福清核电主给水泵油系统控制策略探讨

叶胜

摘要：福清核电主给水泵作为我们机组二回路最重要的转动设备，其运行直接关系到蒸汽发生器的给水安全。本文结合实际运行经验，着重分析电动主给水泵控制特点，并提出控制策略建议措施，对主给水系统安全启动及稳定运行有很强的实用意义。

关键词：主给水泵;液力耦合器;经验;改进

Discussion on control strategy of main feedwater pump oil system of Fuqing Nuclear Power Plant

Ye sheng

(Fujian Fuqing Nuclear Power CO.LTD, Fuqing 350318, China)

Abstract: The main feed water pump of Fuqing Nuclear Power Plant is the most important rotating equipment in the secondary circuit of our unit. Its operation is directly related to the feedwater safety of the steam generator. Based on the actual operation experience, this paper focuses on the analysis of the control characteristics of the electric main feedwater pump, and puts forward the control strategies and measures, which has strong practical significance for the safe start and stable operation of the main feedwater system.

Keywords：main feed water pump、experience、improvement

电动主给水泵油系统是电动主给水泵系统运行的支持系统，为电动主给水泵组的支持轴承、推力轴承、增速齿轮箱、液力联轴器等部件供应合适压力、温度、流量和清洁度的润滑油和工作油，每个机组有三个电动主给水泵组，相应的每个机组配有三套相同油系统。润滑油系统的功能是保证给水泵在包括备用状态的所有运行状态下的润滑。通过润滑油循环流动，排出各轴承摩擦产生的热量，并在润滑油冷却器中散热，工作油系统的功能是利用改变液力耦合器的滑差度来实现泵的转速调节，并通过工作油循环流动，排出滑差产生的热量，并在工作油冷却器中散热，润滑油系统和工作油系统各自相对独立，但使用同一种油，共用一个液力耦合器油箱。

1.主给水泵液力耦合器

液力耦合器又称液力联轴器，是一种用来将动力源(通常是发动机或电机)与工作机连接起来传递旋转动力的机械装置。应用于汽车中的自动变速器，在海事和重工业中也有着广泛的应用。

图1：液力耦合器结构图

液力耦合器的工作原理是当发动机运转时，曲轴带动液力耦合器的壳体和泵轮一同转动，泵轮叶片内的液压油在泵轮的带动下随之一同旋转，在离心力的作用下，液压油被甩向泵轮叶片外缘处，并在外缘处冲向涡轮叶片，使涡轮在液压冲击力的作用下旋转；冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动，返回到泵轮内缘的液压油，又被泵轮再次甩向外缘。液压油就这样从泵轮流向涡轮，又从涡轮返回到泵轮而形成循环的液流。液力耦合器中的循环液压油，在从泵轮叶片内缘流向外缘的过程中，泵轮对其作功，其速度和动能逐渐增大；而在从涡轮叶片外缘流向内缘的过程中，液压油对涡轮作功，其速度和动能逐渐减小。

液力耦合器要实现传动，必须在泵轮和涡轮之间有油液的循环流动。而油液循环流动的产生，是由于泵轮和涡轮之间存在着转速差，使两轮叶片外缘处产生压力差所致。如果泵轮和涡轮的转速相等，则液力耦合器不起传动作用。因此，液力耦合器工作时，发动机的动能通过泵轮传给液压油，液压油在循环流动的过 程中又将动能传给涡轮输出。由于在液力耦合器内只有泵轮和涡轮两个工作轮，液压油在循环流动的过程中，除了受泵轮和涡轮之间的作用力之外，没有受到其 他任何附加的外力。根据作用力与反作用力相等的原理，液压油作用在涡轮上的扭矩应等于泵轮作用在液压油上的扭矩，即发动机传给泵轮的扭矩与涡轮上输出的扭矩相等，这就是液力耦合器的传动特点。

图2：液力耦合器传动原理

1.1 主给水泵油系统典型运行经验

2022年2月4日，福清核电3号机组按照计划启动主给水泵，启动2分钟后，液力耦合器一径向轴承温度突然快速上涨，温度最高上升至107.8℃，随后温度又降至81.4℃。出现报警后，工作人员按照程序要求手动停运了异常主给水泵。

经过对温度异常轴承解体检查，发现其上、下半瓦均有浅表面轻微蹭伤（蹭伤深度约为0.01-0.02mm，见下图），无沟槽状损伤。根据轴承磨损形貌，可排除异物损伤轴承表面的可能性。经过分析，本次轴承温度升高的直接原因是供油不足导致轴承瓦面局部油膜建立不良，引起冷却不足。

图3：
瓦面损伤形貌图

其他可能原因排查：

（1）本次主给水泵启动前，进行过液力耦合器抗虹吸管接头渗油重新密封处理工作，且工作过程中系统管线存在开口及排油工作，过程中有空气进入润滑油冷却器和抗虹吸管道，虽然辅助油泵启动后进行了过滤器充油排气，但润滑油冷却器与过滤器辅助高度基本一致，润滑油冷却器和抗虹吸管道内存气可能性较大，在润滑油泵运行时间有限的情况下，导致润滑油冷却器及其管道内含气较多，造成泵启动初期润滑油实际流量不足，从而引起供油不足。

（2）本项工作是在接头螺纹处涂抹密封胶，安装螺纹接头过程中密封胶可能从螺纹处挤出进入油系统。根据油路布置，冷却器下游是过滤器，过滤精度为25μm，理论上分析密封胶进入轴承的概率很低。

（3）启泵前润滑油温度排查：

设备位号	启泵时间	启泵前润滑油温度
3APA302PO	2022.2.4	24℃
4APA202PO	2022.1.21	32℃
1APA302PO	2022.1.25	39℃
3APA202PO	2022.2.6	32℃
3APA302PO	2021.9.19	39℃

根据近一年主给水泵启动前润滑油温度对比，本次3APA302PO启动前润滑油温度较其他主给水泵偏低，但是润滑油泵油压为0.21MPa，满足启泵要求。经过查询厂家设备手册，润滑油泵启动的最低油温是≥15℃，润滑油压力在0.17-0.25MPa之间即可启动主给水泵，因此本次启动主给水泵满足手册要求。主给水泵的润滑油牌号为美孚VG46，经过测算，30℃下油的粘度为115.2mm²/s，24℃油的粘度为79.4mm²/s，因此30℃的粘度较24℃时会降低约30%。

（4）通过对比最近两次的启泵轴承温度，发现本次启动3APA302PO时除了启动2分钟后3APA329MT温度突然异常上升，其他轴瓦温升曲线平滑且逐渐趋于平稳，稳定后的温度值也与历史值相差不大。另外在启泵的前两分钟，5瓦温升也与历史趋势一致，如果是油温低粘度大导致启泵初期轴承润滑不良，则轴瓦温度异常应该体现在刚启泵的时刻，而且其余轴承的温度也应该受到影响。所以初步判断，油温低粘度增加，可能影响轴承的润滑，但不是本次事件主要的原因。

图4：2021.9.19 3APA302PO启动轴瓦温升趋势图

图5：2022.2.4 3APA302PO启动轴瓦温升趋势图

本次泵启动后，轴承温度异常升高机理如下：抗虹吸管拆开后，外部空气瞬间大量进入油冷却器及抗虹吸管道。设备再投运时，运行和机械通过润滑油过滤器进行了充油排气，但油冷却器部位仍然可能存在空气使得油管内的纯润滑油流动变为油气混合物流动，减少了润滑油的真实注入量，从而造成轴承供油不足，引起轴承温度升高，当气体逐渐被排出后，润滑油供应正常，轴承瓦面的油膜恢复，温度开始明显下降。综上，本次温度异常升高，主要原因是油系统存在未排尽的空气。启动前润滑油温度偏低可能对轴承温度上涨趋势增加有一定促进作用。

1.2 主给水泵油系统（液力耦合器）转速控制特点

在动力传递的过程中，涡轮的转速比泵轮的转速要低，这个转速差叫做滑差。由于滑差的存在，而导致的动力损失对工作油加热升温，因此需要控制工作油温度，防止油温过高或是过低影响液力耦合器的工作。通过以下理论推导，存在液力耦合器理论最差工作转速，在此转速作用下，液力耦合器滑差引起的能量损失最大，工作油温升最大，液力耦合器运行工况最恶劣。

我们知道，泵轮的转速是一定的，为5012rpm(因电机转速1494rpm,大小齿轮变比为104/31)。涡轮转速(即压力级泵转速)，泵启动时最小转速大约为710rpm,泵最大输出转速为4855rpm。

设泵轮转速为Nb，涡轮转速为Nt，则滑差率S=(Nb－Nt)/Nb。由于速比v=Nt/Nb，泵轮输入功率Pb=(Pt×Nb)/Nt，计算滑差损失功率ΔP=Pt×(Nb－Nt)/Nb。根据相似原理电机额定功率与输出转速的三次方成正比，电机额定功率下的转速为泵轮转速，因此Pt=P×(Nt/Nb)3，将v=Nb/Nt代入求解得:ΔP=P×(v2－v3)。进行微分计算得出当转速比为2/3(Nt=2/3×Nb=2/3×5012rpm≈3341rpm)时，液力耦合器滑差损失功率最大，工作油温最高。随着核电机组功率的上升，SG给水量需求增大，主给水泵转速逐渐增大，滑差降低，滑差引起损失功率降低，反之机组功率下降时，主给水泵滑差降低，滑差引起损失功率增大。

正常情况下，启动3APA302PO后工作油温与转速之间关系分析

(1)3号机组在2022年春节调停后，在机组功率为8%Pn平台，启动3APA302PO，启动后泵转速与AGM工作油温度趋势如下：

图6：主给水泵启动后转速与油温趋势图

通过分析3APA302PO升速曲线，可以得到以下结论：

3APA302PO运行最恶劣工作转速大概为3588rpm；

3APA302PO启动后，在升速过程中，工作油温度急剧升高，10min内油温上涨了大概45℃，由启泵前的33.8℃上涨到77.5℃，最后在工作油冷却器冷却水阀门作用下趋于稳定。

异常情况下，启动主给水泵后工作油温与转速之间关系分析：

同行电厂启动主给水泵时，发现其工作油冷却水调节阀未按预期开启，泵启动后的10min内，工作油温急剧上升到118.9℃触发报警(上涨了84℃)，紧急停运主给水泵。

	冷却水阀门工作正常	冷却水阀门故障关闭
启泵后10min油温	77.5℃	118.9℃
油温上涨幅度	油温上涨45℃	油温上涨84℃
理论最差工作转速	3341rpm
实际最差工作转速	3588rpm

2.福清核电主给水泵油系统控制策略改进建议

通过对主给水泵运行经验积累、转速控制理论分析等，对油系统控制策略提出以下改进建议：

（1）关注冷却水调节阀门工作状态

冷却水正常情况下可以带走主给水泵油系统及各轴承运行时产生的大量热量，油系统调节阀门为系统冷却功能正常的最重要前提，启动前必须检查工作油冷却器冷却水阀门工作状态，确保调节正常；

（2）关注液力耦合器工作油油温情况

主给水泵启动过程中，必须密切关注工作油油温上涨情况，正常不超过75℃，高于75℃过多，需要引起警惕；

（3）避免在滑差较大范围内运行

主给水泵手动启动后，需要尽快升速，避免液力耦合器在滑差较大范围内运行，建议尽快升速到3600rpm以上，避免泵在较差工况下运行；

（4）油系统管道开口作业后，需要进行充分排气

液力耦合器及其润滑油冷却器有开口检修工作，除了对过滤器顶部进行充分排气外，还需对润滑油冷却器进行充分排气。

结论

保证主给水泵的可靠运行，对于确保日常电厂安全经济运行具有十分重要的意义；通过工作以来的运行经验，通过识别对主给水泵安全可靠运行的关键点，提出了主给水泵控制策略改进建议，在工作中具备可执行性，对机组重要设备的安全稳定运行具有积极意义，并且对同类设备具有借鉴价值。

参考文献

[1]08CMAE/FQE006SE，设备运行和维护手册（EOMM）

08CMAE/FQE006SE，EQUIPMENT OPERATION and MAINTENANCE MANUAL (EOMM)

[2] FQY-5TQ-RCJC-19101 电动主给水泵油系统(AGM)培训教材

[3]30-H500201S-A06-02，电动主给水泵系统设计手册

30-H500202S-A06-02，The design manual of main feedwater pump system.

作者简介

叶胜，男，湖北随州人，本科，工程师，从事核电厂运行工作。

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