核電應(yīng)急柴油機預(yù)潤滑油系統(tǒng)布置改進研究

賴斌生，閔濟東，余澤輝

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350315)

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

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

故本文提出預(yù)潤滑油系統(tǒng)布置改進方法，以徹底解決電機進油異常。由于泵應(yīng)用于核級應(yīng)急柴油機，需考慮抗震等因素，本文通過理論分析和數(shù)分析法明確了改進對核級設(shè)備抗震的影響，以及對油泵流量和揚程的影響。

1 改進方案簡介

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

通過改進，利用重力作用使得泄漏無法進入電機，從而徹底解決共性問題。

為了盡量減少改進對系統(tǒng)的影響，故預(yù)潤滑系統(tǒng)閥門管路保持不變，只改變預(yù)潤滑油泵泵進出口連接的軟管。進出口軟管為活接頭連接，在安裝時調(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)場測量，改進后預(yù)潤滑油泵電機上部安裝空間不足，會與上方管道干涉，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)急柴油機底座上重新打4個M12的螺紋孔，螺紋孔按原螺紋孔參數(shù)進行鉆孔加工。

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

改進后，泵進出口的軟管長度增加進口軟管入口軟管長度增加500 mm，出口軟管長度增加800 mm。電機用原有電纜安裝點改變，但是長度滿足要求，電纜接口拆卸后根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(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)潤滑油系統(tǒng)布置改進對抗震的影響考慮泵組改進影響即可。改造前后泵機組的結(jié)構(gòu)、載荷基本相同，因此改進前后兩種結(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)計規(guī)范，結(jié)構(gòu)在三個方向的地震響應(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，即采用改變泵機組的安裝方向?qū)Ρ脵C組的地震響應(yīng)沒有影響。

2.2 數(shù)值分析法

(1)預(yù)潤滑油泵組改進前應(yīng)力分析

泵機組改進前結(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，泵機組在地震、自重載荷作用下的應(yīng)力很小，最大的應(yīng)力強度為16.3 MPa，遠小于其許用值1.5S=138.75 MPa(考慮泵機組在事故工況下的可運行性，D級工況保守地按B級工況評價，下同)。

圖3 改進前結(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)潤滑油泵組改進后分析結(jié)果

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

2.3 改進前后泵機組力學性能對比

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

表1 改進前后頻率對比

在地震改進前、后泵機組在RLE地震載荷作用下的應(yīng)力對比：

改進前最大薄膜加彎曲應(yīng)力：4.23 MPa；

改進后最大薄膜加彎曲應(yīng)力：4.24 MPa；

改進前后泵機組在RLE地震載荷作用下的應(yīng)力基本一致(理論分析表明改進前后泵機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)潤滑油泵機組結(jié)構(gòu)改進(方向改變)后對原泵機組的抗震性能的影響，分析結(jié)果表明泵機組安裝優(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，動態(tài)特性保持不變。

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

因此，原始安裝和改進方式對結(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)力強度均小于設(shè)計許用值，且具有較大的裕量。

3 改進對系統(tǒng)流量和揚程影響分析

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

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，因此當轉(zhuǎn)速一定時，其輸送能力是固定的，不能變流量。本次改進后預(yù)潤滑油泵轉(zhuǎn)速不變，因此泵的輸送能力不改變，對流量無影響。

泵的出口軟管增加了一定長度，會增加一定阻力。出口軟管內(nèi)徑46 mm，增加的長度約400 mm。其增加的阻力計算：

(1)

式中:L為增加長度,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),

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

4 結(jié)論

本研究提出了預(yù)潤滑油系統(tǒng)布置改進方案，就改進后對應(yīng)急柴油機預(yù)潤滑油系統(tǒng)的抗震和出力影響開展了分析：經(jīng)研究，預(yù)潤滑油系統(tǒng)布置改進滿足設(shè)備抗震要求、滿足系統(tǒng)流量和揚程要求，改進具備可行性。

此改進適用于中國核電行業(yè)50多臺MTU所產(chǎn)20V956TB33型柴油機，為其預(yù)潤滑油泵電機進油故障徹底解決提供了改進方案，從而提高設(shè)備運行可靠性。