CPR1000核电汽轮发电机单流环密封油系统问题分析与处理

苏磊,李松海,王安平,徐寅超

（中广核工程有限公司，广东深圳 518124）

0 引 言

目前国内已建成和在建CPR1000核电工程项目中，部分汽轮发电机组采用单流环密封油系统，如岭澳二期、红沿河一期、宁德一期和福清一期核电工程等。单流环密封油系统结构和流程相对简单，但因此设备冗余性下降，一旦某一环节发生问题，会引起非常严重的后果。在实际调试、运行和检修过程中，发现较多问题，严重影响机组正常调试和安全稳定运行。

1 系统简介

发电机密封油系统（系统编码GHE，下同）的主要作用是：1）向发电机前、后端密封瓦提供合适压力和温度的密封油，防止发电机内的氢气从机轴与机壳之间环形间隙处向外泄漏，以保证发电机带负荷运行时的氢气压力在要求值范围；2）阻止外界空气向发电机内侵入，以保证发电机内的氢气纯度[1-4]。

图1 单流环密封油流程简图

以宁德核电站一期工程单流环密封油系统为例。系统主要由密封油泵、密封瓦、油氢压差阀、真空泵、排烟风机、进出口过滤器、真空油箱、浮子油箱和扩容油箱等设备构成。密封油系统有2路油源：一路来自汽轮机润滑、顶轴和盘车系统（系统编码GGR，下同）润滑油母管，另一路来自GHE系统内的扩容油箱。单流环密封油系统正常运行时，密封油经过入口过滤器，进入真空油箱，经真空泵抽真空除气后，由主密封油泵加压经过出口过滤器，再经过压差调节阀调至正常压力后输送至密封瓦，之后空侧密封油回GGR主油箱，氢侧密封油经扩容后进入浮子油箱，最终进入扩容油箱。系统还配备一台可由柴油机带载的应急交流油泵和一台由不间断直流电源供电的事故直流密封油泵作为备用，充分保证系统可靠性[5]。其系统流程简图如图1所示。

密封瓦位于轴承和内油挡之间，它包括了一个密封座，密封座内圆有环形腔以容纳2个密封环。每个密封环由4瓣组成，用2个弹簧定位，让它适应轴通过临界转速时的振动。压力油通入密封环的油沟内，再通过两个环间的间隙，沿轴面从两个相反方向排出，即进入发电机的氢气侧和进入轴承腔的空气侧。经过外部密封油系统处理的油被油泵打入密封座的中部，其压力比机内氢气压力高50 kPa。油被强迫进入密封环和轴之间的径向间隙而起到了密封作用，保证了机内氢气不会外泄，机外空气也不会进入机内[6]。其结构简图如图2所示。

2 常见问题分析与处理

2.1 静压未作修正

密封油油氢压差设计值50 kPa是指密封瓦中分面的油压与发电机内部气体压力的差值。因密封油油氢压差的取样位置及仪表安装位置与设计有差异，因此需要进行静压修正。

密封油系统主要设备布置在6.2 m，发电机位于16.2 m，油氢压差阀出口与发电机密封油进口法兰存在高差，静压修正P1约80 kPa；密封瓦为环形结构，发电机密封油进口法兰位于密封瓦底部，进口法兰与密封瓦中分面存在高差2 m，取发电机端盖中分面为参考点，静压修正P2约15 kPa；发电机内压力记为P0，油氢压差正常约50 kPa，记为P3，则密封油系统正常运行时，理论压力P=P0+P1+P2+P3。若系统在调试阶段未考虑到上述静压修正，系统运行时压力低于计算值P，则可能会导致不能密封或密封效果差。在进行压力修正时，需注意对油氢压差相关的所有仪器仪表进行迁移。

2.2 油氢压差引压管线未充油排气或充油排气不充分

单流环密封油系统油氢压差取样管线分别取自位于16.2 m平台的密封油供油管和氢侧回油管，管径较细（DN15），现场布置弯头较多，整体管线很长，导致管线内很难充满密封油。特别在系统调试首次启动或大修后投运系统时，由于发电机内无气压，转子也处于静止状态，密封油流量较小，此时完全依靠重力充油，气侧引压管线很难注满。

图2 密封瓦结构简图

为解决此问题，在系统首次启动时，可将油氢压差阀GHE027VH前后隔离阀关闭，缓慢打开旁路阀，使出口压力与系统所需压力一致，即P=P0+P1+P2+P3。快速打开油氢压差变送器的平衡阀，采取从高压侧经过平衡阀直接对低压侧进行充油排气，每次充油控制在5 s左右，可重复操作多次。重新投运油氢压差阀后，观察密封油出口压力和理论值进行比较，若出口压力与理论值一致，则视为充油排气充分。

2.3 密封油泵出口压力偏低

当机组处于停机状态时，密封油系统运行所需的流量非常小，但当发电机压力开始上升，汽轮发电机转速开始上升后，密封油流量会迅速增加[7]。在此过程中，随着流量的不断增大，泵出口压力会逐渐降低，当压力降至0.6 MPa时会跳泵，若2台交流密封油泵都因出口压力降低引发跳泵时，直流油泵启动，若此时直流油泵出口压力依然过低，则会直接跳机甚至会引起泵损坏及密封瓦磨损情况，同时有氢气泄漏风险[8]。按照GHE运行文件规定，密封油泵通过泵出口安全阀整定至额定压力后，在系统启动机机组升速、升负荷阶段，必须定期检查泵出口压力是否为额定压力，否则需通过调节旁路阀来提高泵出口压力。在降速、降负荷阶段，也需定期检查泵出口压力，避免泵压力过高导致系统超压。

根据密封油泵出口旁路阀运行与维护手册中资料，油泵出口安全阀及旁路阀共用一个阀芯，如图3所示。运行程序中的方法是通过调整弹簧紧力来调整阀门出口压力，再根据实际工况通过调节旁路阀开度来调整旁路流量大小，进而起到调整泵出口压力、流量的效果。

为避免反复操作，在调试阶段优化了调试方案，完全关闭泵出口旁路阀，使用泵出口安全阀来调整泵压力和流量。由于系统正式恢复后，系统接到密封瓦上，在未冲转时若进入密封瓦的密封油流量过大，将会直接导致发电机进油，因此选择在系统冲洗阶段，将密封瓦用临时冲洗短接管旁路，可避免试验过程中出现发电机进油情况。在密封油系统出口管道架设超声波流量计，监视系统流量。根据流量来通过安全阀整定泵出口压力，要求泵出口压力为额定压力时，系统流量不小于7.2 m3/h。通过以上方式，可避免油泵在机组启动后出现压力偏低的情况。

2.4 密封油泵出口逆止阀不严

图3 旁路阀结构图

单流环密封油系统每台密封油泵出口均配有一个逆止阀，若逆止阀出现不严问题，则可能会导致油泵意外跳泵、油氢压差降低、跑油和跳机事故[9]。某机组在调试和运行阶段，曾发生2次逆止阀不严问题。调试期间由于主密封油泵逆止阀不严，导致事故交流油泵启动后，密封油从逆止阀倒灌入真空油箱，再从真空油箱返至真空油泵处，最终发生漏油；机组运行阶段，在主密封油泵维修后重新投入的过程中，由于逆止阀不严，导致油氢压差低进而引发意外跳机事件。

由于单流环密封油系统为厂家整体组件供货，现场实施逆止阀拆卸检查存在一定困难，且在回装过程中会引入垫片装偏等新的风险，因此需要采取其他方式验证逆止阀可靠性。在现场调试过程中，可采取以下方式进行检验：密封油首次进油采用通过GGR润滑油母管注油的方式进行，在系统首次进油前，关闭泵出口隔离阀，在管道中充满油后，逐个打开泵出口隔离阀，检查泵出口压力表是否有上涨趋势，同时观察泵是否出现倒转情况，以此来判断逆止阀是否可靠。

2.5 主密封油泵汽蚀

主密封油泵在调试阶段，曾多次出现汽蚀振动大的情况，导致主密封油泵不可用。从设备的EOMM文件中可以查到，主密封油泵GHE101PO设计吸入压力最低为-0.08 MPa，其设计油温为50℃。系统正常运行时，001 CW设计绝对压力需低于20 kPa，一般调至10～15 kPa，根据设备实际布置高度进行测算，其设计气蚀余量偏低。由于泵入口隔离阀为蝶阀，即使在阀门全开的情况下仍存在较大的压力损失，同时润滑油在低温情况下本身黏度较大，总体沿程损失较大，容易发生汽蚀的情况，导致泵产生剧烈振动并发出噪声。此外，润滑油低温时气体溶解量较大，易加剧汽蚀现象[10]。从以上可以看出，泵设计汽蚀余量较小，在低温情况下易发生汽蚀，而密封油本身未设计加热装置，对系统调试启动造成影响。

为解决此问题，现场一般采取临时方法提高油温，减小黏度的同时减小气体溶解量，进而减小发生汽蚀的概率。GHE101PO启动后，逐渐关小泵出口阀门GHE104VH，真空油箱001CW内润滑油经GHE101PO加压后，通过旁路安全阀GHE102VH回到真空油箱内，即通过泵来对真空油箱内润滑油进行循环加热。在油温升高之前，若仍出现剧烈汽蚀现象，应立即停泵。一般经反复操作2～3次即可提高油温至40℃以上，基本满足设备运行条件，不再发生汽蚀现象。

2.6 过渡环漏气

单流环密封油系统中，励磁机侧密封瓦通过过渡环与发电机定子连接。过渡环本身设计有密封结构，以防止外端盖与密封瓦间的氢气外泄，若存在氢气泄漏，将会产生严重的安全事故。在密封瓦安装阶段，若密封瓦或过渡环等设备本身有质量缺陷，或安装存在问题，则将会直接影响到气密试验结果，甚至产生重大的安全事故[11]。

在某台机组整体气密试验期间，气密试验结果不合格，后发现励端过渡环与密封瓦结合处局部有气泡和油喷出，漏气较严重。拆卸密封瓦后进行检查，发现过渡环上金属凸台与绝缘板表面不平整，部分绝缘板高于凸台，导致密封条无法完全压紧并良好接触金属凸台。此外，还发现过渡环绝缘板与过渡环间有间隙，最大为0.60 mm，使油与气可从过渡环与绝缘层间泄漏。在厂内装配时，涂抹的胶水没有起到很好的黏合作用，部分胶水只是附着在一面，另一面很少或者是没有涂抹胶水。后经重新处理过渡环绝缘板，并更换密封条后复装过渡环、密封瓦，未再发现泄漏情况。

在另一台机组气密试验中，也发生气密试验多次不合格的情况。在排查了系统所有气密边界未发现异常后，拆卸密封瓦进行检查。检查时发现密封瓦室内有大量密封胶，密封胶条挤压变形，后清理密封瓦、密封瓦室，更换胶条，并对端盖胶、油结合处进行了改造：通过将结合处焊接铁块，然后在铁块上开一小槽，以保证结合处的轴向密封。密封瓦复装后，气密性试验结果合格。

因此，在密封瓦安装完成后，若具备发电机充气条件，可先进行一次气密试验，对密封瓦进行检查，确认密封瓦有无漏气情况，以便提前发现密封瓦问题，避免后续大量安装工作及对调试试验的影响。

2.7 浮子油箱异常

单流环密封油系统在运行期间，浮子油箱可能会发生液位异常升高或降低的情况。若主控出现液位高报警或低报警，应立即到现场核实液位真实情况，若液位真实变化较多，则应立即投入备用浮子油箱，隔离故障油箱，并分析原因[12]。若出现极端情况，2个浮子油箱均故障时，应立即打闸，并由专人通过应急排油阀控制浮子油箱液位。浮子油箱液位异常主要分以下两种情况：

液位异常上涨。此问题可能是由于浮子油箱浮球阀卡涩，浮球脱落，或者浮球破损满油导致浮球阀失效全关,进而导致油箱液位异常上涨，此情况若不及时干预可能会导致发电机进油[13-14]。出现此种情况时，停机后对浮子油箱解体检查，必要时更换浮球阀。另外，在发电机内压力较低时（常见于发电机开始充压前或气体排尽），由于氢侧回油压头不够，浮子油箱液位会较高，此为正常情况，当发电机内压力逐渐升高时（气压高于0.05 MPa），液位会缓慢下降直至稳定，此为正常情况，一般无需干预。

液位异常下降。此问题可能是由于浮子油箱浮球阀卡涩，或者浮球阀安装工艺问题导致法兰张口，无法实现密封的情况，浮子油箱内油位会迅速降低，此情况若不及时干预则会导致发电机内无法维持压力，压力会逐渐降低。出现此种情况时，停机后对浮子油箱解体检查，必要时更换浮球阀或重新安装浮球阀消除法兰张口。

此外，在浮球阀首次安装时，应注意浮球阀连杆长度要适中，必要时进行切割或加长，避免连杆问题导致液位过高或过低。

3 结语

单流环密封油系统流程、原理相对双流环、三流环密封油系统简单，设备、冗余相应较少，但一旦某一环节发生问题后，会引起非常严重的后果。在系统安装阶段，需特别留意安装工艺，避免安装问题遗留到

调试或者运行阶段，否则会对系统运行和机组安全造成重大影响。在系统调试和试运行阶段，需特别关注调试方法，所用的调试方法、方案应尽可能验证所有设备的可靠性，避免设备问题造成系统意外动作甚至跳机[15]。此外，系统调试、投运时，还需额外关注相关系统运行状况和系统间的关联性，如汽轮机润滑、顶轴和盘车系统和发电机氢气供应系统等，任何问题的分析、处理，都需综合考虑，尽可能避免非预期的系统间影响。

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