核电厂反应堆冷却剂泵水冷-润滑型轴承运行安全分析.pdf

核电厂反应堆冷却剂泵水冷润滑型轴承运行安全分析张祥贵,武文奇,田远,邓乐斌(江苏核电有限公司,江苏 连云港 )摘要:目前,压水堆核电厂反应堆冷却剂泵径向止推轴承一般采用油冷却润滑型,仅VV E R型压水堆部分机组反应堆冷却剂泵的径向止推轴承采用水冷却润滑型.通过对水冷却润滑型径向止推轴承关键参数 轴承释热率的影响参数进行逐一分析,运用数学建模计算分析,发现反应堆冷却剂泵的启动电磁铁长期投运后能够有效控制轴承释热率,从而保证反应堆冷却剂泵长期、稳定、安全运行.关键词:反应堆冷却剂泵;水冷润滑型轴承;径向止推轴承;释热率;运行安全中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s O p e r a t i o nS a f e t yA n a l y s i so fW a t e r c o o l e d l u b r i c a t e dB e a r i n g s f o rR e a c t o rC o o l i n gP u m p s i nN u c l e a rP o w e rP l a n t sZ HAN GX i a n g g u i,WU W e n q i,T I ANY u a n,D E N GL e b i n(J i a n g s uN u c l e a rP o w e rC o r p o r a t i o n,L i a n y u n g a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:A tp r e s e n t,t h er a d i a l t h r u s tb e a r i n g so f r e a c t o rc o o l a n tp u m p s i nPWRn u c l e a rp o w e rp l a n t sg e n e r a l l ya d o p to i l c o o l a n t l u b r i c a t e dt y p e T h e r a d i a l t h r u s tb e a r i n go f r e a c t o r c o o l a n tp u m po f s o m eu n i t so fVV E RPWRi sd e s i g n e da sw a t e r c o o l e d l u b r i c a t i o n t y p e o n l y I n t h i s p a p e r,t h e i n f l u e n c ep a r a m e t e r s o f t h eb e a r i n gh e a t r e l e a s e r a t e,t h ek e yp a r a m e t e ro fw a t e r c o o l e da n d l u b r i c a t e dr a d i a l t h r u s tb e a r i n g,a r ea n a l y z e do n eb yo n e T h r o u g hm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s,t h er e s e a r c hf o u n dt h a t t h er e a c t o rc o o l a n tp u m pc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o l t h eb e a r i n gh e a t r e l e a s er a t ea f t e r l o n g t e r mo p e r a t i o no f t h e s t a r t i n ge l e c t r o m a g n e t,s oa s t oe n s u r e t h e l o n g t e r m,s t a b l e a n ds a f eo p e r a t i o no f t h e r e a c t o rc o o l a n tp u m p K e yw o r d s:r e a c t o rc o o l a n tp u m p;w a t e r c o o l e dl u b r i c a t e db e a r i n g s;r a d i a l t h r u s tb e a r i n g;h e a tr e l e a s er a t e;o p e r a t i o ns a f e t y收稿日期:作者简介:张祥贵(),高级工程师,从事核电厂调试和运行管理工作.引言压水堆核电厂反应堆冷却剂泵的径向止推轴承用于承受作用在反应堆冷却剂泵主轴上的径向力和轴向力,是反应堆冷却剂泵的重要附属部件.当前在运压水堆核电厂中,径向止推轴承冷却方式一般分为油冷却润滑型和水冷却润滑型两种.后者具有大幅度降低火灾风险以及避免受辐照后放射性泄漏油对环境造成污染等优点,但水的膨胀系数以及导热率均弱于油,同时极易在轴承室产生空化等问题,给水冷却润滑型轴承安全运行带来巨大挑战.本文将对反应堆冷却剂泵径向止推轴承回路组成、释热率参数计算、影响因素以及轴承释热率控制方式进行介绍,并分析投运启动磁铁后反应堆冷却剂泵参数的变化以及计算投运启动磁铁起到的作用.径向止推轴承及其释热率参数 径向止推轴承回路组成径向止推轴承主要由壳体、上/下止推瓦、推力盘、上部径向轴承、上/下端轴封以及内置螺旋泵组成,如图所示.止推盘上的止推瓦块和推力盘的衬板采用特殊耐摩渗硅石墨材料制成,具有良好的热力学性能和热稳定性,膨胀系数低,导热率高,有利于释放滑动面上因摩擦而产生的热量.图水冷却润滑型反应堆冷却剂泵径向止推轴承部件电工技术新能源系统与设备 水冷却润滑型径向止推轴承的润滑和冷却回路通常采用闭式回路,除了径向止推轴承外,闭式回路还设计了头箱、增压泵、气体分离器、冷却器、阀门及管道.常温的除盐水从位于高点的头箱进入冷却回路,迷宫螺旋泵固定在反应堆冷却剂泵的轴上,反应堆冷却剂泵运行带动螺旋泵运转,向径向止推轴承的内空间输送除盐水,冷却轴承摩擦面,流经径向止推轴承冷却器的管内空间、气体分离器,返回迷宫螺旋泵的入口,摩擦产生的热量通过冷却器带走.径向止推轴承冷却器通过重要用户中间回路冷却水系统提供冷却水,如图所示.图水冷却润滑型反应堆冷却剂泵径向止推轴承回路 径向止推轴承释热率的计算反应堆冷却剂泵径向止推轴承释热率是反映其运行状况的重要参数,但该参数不能直接测量,需要计算才能得出,具体计算公式为:(径向止推轴承冷却水出口温度冷却水 入 口 温 度)/.其 中,是反应堆冷却剂泵径向止推轴承冷却水进出口温差的基准温度.影响径向止推轴承释热率的因素影响径向止推轴承释热率的因素包括:推力瓦的自身磨损;一回路压力;径向止推轴承冷却回路冷却器冷却水侧水温;径向止推轴承冷却水的流量;反应堆冷却剂泵所处房间的环境温度.其中,推力瓦的自身磨损是最主要因素.径向止推轴承释热率参数上升后的响应要求反应堆冷却剂泵径向止推轴承释热率超过时,根据释热率影响因素分析其最大可能原因是径向止推轴承磨损,作用在推力轴承块上的载荷不均匀.此时应密切关注反应堆冷却剂泵功率、重要用户中间回路冷却系统、轴封冷却水系统的流量和重要用户中间回路冷却系统的冷却水温度变化,通过轴承释热率的参数曲线,连续监视其变化趋势.当轴承释热率升高到时,应手动计算轴承释热率相对变化N,N(当前时刻轴承冷却回路出口温度当前时刻重要用户中间回路冷却系统泵出口温度)/(正常运行时轴承冷却回路出口温度正常运行时重要用户中间回路冷却系统泵出口温度).径向止推轴承一旦磨损,径向止推轴承回路的摩擦力就会增加,轴承回路的发热量也相应增加,电机功率会增加,径向止推轴承回路出口温度上升.当径向止推轴承回路出口温度达到保护上限值时,反应堆冷却剂泵会保护停运.一般而言,反应堆冷却剂泵运行手册要求所有运行工况下反应堆冷却剂泵可连续运行 h.反应堆冷却剂泵维修手册要求,上推力瓦和上幅面板运行超过 h必须更换;下推力瓦和上幅面板运行超过 h必须更换;轴封组件动静环和径向止推轴承组件端部密封的动静环运行超过 h必须更换.为了保证反应堆冷却剂泵安全运行,按运维手册监视运行参数,检修更换部件.但如果正常运行期间反应堆冷却剂泵轴承释热率出现上升,就还需要从释热率的最主要影响因素着手,采取有效措施减缓释热率上升,即减小推力瓦的自身磨损.径向止推轴承释热率恶化的控制措施根据影响反应堆冷却剂泵径向止推轴承释热率的因素,主要从以下三个方面采取措施来控制轴承释热率的上升.控制一回路压力在较小波动范围由于压水堆核电厂一回路冷却剂温度变化会引起一回路压力的变化,因此机组通过有效控制稳压器的电加热器和稳压器喷淋管线上的阀门来保持一回路压力在规定范围内.当一回路压力低于正常值时,稳压器的电加热器依次自动投入,加热稳压器中的介质,提高一回路压力,待压力恢复后,稳压器电加热器再依次切除.当一回路压力高于正常值时,系统首先切除稳压器电加热器,然后根据压力值控制稳压器喷淋管线上的阀门,向稳压器蒸汽空间喷淋,使一回路压力下降,待压力恢复后,依次关闭喷淋管线上的阀门.正常运行期间,一回路压力自动控制在 MP a;通过手动控制稳压器的电热器投退数量,可控制一回路压力在 MP a.机组正常运行时,一回路压力波动范围有限,即使将一回路压力控制在更小波动范围,长期观察发现对反应堆冷却剂泵径向止推轴承释热率缓解效果也不明显.降低温度变化幅度和控制水温控制重要用户中间回路冷却水系统的温度考虑两个方面问题:一方面,该系统温度受环境早晚温差影响而产生变化,同时也受核岛厂房三废蒸馏系统的用户投切影响而产生大幅度变化,当重要用户中间回路冷却水系统的冷却新能源系统与设备电工技术水温度出现变化时需要及时调整,降低系统温度波动幅度;另一方面,重要用户中间回路冷却水系统维持在较高的温度.经验证,降低冷却水温度变化幅度和维持冷却水温度在 以上,可使反应堆冷却剂泵径向止推轴承释热率上升速率变得平缓些.投运反应堆冷却剂泵的启动电磁铁为确保反应堆冷却剂泵径向止推轴承安全运行,反应堆冷却剂泵设计了启动电磁铁.启动电磁铁安装在径向止推轴承壳体上部法兰上,由传动卸载盘和壳体组成.其中,传动卸载盘与膜片联轴器组装在一起,是转动部件.壳体的材料是碳钢锻件,在壳体内部放置有线圈.线圈由 V的整流电流供电,线圈与壳体间用有机硅绝缘材料实现绝缘,如图所示.图水冷却润滑型反应堆冷却剂泵启动电磁铁启动电磁铁用于在一回路压力大于MP a时启动反应堆冷却剂泵,或者在一回路压力大于 MP a情况下切除反应堆冷却剂泵时,依靠电磁铁的作用力(方向向下)减小作用在转子上的轴向力,确保径向止推轴承润滑水膜的建立,使电机能够克服转子上的摩擦力矩.由于启动电磁铁在一回路正常运行时一直处于加载状态(加压 k g f/c m),因此其作用力(方向向下)可以保证径向止推轴承的受力状态.为解决电磁铁长期运行产生的热,设计了相应的冷却回路,由重要用户中间回路冷却系统提供m/h左右的冷却水.鉴于启动电磁铁对于径向止推轴承安全运行的重要性,由不间断供电电源(U P S)对启动电磁铁进行供电,以保证断电时启动电磁铁的启动.某核电厂使用的VV E R 型压水堆反应堆冷却剂泵运行 期 间,其 径 向 止 推 轴 承 释 热 率 从 上 升 至 后,为了减小轴瓦的磨损,缓解释热率上升的速率,投运启动电磁铁.投运启动电磁铁后,电机功率从 k W降至 k W,径向止推轴承释热率从 降至 ,径向止推轴承回路出口温度从 降至 ,其参数变化见表.表反应堆冷却剂泵启动电磁铁投运前后关键参数变化序号参数电磁铁投运前电磁铁投运后反应堆冷却剂泵电机功率/k W 径向止推轴承释热率 径向止推轴承回路出口温度/径向止推轴承回路入口温度/径向止推轴承回路腔室压力/MP a 径向止推轴承回路排水流量/(t/h)启动电磁铁投运后,整流柜上显示电流为 A,电压为 V,后续每隔 m i n检查次,在 m i n后电压上涨至 V.为了降低启动电磁铁的发热量,将启动电磁铁电流调整至 A,运行h后电压稳定在 V.随着启动电磁铁投运时间变长,整流柜电压和电流参数会有缓慢变化的趋势.启动电磁铁整流柜为恒流源,电流无明显变化,约为 A,电压在投运启动电磁铁后先升高后逐渐降低并稳定在 V左右,见表.表启动电磁铁投运后整流柜上电流和电压变化情况序号时间输出电流/A输出电压/V:序号时间输出电流/A输出电压/V:投运启动电磁铁前,轴瓦磨损摩擦力增大了主泵电机阻力,并使主泵电机及泵体的温度较高.启动电磁铁投运后,轴瓦磨损情况得到了缓解,径向止推轴承的轴瓦阻力降低,电机功率降低,主泵电机及泵体的温度下降,启动电磁铁的环境温度下降,启动电磁铁的温度、直阻、电压也随之下降,但电流变化不大.在这个过程中,主泵电机及泵体的温度是缓慢下降的,所以监测的启动电磁铁电压呈现逐渐下降的趋势,这个降温过程会持续天,最后趋于稳定.投运启动电磁铁后,释热率 天内上涨了约,平 均 /天;投 运 启 动 电 磁 铁 前 则 上 涨 约/天.下面通过数学建模分析投运启动电磁铁后反应堆冷却剂泵参数变化情况.通过径向止推轴承回路节流孔板推算回路流量节流孔板前后压差Pv/D,质量流量Lv A.对于常温水,密度不变,节流孔板的当量直径不变,故P正比于L的平方.由设计参数可知,节流孔板前后压差为 MP a时,对应流量为 t/h.节流孔板前后压差为 MP a时,可推导出对应流量为 t/h.根据释热率计算径向止推轴承产生的热量反应堆冷却剂泵径向止推轴承释热率(t )/,释热率基本在,可推出主泵径向止推轴承回路进出口温差t ,那么反应堆冷却剂泵正常运行时释放热量Qm Ct/J.反应堆冷却剂泵径向止推轴承释热率上升,投运启动电磁铁前释放的热量Qm Ct/()J.根据轴向力计算径向止推轴承产生的热量启动电磁铁在轴向产生一个向下的力,使作用在止推轴承的力减小.查阅反应堆冷却剂泵运行手册,启动电磁铁会产生一个向下的 k N的力,此处取 k N.主轴有一个向上的力,设计值为 k N.在 k N轴向电工技术新能源系统与设备 力的情况下,摩擦释放的热量与带出的热量相同,为 k W.释放热量Qf F R等效r,其中f为摩擦系数,F为轴向力,R等效为等效半径,r为转速.由于转速和等效半径为固定值,因此释放热量Q正比于摩擦系数和轴向力的乘积.投入启动电磁铁后,轴向力变为 k N.Q投入启动电磁铁前/Q投入电磁铁后(f投起动电磁铁前 )/(f投电磁铁后 ).现只需研究f投启动电磁铁前/f投起动电磁铁后的变化情况,即摩擦系数的变化.根据图可知,随着轴向力的变小,摩擦系数增大.从曲线可得f投启动电磁铁前/f投起动电磁铁后约为.图反应堆冷却剂泵径向止推轴承轴瓦摩擦系数曲线综上分析,投入启动电磁铁后热量为 J,那么投入启动电磁铁前后的热量差值Q J.考虑到大型电机的效率一般约为 ,转化到反应堆冷却剂泵电机的功率变化W/k W.投入反应堆冷却剂泵电磁铁后径向止推轴承回路出口温度下降值tQ/(m C)/(/).计算中考虑的误差因素根据公式推算出的通过径向止推轴承回路的流量与工程实际可能有所差别,本文取 t/h,实际可能更大些.摩擦系数f随反应堆冷却剂泵轴向力而变化,变化较明显,根据曲线图取.本文未考虑径向止推轴承中水压头降低而产生的热量.实际径向止推轴承回路有 t/h的泄漏量,该动态换水产生的热量很小,对计算影响很小,未进行计算.考虑启动电磁铁和电机惰转飞轮间隙,启动 电 磁 铁 产 生 的 力 范 围 为 k N,本 文 取 k N.结语本文分析结果表明,通过投运反应堆冷却剂泵的启动电磁铁,依靠启动电磁铁方向向下的作用力,减小作用在转子上的轴向力,轴承释热率可从降至,电机功率下降约 k W,轴承回路出口水温下降约.因此,正常运行期间保持启动电磁铁长期运行,可以减少推力瓦的自身磨损,明显缓解反应堆冷却剂泵径向止推轴承释热率上升速率,从而保证水冷润滑型反应堆冷却剂泵的长期、安全、稳定运行.(上接第 页)()安装无功补偿装置后,功率因数偏低现象大幅度改善,经济效益显著,消除了电网公司征收力调费.()采用集中与分散相结合的无功补偿装置后,电抗器输出的感性无功抵消线路电缆产生的容性充电无功,缓解了容性无功引起的电压过高的问题,对发电系统设备的运行安全起到良好作用.()升压站集中无功补偿装置可以实现感性、容性无功的双向补偿,动态跟踪实时补偿,实现自动调节补偿、滤波的功能,防止谐波污染供电环境,满足系统对谐波治理的需求.结语针对某地区 MW p地面光伏电站工程项目,本文通过反复研究分析,采用分布式无功补偿系统.该技术的优点在于充分结合光伏电站中的电力电子元件,包括光伏逆变器及静态无功补偿装置S V G,产生满足电站运行及电站并网调度所要求的无功补偿容量.通过采用该技术,大型荒山光伏电站对无功电力电子元件进行整合,对电站内汇集线路的两段及沿线进行无功补偿,既平衡了整个电站的无功出力,又节省了电站的整体投资.与此同时,该成果所述方法还可以有效降低施工成本和提高施工效率,保证电站无功补偿容量配置的可靠性、安全性及经济性,该成果的成功运行可为其他工程设计提供借鉴和指导.参考文献 张前进无功补偿下大型光伏并网系统不稳定机理及抑制策略研究D重庆:重庆大学,高鹏程含分布式电源的配电网电压无功控制方法研究D淄博:山东理工大学,惠闯大规模光伏电站集中接入地区无功电压控制研究D沈阳:沈阳工程学院,庞伟基于逆变器调相运行的光伏并网系统多无功源电压调节研究D南京:南京理工大学,胡琳娜大规模光伏接入下区域电网无功补偿研究D西安:西安理工大学,杨明,周林,杜潇,等大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制策略J电机与控制学报,():王以笑,崔丽艳,雷振锋,等分布式光伏电站区域智能调控系统的研究J电力系统保护与控制,():谢宁大型光伏电站电能质量分析与补偿系统研究D长沙:湖南大学,潘琪,徐洋,谢夏寅,等基于无功源的分布式光伏电站无功补偿协调控制系统及方法J电测与仪表,():,新能源系统与设备电工技术