[摘 要] 台山EPR核电项目一期工程发电机密封瓦为三流环结构，包括空侧回路、氢侧回路、中间侧(即真空侧)回路，该项目的三流环密封油系统在世界上首次加装了蓄能器回路。调试过程中发现中间侧回路在发电机转子低转速工况下启动会导致密封油系统供油压力严重超压，无法启动。本文探讨中间环路无法启动问题的根本原因，并据此研究设计解决方案，增加相关从业人员对三流环密封油系统的认识，为三流环密封油系统设计完善提供技术参考。
[关键词] EPR；三流环密封油系统；容积泵；蓄能器；空侧回路止回阀
0 前言
台山EPR核电项目一期工程汽轮发电机是由ALSTOM-DEC联合提供的首台1750MW 4极发电机,采用ALSTOM公司技术制造，型号TA1800-83，水-氢-氢冷却。该型发电机的密封瓦为三流环式结构，在密封瓦中有三道环形油腔，组成密封油系统的三个环路。在发电机密封油系统单系统调试过程中，出现了中间侧回路启动导致系统密封油压严重超过设计值问题，导致了中间侧回路无法启动，问题严重制约机组调试进度，亟需解决。
1 三流环密封油系统简介
1.1 台山EPR核电机组三流环密封油系统简介
台山EPR核电项目一期工程的三流环密封油系统[1]（以下简称GHE）在结构上包括氢侧及空侧密封。每个密封环在圆周方向设计有通流槽。空侧及氢侧密封环叠放安装，中间设计多个凸台保证空侧与氢侧之间形成通流间隙，形成位于两者中间的中间侧回路。密封瓦结构示意图如图1所示。
图1 三流环密封瓦结构示意图
系统正常运行时，GHE系统的密封油源来自汽轮机润滑油系统的母管润滑油。空侧、中间侧及氢侧三个环路分别通过各自环路的油泵提供压力为0.65MPa、0.67MPa、0.67MPa[2]的密封油进入密封瓦，处于中间环路的真空油路在空侧和氢侧之间起到一个隔离作用，彻底阻止了油液中空气和氢气的混合，有利于保证氢气纯度，减少氢气消耗量。GHE系统流程简图如图2所示。
1.空侧交流油泵；2.空侧直流油泵；3.冷却器；4.过滤器；5.油氢压差阀；6.空侧供油逆止阀；7.蓄能器；8.空侧油箱；9.空侧油箱排烟风机；10.真空油泵；11.真空油泵安全阀；12.真空泵；13.真空油箱；14.真空回路调压逆止阀；15.氢侧油泵；16.过滤器；17.冷却器；18.氢侧油位控制阀；19.氢侧油压调节阀
图2 台山核电空侧/真空侧回路示意图
由于中间侧回路及氢侧回路均由空侧回路供油，因此空侧回路安全级别最高。设计了一台主密封油泵、一台应急交流密封油泵、一台不间断电源供电的事故直流密封油泵，并设计了蓄能器回路稳定空侧回路密封油压。真空侧回路及氢侧回路失去的情况下，可以单独由空侧回路保证氢气的密封。
1.1.1 空侧回路
空侧密封油回路由三台泵组成，两台交流油泵，一用一备，一台备用直流油泵。正常运行时，空侧密封油通过密封油泵从空侧油箱取油，经冷油器和过滤器进入到发电机汽励两端的空侧密封环。空侧密封油压力通过一运一备油氢压差阀（图2阀5）调节控制，保证在任何运行方式下空侧密封油压力大于发电机内氢气压力0.05MPa。
在空侧供油回路上设置有一组应付瞬态情况的蓄能器，其主要功能是在密封油泵出口压力下降时，向密封瓦提供所需的密封油，维持3s，保证油压大于氢压。空侧回路正常运行时，蓄能器回路出口电磁阀关闭；当空侧密封回路油压出现波动时，蓄能器出口电磁阀开启，空侧供油逆止阀保证蓄能器油压全部输出到密封瓦稳定空侧供油压力。
1.1.2 中间侧回路
中间侧回路即真空侧回路，主要包括一台真空油泵、真空油箱、真空泵和调压逆止阀，用于分离发电机密封瓦空侧和氢侧密封油回路，同时真空泵除去密封油中所含的气体（发电机泄漏的氢气和油气等），保证密封油的纯度和发电机密封效果。正常运行时，空侧回路向真空油箱补油，真空油泵从真空油箱取油向发电机汽励两端提供密封。真空侧回路通过空侧供油回路与真空侧供油回路间的逆止阀（图2阀14）调节油压，保证真空侧油压总是大于空侧油压0.02MPa[3]。
1.1.3 氢侧回路
发电机密封瓦氢侧环的密封油分别由两个独立、相同的回路提供。每个回路主要由一台交流油泵，过滤器，冷却器等设备组……氢侧密封油经过氢侧油泵升压后，通过氢侧冷油器和过滤器供油至汽励两端的氢侧密封环，流经排油室返回氢侧油泵入口管线，形成闭式循环。氢侧回路正常运行时，氢侧油压由氢侧油泵入口油位决定，油位高度由氢侧回路的供回油管线间的油压调节阀（图2阀19）维持恒定，从而保证氢侧油压与真空侧油压相同。在氢侧油泵入口管油位超过限值（不能导致发电机进油）时，过剩的氢侧油经回油管线油位控制阀（图2阀18）返回空侧油箱，其中励端氢侧油直接返回油箱，汽端经过汽励两端之间的U形虹吸连通管间接返回。虹吸管防止汽励两端间气体和氢侧回油的流窜。
1.2 台山EPR核电机组三流环密封油系统相比常规火电三流环密封油系统的优点
常规火电三流环密封油系统与台山项目三流环密封油系统相比，空侧回路无蓄能器及出口逆止阀，其他设备基本一样，如图3、图4所示。
图3 台山核电空侧/真空侧回路示意图
常规火电三流环密封油系统以安徽平圩电厂[4]为例，在机组额定转速运行工况下，两台空侧泵运行，然后停运一台空侧泵时会出现约1s的系统失压情况，系统密封油压低于20kPa，导致跳机，如图5所示。
这是由于空侧回路启动两台泵（容积泵）的情况下流量是一台泵时流量的两倍（容积泵流量基本为定值）[5]。因此空侧回路油氢压差阀开度较大，将多余的流量旁路回空侧主密封油。当停运一台泵的瞬间，空侧回路油氢压差阀需要一定响应时间[6]来关小旁路流量，而这时只有一台泵运行，流量即全部旁路回主油。这段时间会出现密封油压不足，低于20kPa跳机值（见图5，高峰值即启动两台泵，低峰值即停运一台泵导致的系统失压）[7]。这属于设计缺陷，问题无法从根本上解决。三流环密封油系统制造商采取将约1s的系统油氢压差值低跳机信号屏蔽，临时解决该问题。但是系统失压1s的时间内可能会有发电机氢气微量泄露风险[8]。
图4 常规火电空侧/真空侧回路示意图
图5 系统油氢压差曲线
台山项目EPR机组三流环密封油系统相比常规火电在空侧回路增加了逆止阀以及三台蓄能器。两台泵运行停运一台泵的工况下，逆止阀会阻止泵出口的流量通过旁路阀泄油回油箱[9]。同时安装在逆止阀下游的蓄能器也会动作，为空侧回路补充密封油，从而避免了系统失压进而导致跳机事件的发生，从设计理论上解决了常规火电三流环密封油系统空侧泵切换导致的失压问题。
2 中间侧回路无法启动现象及原因分析
2.1 中间侧回路启动超压现象
在2015年5月9日，现场首先启动GHE空侧泵GHE2115PO，启动后稳定参数如下：空侧油压2418LP=0.06MPa，2438LP=0.062MPa。
之后启动中间侧环路：启动中间侧泵GHE3215PO（启动前安全阀全松），GHE3215PO出口加装临时压力表VLP测量泵出口压力，3412LP、3232LP为真空侧回路供油压力表，如图6所示。通过调整中间侧密封油泵安全阀逐步调高泵出口压力（VLP），观察记录发电机处供油压力，数据见表1。
图6 中间侧/空侧回路示意简图
表1 中间侧/空侧压力对比 MPa
在中间侧密封油泵启动后，当泵出口压力调节为0.28MPa，真空回路供油压力已高达0.12MPa（空侧油氢压差高报警值0.1MPa，中间侧油压比空侧大0.02MPa），继续升压可能导致发电机进油，因此无法继续调整中间侧泵安全阀至设定值1.21MPa。可得出结论：在发电机零压力及转子零转速下，由于超压问题，中间侧密封油泵无法启动。
2.2 中间侧回路启动超压原因探讨
2.2.1 理论分析
密封油系统在单系统调试阶段和正常运行工况下所需密封油流量差别很大，系统设计是按照机组正常运行工况（1500r/min，0.6MPa氢气）计算得出三个环路流量，进而为泵选型。泵均为容积泵：空侧回路单台密封油泵655L/min，真空侧回路密封油泵93L/min，氢侧回路单台密封油泵113L/min。
油氢压差0.05MPa，测量发电机0压力下密封油流量为2.2m³/h，发电机额定压力下流量为2.6m³/h，即在发电机转子静止工况，所需密封油流量只有2~3m³/h。而设计时依据发电机1500r/min工况计算设定中间侧密封油泵额定流量为93L/min≈5.6 m³/h。中间侧泵为容积泵，流量一定，且该回路未设计旁路调节，因此中间侧泵启动后，超过密封瓦所需流量的密封油充斥密封油系统供油管线，一定的空间内，多余的流体压缩导致系统超压。
2.2.2 理论计算
对密封瓦处管道进行流体力学分析，流量恒为Q，供油压力P1，流速μ1，压头Z1，截面积A1；回油压力即发电机氢气压力P2，流速μ2，压头Z2，截面积A2。油氢压差即
。
根据伯努利方程可得：
[10]
由于密封瓦进油和回油在同一高度：
可得：
油氢压差
= 
= 
对系统而言，管道相同、流体相同，在不同流量工况(Qa, Qb)下得出油氢压差关系：
在发电机0压力且0转速工况下：
=2.2m³/h，油氢压差
=0.05MPa。
而中间侧泵启动后提供
=5.6m³/h，此时空侧泵压力＜中间侧压力，空侧供油逆止阀关闭，即系统流量=中间侧泵流量为=5.6m³/h。
则中间侧在发电机0压力0转速工况启动时，系统油氢压差
≈6.5
可计算出此时油氢压差为
0.325MPa，严重超过油氢压差高报警值0.1MPa。
同理可得出发电机额定压力0转速时，油氢压差为0.232MPa，同样严重超压。
由此得出真空侧回路无法启动的根本原因：在发电机低转速工况下，系统密封瓦所需流量较小，设计时未充分考虑发电机低转速工况，导致该工况下中间侧泵（容积泵）流量相对过大，系统流量超过密封瓦所需流量，进而导致系统密封油压远超正常值，中间侧回路无法启动。
2.2.3 试验验证
为了验证分析的正确性，我们设计了专项试验。从系统整体分析，空侧回路在发电机静止工况也是超流量状态，但是由于有旁路管线可以将多余密封油旁路回油箱，可以成功启动。中间侧没有旁路管线，但是密封油三个环路在密封瓦处是相通的，因此可以设想通过打开空侧供油逆止阀的旁路阀来让中间侧回路多余密封油流量旁路回主密封油箱。
试验步骤：真空侧泵出口压力（VLP）、汽端空侧压力（2418LP）、汽端真空侧压力（3412LP）、励端空侧压力（2438LP）、励端真空侧压力（3232LP），并在空侧泵出口母管上加装一超声波流量计记录空侧回路密封油流量（MD），先启动空侧回路，稳定后启动中间侧回路，逐步调高中间侧泵出口安全阀设定值，直至1.21MPa，试验数据见表2。
由以上试验可知：在打开空侧供油逆止阀的旁路阀后，随着真空侧泵出口压力升高，空侧进油管流量逐渐下降，最终变为负流量，说明中间侧回路密封油通过空侧的旁路阀，将多余流量旁路回了空侧主油箱，系统压力最终稳定在0.11MPa，完成了中间侧回路的启动。
表2 打开空侧回路逆止阀的旁路阀试验数据
这说明EPR核电机组三流环密封油系统在解决常规火电三流环密封油系统失压的同时由于逆止阀的引入导致了新的问题产生，中间侧多余流量无法通过空侧旁路调节阀回空侧油箱，中间侧回路在汽轮发电机组低转速工况下无法启动。
3 解决方案
由于三流环密封油系统设计原则是中间侧油压比空侧油压大0.02MPa，而不是中间侧密封油压比发电机氢压大0.07MPa，因此真空侧与空侧之间压力调节是靠靠近发电机处的空侧——真空侧调压逆止阀实现，单独在真空侧回路增加调压阀的方案不可取。
方案1：将空侧供油逆止阀的旁路阀修改为电磁阀，如图7所示。
图7 方案1示意图
电磁阀增加逻辑：当真空侧密封油压--发电机氢压大于0.1MPa时阀门打开，低于该值时关闭。这样在发电机转子静止情况下，真空侧密封油流量大，真空侧油氢压差压力远大于0.1MPa，这时空侧出口逆止阀的旁路电磁阀打开，真空侧回路多余密封油可以旁路回空侧密封油箱；当机组冲转后，随着转速升高，密封瓦所需密封油流量增大，一定转速后真空侧油氢压差值低于0.1MPa，电磁阀关闭，系统正常运行。
电磁阀打开的情况下，与空侧回路不带逆止阀的常规火电三流环密封油系统相似，已有成功先例。同时，这种情况下真空侧密封油压大于氢压0.1MPa，代表仅靠真空侧流量即能满足密封瓦所需密封油流量，即使空侧回路密封油泵切换，也会由真空侧密封油补充到密封瓦，不会产生常规火电的系统失压；而当机组正常运行时（转速1500r/min，氢压0.6MPa），电磁阀会关闭，蓄能器与逆止阀能起到设计的稳压作用。
方案2：将空侧/真空侧调压逆止阀与空侧回路的接口更改到空侧泵出口逆止阀前的位置（图8）。
图8 方案2示意图
由于空侧——真空侧逆止阀与空侧接口移到了空侧逆止阀前，这样真空侧多余流量可以直接通过空侧回路旁路逆止阀流回到空侧油箱。但是由于发电机励端、汽端空侧管路长度不一样，管阻也不同，励端、汽端空侧供油压力会有微小差别。而空侧——真空侧调压逆止阀的空侧取样点在空侧回路母管上，这样会导致空侧——真空侧回路密封油压压差在励端、汽端略不相等。
方案3：ALSTOM正式方案-顺控逻辑修改
台山项目设计修改需法方ALSTOM同意，ALSTOM确认了中间侧密封油回路在发电机低转速下无法启动的问题，并采纳了打开空侧供油逆止阀旁路阀来调试中间侧回路的调试方案。但是ALSTOM基于现场进度及改造工作量方面考虑，其处理方案为决定在发电机低转速下不启动中间侧回路：修改三流环密封油系统启停逻辑，将GHE系统三个环路顺序启动逻辑修改为分别启动三个环路，在汽轮发电机转子非冲转状态只启动空侧、氢侧回路密封油，转速＞1000r/min后再启动中间侧回路。
该方案缺点：只有在机组冲转至转速＞1000r/min时中间侧回路密封油才启动，其他工况下三流环密封油系统只有两个环路运行，中间真空侧回路隔离功能失效（三流环密封油系统在这些工况下变成双流环），会使空侧回路含氢量上升，需要密切关注发电机氢气纯度及氢气泄漏率。
图9 方案3顺控逻辑修改示意图
4 结语
台山项目三流环密封油系统作为世界上首台增加了蓄能器及逆止阀的三流环密封油系统，有其设计上领先的地方，同时也由于考虑不周，细微的设计改变引入了新的问题——真空侧回路在发电机低转速下无法启动。本文通过理论分析得出根本原因，并通过试验验证找出了处理方案，为相关从业人员尤其是设计人员提供思路。
