)。同時(shí)，每階段化學(xué)取樣合格后對(duì)主油箱回油濾網(wǎng)進(jìn)行目視檢查，確認(rèn)無(wú)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(gè)，滿足上述要求后再連續(xù)沖洗60min以上則合格。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該核電廠CPR1000東方機(jī)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(guò)本文研究，發(fā)現(xiàn)仍存在優(yōu)化空間，后續(xù)同類型機(jī)組在編制GGR系統(tǒng)油沖洗技術(shù)方案時(shí)可特別關(guān)注和參考借鑒。

①設(shè)計(jì)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(rùn)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(shí)現(xiàn)整體控制驗(yàn)收，同時(shí)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：提高化學(xué)取樣法的油質(zhì)清潔度等級(jí)，同時(shí)增加機(jī)械檢查法驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。