浅析方家山机组主泵顶轴油泵电源设计不足及改进

姜慎之

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐314300）

1 方家山机组主泵推力轴承及顶轴油泵简介

反应堆冷却剂泵（主泵）是一回路的核心装备，通过一回路内的冷却剂循环流动，将反应堆堆芯产生的热量传递到蒸汽发生器。主泵的安全可靠运行，保证了反应堆的冷却，对核安全有重要作用。

在反应堆冷却剂泵运行过程中，一回路系统压力、转动部件的重量、轴密封压力降作用力及叶轮的水推力等会合成一个轴向推力。这个轴向推力负荷由主泵的止推轴承来承担。止推轴承主要由主推力瓦、推力盘和下推力瓦组成。随着主泵转动，润滑油液在轴瓦和推力盘中间建立一层油膜，使轴瓦与平衡盘不接触，并将泵的轴向推力负荷均匀分配到每块推力瓦上。由于一回路系统压力产生的作用力与转动部件的重量方向相反，所以推力会根据系统压力的升高，而改变力的方向。当反应堆冷却剂泵启动后一直到一回路系统压力6.0 MPa以下时，系统压力产生和轴密封压力降作用力小于转动部件的重量及叶轮的水推力，所以此时的轴向推力作用在副推力瓦上。当一回路系统压力6.0 MPa以上时。系统压力产生和轴密封压力降作用力大于转动部件的重量及叶轮的水推力，所以此时的轴向推力作用在主推力瓦上。

主泵顶轴油泵是主泵的辅助设备，从轴承外油室中供油给止推轴承。在主泵启动和停机时，启动顶轴油泵，目的是在主泵转速较低自我形成油膜能力较差的情况下能够辅助形成油膜，最大限度地降低主泵启动阻力矩，并保护推力瓦。所以设计要求在主泵启动之前先启动顶轴油泵，主泵停运或者转速低于1 000 r/min时自动启动顶轴油泵。另外油泵的运行在主泵停运下循环油箱内部油，有助于进一步降低轴承各部件的温度。

2 主泵顶轴油泵供电设计

2.1 供电设计的不足

顶轴油泵原先的供电设计比较单一，由正常380 V交流电源LKA/LKB供电，没考虑到失去电源情况下，设备运行的可靠性。

当主外电网丧失孤岛运行失败，厂用电LGA/LGD丧失电源，由其供电的三台主泵将全部停运，同时LKA/LKB也将失电，导致相应供电的主泵顶轴油泵也将停运。在主泵失电惰转停运过程中，顶轴油泵无法启动，不能向泵推力轴承供油，辅助建立油膜，可能导致主泵推力瓦在低转速下发生干摩擦而损坏，降低了重要设备的可靠性，影响反应堆的安全。

在机组在进行主泵惰走试验中，就发生了主泵主推力瓦损坏的事件。试验分为两个部分：同时停运2号主泵和3号主泵，检查流量下降情况；同时停运三台主泵，检查流量的下降情况。第一部分采取断开2号和3号主泵的电源开关的方式进行，第二部分采取直接断开500 kV开关的方式进行。试验开始后主泵失电惰转，顶轴油泵也同时失去电源无法启动，主泵惰走结束重新启动时，发现推力瓦温度异常上升而紧急停泵。经过解体检查，发现主推力瓦表面有不同程度的磨损，供油管线上有油迹，进一步采用专用工具对逆止阀和管线进行打压，发现有漏油现象，无法保持压力。原因分析认为，推力瓦上的逆止阀以及母管接头泄漏破坏了主推力瓦与推力盘之间的油膜。顶轴油泵在主泵启动之前启动，强行在主推力瓦和推力盘之间形成油膜，主泵启动后，达到额定转速，推力瓦和推力盘之间的相对运行已经能够自行形成油膜，停运顶轴油泵后通过瓦块上的逆止阀关闭自行形成油膜，由于额定转速时压力较高，因此能够保证逆止阀的关闭。在转速低的情况下，由于油膜的压力与转速成正比，惰转过程转速下降后油压降低使逆止阀产生泄漏，油膜发生破坏，导致在低转速下推力盘和推力瓦发生接触摩擦而损坏。推力瓦发生摩擦之后，重新启动主泵推力瓦与推力盘之间将无法有效形成油膜，导致启动后推力瓦发生摩擦，温度异常升高。

鉴于失去顶轴油泵情况下的主泵惰转存在推力瓦与推力盘油膜被破坏损伤瓦面的风险，确保主泵顶轴油泵的可靠运行就对主泵的安全有重要作用。

2.2 顶轴油泵供电设计的改进

为了保证主泵的安全运行，将主泵顶轴油泵的供电电源由380 V正常配电系统改接至380 V应急配电系统。应急配电系统在失去主厂外电源后，将自动切换到厂外辅助电源供电，如果发生辅助电源切换不成功，仍可以由应急柴油机供电，极大的提高了顶轴油泵供电电源的可靠性。根据逻辑可估计，在应急柴油机启动带载工况下，顶轴油泵最大失电时间为12.9 s。根据试验报告，主泵从额定转速惰转到1000 r/min的时间是7 s，12.9 s后大约降到770 r/min。当转速大于500 r/min时，顶轴油泵快速恢复运行向主泵推力轴承供油并强制建立油膜，可以确保主泵的安全停运。

为了进一步增加供电电源的多样性，顶轴油泵由原来本机组的单独一路电源供电，再增加一路来自其他机组的交流电源作为备用电源。设置了快速自动切换开关，当失去电压时，可以在主电源与备用电源之间实现快速切换，从而保证顶轴油泵在即使本机组失电事故的情况下也能通过其他正常机组快速恢复供电，保证了主泵的可靠运行。

同时对顶轴油泵控制电源进行了可靠性改进。原先设计上是由单一的110 V直流系统LBA供电，如果直流电源由于出现故障导致顶轴油泵失去控制电源，即使交流电源可用，也会导致顶轴油泵无法启动运行。所以为了提高可靠性，将顶轴油泵的控制电源改为取自主回路的交流电源，不再需要额外的直流电源。经过这项改进，将控制电源改为交流自给供电、主回路电源为双路电源后，可以更好地避免因为直流系统的单一故障导致顶轴油泵失电的可能性。改进后，在正常运行以及各种失电事故工况下，顶轴油泵电源的供电方式分别为：

（1）正常运行，主泵正常运行，顶轴油泵由交流主电源供电；

（2）失去主厂外电源，主泵失电惰转，顶轴油泵主电源由TS切换到TA供电；

（3）失去全部厂外电源，主泵失电惰转，顶轴油泵主电源由A/B列应急柴油机供电；

（4）失去全部厂外电源和A列应急柴油机，主泵失电惰转，1号和3号顶轴油泵主电源失电，切换到另一台机组的后备电源供电，2号主泵顶轴油泵主电源由B列应急柴油机供电；

（5）失去全部厂外电源和B列应急柴油机，主泵失电惰转，2号顶轴油泵主电源失电，切换到另一台机组的后备电源供电，1号和3号顶轴油泵主电源由A列应急柴油机供电；

（6）完全失去交流电源，主泵失电惰转，顶轴油泵全部切换到另一台机组的后备电源供电。

后续可以考虑的改进建议：顶轴油泵供电改为双切电源后，正常电源故障切换至后备电源过程中，存在电源切换失败的风险，后续改进可以考虑增加蓄电池的UPS供电，既可以保证电源切换过程不会停电，也能在发生电源切换失败时，通过蓄电池提供电源，保证顶轴油泵在惰转期间的可靠性。

根据系统手册资料，1台顶轴油泵功率7.5 kW，电压380 V AC。如果主泵惰转3分钟以后可以完全停止，则可以估算需要的蓄电池最低需求容量为：

通过增加蓄电池提供电源，可以确保顶轴油泵在即使两路电源都不可用的情况下也能继续保持运行，直到主泵完全停运，确保设备的安全。

3 结论

通过对顶轴油泵电源的设计改造，可以使在发生如全厂失电事故工况时，主泵惰转停运过程中顶轴油泵的可靠运行。这避免了在主泵惰转速度逐渐降低期间发生金属干摩擦而损坏推力瓦的风险，保证了主泵的运行安全。