姜慎之

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

1 方家山機組主泵推力軸承及頂軸油泵簡介

反應堆冷卻劑泵（主泵）是一回路的核心裝備，通過一回路內的冷卻劑循環(huán)流動，將反應堆堆芯產生的熱量傳遞到蒸汽發(fā)生器。主泵的安全可靠運行，保證了反應堆的冷卻，對核安全有重要作用。

在反應堆冷卻劑泵運行過程中，一回路系統壓力、轉動部件的重量、軸密封壓力降作用力及葉輪的水推力等會合成一個軸向推力。這個軸向推力負荷由主泵的止推軸承來承擔。止推軸承主要由主推力瓦、推力盤和下推力瓦組成。隨著主泵轉動，潤滑油液在軸瓦和推力盤中間建立一層油膜，使軸瓦與平衡盤不接觸，并將泵的軸向推力負荷均勻分配到每塊推力瓦上。由于一回路系統壓力產生的作用力與轉動部件的重量方向相反，所以推力會根據系統壓力的升高，而改變力的方向。當反應堆冷卻劑泵啟動后一直到一回路系統壓力6.0 MPa以下時，系統壓力產生和軸密封壓力降作用力小于轉動部件的重量及葉輪的水推力，所以此時的軸向推力作用在副推力瓦上。當一回路系統壓力6.0 MPa以上時。系統壓力產生和軸密封壓力降作用力大于轉動部件的重量及葉輪的水推力，所以此時的軸向推力作用在主推力瓦上。

主泵頂軸油泵是主泵的輔助設備，從軸承外油室中供油給止推軸承。在主泵啟動和停機時，啟動頂軸油泵，目的是在主泵轉速較低自我形成油膜能力較差的情況下能夠輔助形成油膜，最大限度地降低主泵啟動阻力矩，并保護推力瓦。所以設計要求在主泵啟動之前先啟動頂軸油泵，主泵停運或者轉速低于1 000 r/min時自動啟動頂軸油泵。另外油泵的運行在主泵停運下循環(huán)油箱內部油，有助于進一步降低軸承各部件的溫度。

2 主泵頂軸油泵供電設計

2.1 供電設計的不足

頂軸油泵原先的供電設計比較單一，由正常380 V交流電源LKA/LKB供電，沒考慮到失去電源情況下，設備運行的可靠性。

當主外電網喪失孤島運行失敗，廠用電LGA/LGD喪失電源，由其供電的三臺主泵將全部停運，同時LKA/LKB也將失電，導致相應供電的主泵頂軸油泵也將停運。在主泵失電惰轉停運過程中，頂軸油泵無法啟動，不能向泵推力軸承供油，輔助建立油膜，可能導致主泵推力瓦在低轉速下發(fā)生干摩擦而損壞，降低了重要設備的可靠性，影響反應堆的安全。

在機組在進行主泵惰走試驗中，就發(fā)生了主泵主推力瓦損壞的事件。試驗分為兩個部分：同時停運2號主泵和3號主泵，檢查流量下降情況；同時停運三臺主泵，檢查流量的下降情況。第一部分采取斷開2號和3號主泵的電源開關的方式進行，第二部分采取直接斷開500 kV開關的方式進行。試驗開始后主泵失電惰轉，頂軸油泵也同時失去電源無法啟動，主泵惰走結束重新啟動時，發(fā)現推力瓦溫度異常上升而緊急停泵。經過解體檢查，發(fā)現主推力瓦表面有不同程度的磨損，供油管線上有油跡，進一步采用專用工具對逆止閥和管線進行打壓，發(fā)現有漏油現象，無法保持壓力。原因分析認為，推力瓦上的逆止閥以及母管接頭泄漏破壞了主推力瓦與推力盤之間的油膜。頂軸油泵在主泵啟動之前啟動，強行在主推力瓦和推力盤之間形成油膜，主泵啟動后，達到額定轉速，推力瓦和推力盤之間的相對運行已經能夠自行形成油膜，停運頂軸油泵后通過瓦塊上的逆止閥關閉自行形成油膜，由于額定轉速時壓力較高，因此能夠保證逆止閥的關閉。在轉速低的情況下，由于油膜的壓力與轉速成正比，惰轉過程轉速下降后油壓降低使逆止閥產生泄漏，油膜發(fā)生破壞，導致在低轉速下推力盤和推力瓦發(fā)生接觸摩擦而損壞。推力瓦發(fā)生摩擦之后，重新啟動主泵推力瓦與推力盤之間將無法有效形成油膜，導致啟動后推力瓦發(fā)生摩擦，溫度異常升高。

鑒于失去頂軸油泵情況下的主泵惰轉存在推力瓦與推力盤油膜被破壞損傷瓦面的風險，確保主泵頂軸油泵的可靠運行就對主泵的安全有重要作用。

2.2 頂軸油泵供電設計的改進

為了保證主泵的安全運行，將主泵頂軸油泵的供電電源由380 V正常配電系統改接至380 V應急配電系統。應急配電系統在失去主廠外電源后，將自動切換到廠外輔助電源供電，如果發(fā)生輔助電源切換不成功，仍可以由應急柴油機供電，極大的提高了頂軸油泵供電電源的可靠性。根據邏輯可估計，在應急柴油機啟動帶載工況下，頂軸油泵最大失電時間為12.9 s。根據試驗報告，主泵從額定轉速惰轉到1000 r/min的時間是7 s，12.9 s后大約降到770 r/min。當轉速大于500 r/min時，頂軸油泵快速恢復運行向主泵推力軸承供油并強制建立油膜，可以確保主泵的安全停運。

為了進一步增加供電電源的多樣性，頂軸油泵由原來本機組的單獨一路電源供電，再增加一路來自其他機組的交流電源作為備用電源。設置了快速自動切換開關，當失去電壓時，可以在主電源與備用電源之間實現快速切換，從而保證頂軸油泵在即使本機組失電事故的情況下也能通過其他正常機組快速恢復供電，保證了主泵的可靠運行。

同時對頂軸油泵控制電源進行了可靠性改進。原先設計上是由單一的110 V直流系統LBA供電，如果直流電源由于出現故障導致頂軸油泵失去控制電源，即使交流電源可用，也會導致頂軸油泵無法啟動運行。所以為了提高可靠性，將頂軸油泵的控制電源改為取自主回路的交流電源，不再需要額外的直流電源。經過這項改進，將控制電源改為交流自給供電、主回路電源為雙路電源后，可以更好地避免因為直流系統的單一故障導致頂軸油泵失電的可能性。改進后，在正常運行以及各種失電事故工況下，頂軸油泵電源的供電方式分別為：

（1）正常運行，主泵正常運行，頂軸油泵由交流主電源供電；

（2）失去主廠外電源，主泵失電惰轉，頂軸油泵主電源由TS切換到TA供電；

（3）失去全部廠外電源，主泵失電惰轉，頂軸油泵主電源由A/B列應急柴油機供電；

（4）失去全部廠外電源和A列應急柴油機，主泵失電惰轉，1號和3號頂軸油泵主電源失電，切換到另一臺機組的后備電源供電，2號主泵頂軸油泵主電源由B列應急柴油機供電；

（5）失去全部廠外電源和B列應急柴油機，主泵失電惰轉，2號頂軸油泵主電源失電，切換到另一臺機組的后備電源供電，1號和3號頂軸油泵主電源由A列應急柴油機供電；

（6）完全失去交流電源，主泵失電惰轉，頂軸油泵全部切換到另一臺機組的后備電源供電。

后續(xù)可以考慮的改進建議：頂軸油泵供電改為雙切電源后，正常電源故障切換至后備電源過程中，存在電源切換失敗的風險，后續(xù)改進可以考慮增加蓄電池的UPS供電，既可以保證電源切換過程不會停電，也能在發(fā)生電源切換失敗時，通過蓄電池提供電源，保證頂軸油泵在惰轉期間的可靠性。

根據系統手冊資料，1臺頂軸油泵功率7.5 kW，電壓380 V AC。如果主泵惰轉3分鐘以后可以完全停止，則可以估算需要的蓄電池最低需求容量為：

通過增加蓄電池提供電源，可以確保頂軸油泵在即使兩路電源都不可用的情況下也能繼續(xù)保持運行，直到主泵完全停運，確保設備的安全。

3 結論

通過對頂軸油泵電源的設計改造，可以使在發(fā)生如全廠失電事故工況時，主泵惰轉停運過程中頂軸油泵的可靠運行。這避免了在主泵惰轉速度逐漸降低期間發(fā)生金屬干摩擦而損壞推力瓦的風險，保證了主泵的運行安全。