核电主给水泵油温控制和异常处置优化研究

谷铁

关键词：工作油温；润滑油温；液力耦合器；滑差；工作油冷却水流量

引言：M310型核电机组主给水泵油系统分为润滑油回路和工作油回路。润滑油回路的功能是保证给水泵组轴承的润滑。工作油回路的功能是利用改变液力耦合器勺管位置来实现泵的转速调节。油系统通过油循环流动和油冷却器，排出运行过程中产生的热量。润滑油回路和工作油回路各自相对独立，但使用同一种油，共用一个液力耦合器油箱。因此主给水泵油温的控制事关主给水泵轴承及其液力耦合器安全可靠运行。

  一、主給水泵油系统油温控制分析

在主给水泵液力耦合器动力传输中，由于涡轮的速度小于泵轮速度，该速度差称为滑差。由于速度差的存在而导致的动力损失对工作油加热升温。同时轴承摩擦将引起润滑油温度上升，润滑油油温由含温敏材料的温控阀自动控制。以下主要研究分析工作油温度控制。

  1.工作油温度控制分析

工作油温度取决于功率损失（滑差）和工作油流量、工作油冷却水流量，且受温度测量仪的监控。

（1）滑差对工作油温的影响

设泵轮转速为Nb，涡轮转速为Nt，则滑差S=（Nb－Nt）/Nb。泵轮的转速是一定的，为5012rpm。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。所以压力级泵运行时，泵轮和涡轮间一般是存在滑差的。若不对工作油冷却散热，工作油温度将持续上升。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。

由于主给水泵的最小唧送转速约为3600rpm，即转速上升到3600rpm时开始可以向蒸汽发生器（SG）注入水。因此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。

（2）工作油流量对工作油温的影响

油的流量由油流量控制阀来控制。当泵转速变化时，通过勺管和油流量控制阀连接的操纵杆机构连带动作油流量控制阀，来改变工作油流量。泵转速增加时，滑差减小，动力传递损失减小，产生的热量减小，工作油温度有下降趋势。同时转速增加，为勺管拔出工作腔室的过程，连动油流量控制阀关小，降低工作油流量，使得工作油冷却器中冷却效果下降。反之泵转速降低时亦然。

（3）冷却水流量

工作油冷却器的冷却水（常规岛闭式冷却水系统（SRI）提供）流量由冷却水流量控制阀或其旁路阀来控制。通过对冷却水流量控制阀设定给定温度值，通过温度测量值与给定值的偏差来控制流量控制阀的开度来增加或降低冷却水流量来调节油温度。

  2.工作油温度异常的危害

（1）油温度高的危害

工作油温度过高，将影响液力耦合器的传递特性，因工作油和润滑油共用油箱，将引起油粘性下降，使得泵组轴承润滑效果变差，可能造成轴承磨损。工作油温度高到160℃，将引起耦合器工作腔室上的易熔塞熔化，液力耦合器损坏。

（2）油温度低的危害

当油箱中的油温<40℃，油气分离器的油气分离效果差，油产生泡沫，将引起工作油泵压力波动，将导致给水泵自动/手动控制时输出速度振荡或执行器和勺管周期的移动。另要求油温不得<5℃，油箱油温太低将使得油箱中电动润滑油泵启动力矩太大，可能导致油泵不能启动。

  二、工作油温度异常处置

  1.工作油温度异常处置误区

工作油温控制存在误认为只要降低主给水泵转速可以缓解工作油温度异常高问题。实际上，当降低机组功率（使得水汽压差下降，主给水泵转速自动调节下降）或是手动降低主给水泵转速时，而液力耦合器泵轮转速是一定的（5012rpm），所以泵转速（涡轮转速）降低，液力耦合器泵轮和涡轮转速差增大，滑差增大，动力传递损失增大使得工作油温度上升。由前面计算可知，不考虑其他因素，转速为3341rpm时，滑差产生的损失功率最大，工作油温最高。泵转速下降时，勺管是越来越深入液力耦合器工作室，操纵连杆机构将带动油流量控制阀开大，使得经过工作油冷却器的油流量增大，冷却加强，抑制工作油温上涨趋势，但通常并不足以补偿转速降低使滑差增大引起的工作油温度上涨，还需要冷却水流量控制阀不断开大，增大冷却水流量来补偿温度的上涨，甚至在转速较低滑差大的低功率平台，即使在机组低功率时冷却水本身温度会因负荷小相对低些，冷却水流量控制阀全开也无法维持工作油温在给定值上。

  2.工作油温度优化分析

针对上述油温异常处置的误区，工作油温度异常上升处理策略进行优化。当工作油温度异常上升，采取降低机组功率或是降低主给水泵转速的策略时，存在引起工作油温度上升的风险。故单纯地使用降低功率或是切泵降低故障主给水泵转速的方式进行干预，可能引起故障异常情况恶化，导致工作油温上涨更大更快，进而损坏主给水泵液力耦合器，导致主给水泵损坏失去转速控制功能。

因此必须辅助以适当采取开大主给水泵冷却水流量控制阀的开度（有开启裕量时）或是其旁路开度（控制阀无开启裕量时），增大冷却水流量的方式，来补偿工作油温度上涨的情况。同时在增大冷却水流量时需要关注对冷却水系统流量和温度的影响，避免对冷却水系统其他负荷产生不利的影响，此时降低机组功率时，冷却水系统其他负荷减小是一个缓解作用。

针对工作油温度异常上升处理策略进行优化如下：

尽早将运行的故障泵切换到备用泵运行；

切泵降低主给水泵转速的过程中根据工作油温度变化趋势，关注确认冷却水控制阀自动开大增大冷却水流量维持工作油温度在给定温度定值。

若冷却水控制阀已全开无调节裕量，适当开启冷却水流量控制阀的旁路阀，增大冷却；

关注闭式冷却水系统冷却水运行情况（冷却水温度、负荷运行情况）；

若闭式冷却水系统温度存在上升，则降低机组功率，减少冷却水系统除工作油冷却器的其他负荷的出力；

处理故障的同时安排组织人员检查和消除故障缺陷。

  三、结论

通过对主给水泵油系统工作油回路运行原理、工作油温控制进行研究分析，指出工作油温控制存在的惯性思维误区，明确和优化工作油温度控制的策略。有利于在日常运行及故障异常情况下控制好主给水泵工作油温度，避免液力耦合器因工作油温异常损坏，确保主给水泵运行的安全，为蒸汽发生器给水安全提供保障，进而确保机组核安全。

参考文献：

[1]孙治忠.调速型液力耦合器工作油温超标原因分析与对策[J].2015.

（作者单位：福建福清核电有限公司）