核電主給水泵油溫控制和異常處置優化研究

谷鐵

關鍵詞：工作油溫；潤滑油溫；液力耦合器；滑差；工作油冷卻水流量

引言：M310型核電機組主給水泵油系統分為潤滑油回路和工作油回路。潤滑油回路的功能是保證給水泵組軸承的潤滑。工作油回路的功能是利用改變液力耦合器勺管位置來實現泵的轉速調節。油系統通過油循環流動和油冷卻器，排出運行過程中產生的熱量。潤滑油回路和工作油回路各自相對獨立，但使用同一種油，共用一個液力耦合器油箱。因此主給水泵油溫的控制事關主給水泵軸承及其液力耦合器安全可靠運行。

? 一、主給水泵油系統油溫控制分析

在主給水泵液力耦合器動力傳輸中，由于渦輪的速度小于泵輪速度，該速度差稱為滑差。由于速度差的存在而導致的動力損失對工作油加熱升溫。同時軸承摩擦將引起潤滑油溫度上升，潤滑油油溫由含溫敏材料的溫控閥自動控制。以下主要研究分析工作油溫度控制。

? 1.工作油溫度控制分析

工作油溫度取決于功率損失（滑差）和工作油流量、工作油冷卻水流量，且受溫度測量儀的監控。

（1）滑差對工作油溫的影響

設泵輪轉速為Nb，渦輪轉速為Nt，則滑差S=（Nb－Nt）/Nb。泵輪的轉速是一定的，為5012rpm。渦輪轉速（即壓力級泵轉速），泵啟動時最小轉速大約為710rpm，泵最大輸出轉速為4855rpm。所以壓力級泵運行時，泵輪和渦輪間一般是存在滑差的。若不對工作油冷卻散熱，工作油溫度將持續上升。由于速比v=Nt/Nb，泵輪輸入功率Pb=（Pt×Nb）/Nt，計算滑差損失功率ΔP=Pt×（Nb－Nt）/Nb。根據相似原理電機額定功率與輸出轉速的三次方成正比，電機額定功率下的轉速為泵輪轉速，因此Pt=P×（Nt/Nb）3，將v=Nb/Nt代入求解得：ΔP=P×（v2－v3）。進行微分計算得出當轉速比為2/3（Nt=2/3×Nb=2/3×5012rpm≈3341rpm）時，液力耦合器滑差損失功率最大，工作油溫最高。

由于主給水泵的最小唧送轉速約為3600rpm，即轉速上升到3600rpm時開始可以向蒸汽發生器（SG）注入水。因此隨著核電機組功率的上升，SG給水量需求增大，主給水泵轉速逐漸增大，滑差降低，滑差引起損失功率降低，反之機組功率下降時，主給水泵滑差降低，滑差引起損失功率增大。

（2）工作油流量對工作油溫的影響

油的流量由油流量控制閥來控制。當泵轉速變化時，通過勺管和油流量控制閥連接的操縱桿機構連帶動作油流量控制閥，來改變工作油流量。泵轉速增加時，滑差減小，動力傳遞損失減小，產生的熱量減小，工作油溫度有下降趨勢。同時轉速增加，為勺管拔出工作腔室的過程，連動油流量控制閥關小，降低工作油流量，使得工作油冷卻器中冷卻效果下降。反之泵轉速降低時亦然。

（3）冷卻水流量

工作油冷卻器的冷卻水（常規島閉式冷卻水系統（SRI）提供）流量由冷卻水流量控制閥或其旁路閥來控制。通過對冷卻水流量控制閥設定給定溫度值，通過溫度測量值與給定值的偏差來控制流量控制閥的開度來增加或降低冷卻水流量來調節油溫度。

? 2.工作油溫度異常的危害

（1）油溫度高的危害

工作油溫度過高，將影響液力耦合器的傳遞特性，因工作油和潤滑油共用油箱，將引起油粘性下降，使得泵組軸承潤滑效果變差，可能造成軸承磨損。工作油溫度高到160℃，將引起耦合器工作腔室上的易熔塞熔化，液力耦合器損壞。

（2）油溫度低的危害

當油箱中的油溫<40℃，油氣分離器的油氣分離效果差，油產生泡沫，將引起工作油泵壓力波動，將導致給水泵自動/手動控制時輸出速度振蕩或執行器和勺管周期的移動。另要求油溫不得<5℃，油箱油溫太低將使得油箱中電動潤滑油泵啟動力矩太大，可能導致油泵不能啟動。

? 二、工作油溫度異常處置

? 1.工作油溫度異常處置誤區

工作油溫控制存在誤認為只要降低主給水泵轉速可以緩解工作油溫度異常高問題。實際上，當降低機組功率（使得水汽壓差下降，主給水泵轉速自動調節下降）或是手動降低主給水泵轉速時，而液力耦合器泵輪轉速是一定的（5012rpm），所以泵轉速（渦輪轉速）降低，液力耦合器泵輪和渦輪轉速差增大，滑差增大，動力傳遞損失增大使得工作油溫度上升。由前面計算可知，不考慮其他因素，轉速為3341rpm時，滑差產生的損失功率最大，工作油溫最高。泵轉速下降時，勺管是越來越深入液力耦合器工作室，操縱連桿機構將帶動油流量控制閥開大，使得經過工作油冷卻器的油流量增大，冷卻加強，抑制工作油溫上漲趨勢，但通常并不足以補償轉速降低使滑差增大引起的工作油溫度上漲，還需要冷卻水流量控制閥不斷開大，增大冷卻水流量來補償溫度的上漲，甚至在轉速較低滑差大的低功率平臺，即使在機組低功率時冷卻水本身溫度會因負荷小相對低些，冷卻水流量控制閥全開也無法維持工作油溫在給定值上。

? 2.工作油溫度優化分析

針對上述油溫異常處置的誤區，工作油溫度異常上升處理策略進行優化。當工作油溫度異常上升，采取降低機組功率或是降低主給水泵轉速的策略時，存在引起工作油溫度上升的風險。故單純地使用降低功率或是切泵降低故障主給水泵轉速的方式進行干預，可能引起故障異常情況惡化，導致工作油溫上漲更大更快，進而損壞主給水泵液力耦合器，導致主給水泵損壞失去轉速控制功能。

因此必須輔助以適當采取開大主給水泵冷卻水流量控制閥的開度（有開啟裕量時）或是其旁路開度（控制閥無開啟裕量時），增大冷卻水流量的方式，來補償工作油溫度上漲的情況。同時在增大冷卻水流量時需要關注對冷卻水系統流量和溫度的影響，避免對冷卻水系統其他負荷產生不利的影響，此時降低機組功率時，冷卻水系統其他負荷減小是一個緩解作用。

針對工作油溫度異常上升處理策略進行優化如下：

盡早將運行的故障泵切換到備用泵運行；

切泵降低主給水泵轉速的過程中根據工作油溫度變化趨勢，關注確認冷卻水控制閥自動開大增大冷卻水流量維持工作油溫度在給定溫度定值。

若冷卻水控制閥已全開無調節裕量，適當開啟冷卻水流量控制閥的旁路閥，增大冷卻；

關注閉式冷卻水系統冷卻水運行情況（冷卻水溫度、負荷運行情況）；

若閉式冷卻水系統溫度存在上升，則降低機組功率，減少冷卻水系統除工作油冷卻器的其他負荷的出力；

處理故障的同時安排組織人員檢查和消除故障缺陷。

? 三、結論

通過對主給水泵油系統工作油回路運行原理、工作油溫控制進行研究分析，指出工作油溫控制存在的慣性思維誤區，明確和優化工作油溫度控制的策略。有利于在日常運行及故障異常情況下控制好主給水泵工作油溫度，避免液力耦合器因工作油溫異常損壞，確保主給水泵運行的安全，為蒸汽發生器給水安全提供保障，進而確保機組核安全。

參考文獻：

[1]孫治忠.調速型液力耦合器工作油溫超標原因分析與對策[J].2015.

（作者單位：福建福清核電有限公司）