张凯 张经纬
（中国核电工程有限公司，北京市 100048）
摘要: 发电机定子冷却水系统作为核电厂汽轮发电机的重要辅助系统之一，其可靠稳定运行是保证发电机安全高效运行的关键。本文对华龙一号福清核电5号机组定子冷却水系统调试期间出现的问题进行了阐述和分析，提出处理措施，并针对系统调试期间的运行状态提出优化改造方案，为后续机组的调试及运行提供了良好的经验，也为设计优化提供一定的参考。
关键字：发电机；定子冷却水；调试；改造
0引言
华龙一号福清核电5号机组采用的是由东方电机有限公司生产的QFSN-1200-4-24型核能汽轮发电机[1]，其冷却方式采用水-氢-氢冷却。定子冷却水系统主要用于对发电机定子绕组进行冷却，维持发电机在满负荷运行时的正常温升值，该冷却是通过低电导率的除盐水在矩形空心线棒内孔中的循环流动来实现的。定子冷却水系统能够监测并控制进入定子线圈的水电导率、温度、压力和流量等参数。确保发电机在额定氢压下安全运行，避免定子冷却水泄漏进发电机内部。保证发电机最大连续输出功率。
1调试过程概述
在系统实体安装完成后，调试工作主要分为四个步骤：一、对系统内各种传感器校准，泵的各种启动和关闭顺序的预运行试验，报警和保护装置验证；二、系统充水、泵带载试车，除定子线圈外的发电机外部冲洗，离子交换及自动补水的调试，水质调整；三、定子线圈流量分配，试验紧急泵切换顺序，检查流量保护装置，测试溶氧仪；四、在发电机短路和负载运行期间，检查系统各参数及特性。
2调试问题及处理
2.1定子冷却水泵轴卡涩
2.1.1现象：
2019年4月，5号机组常规岛TGC系统定子冷却水泵2号泵5TGC201PO首次带载试车前，调试人员手动对泵轴盘动，发现泵轴卡涩不易盘动，随即停止试车工作。将泵与电机的联轴器脱开，发现电机轴可盘动，泵轴依然卡涩难以盘动，怀疑泵叶片流道内可能进入异物卡住泵轴无法旋转，也可能因泵轴承损坏所致。解开泵入口连接管道，利用内窥镜进行检查，在泵叶流道内未发现异物。现场立即联系厂家解体检查。解体后发现，2号泵叶轮口环轴向端面上有多处划痕，且卡入直径约2mm的类似金属硬质异物。
2.1.2原因分析：
5TGC201PO首次试车时正处在定子冷却水系统发电机外部冲洗阶段。发电机外部冲洗是用除盐水对系统内除定子线圈外的发电机外部主要管路，水箱、冷却器器、滤水器及旁路、温度调节阀、离子交换器等设备进行冲洗。冲洗前将定子冷却水与发电机相连的进出口管道拆除，用临时管道旁通，临时管道内设置一个冲洗滤网。同时，将发电机中性点短路排、出线套管、环形引线出水管拆除，用临时盲板封堵，避免冲洗时反水至发电机内部。冲洗至少维持4个周期，每个周期连续约7小时，以旁路冲洗过滤网上污垢微粒的最大尺寸不超过1mm作为冲洗验收标准。
由于安装阶段管道清洁度控制不佳，在外部冲洗初期，系统内管道残留大量焊渣、污垢，且泵入口未设置滤网，泵吸入口极易引入杂质异物，且叶轮口环与蜗壳体配合间隙较小，此处卡入异物后很难自行流出。
2.1.3处理及改进措施：
将泵解体后取出异物对划痕面进行打磨处理，重新回装，泵轴正常盘动。在冲洗过程中，改进冲洗临措，在两台泵的吸入口分别增加一个临时滤网，以减少冲洗初期系统内杂质进入泵体的可能性。同时在系统安装或验收时，应加强成品保护及清洁度控制管理。
2.2定子冷却水泵振动高
2.2.1现象：
2019年5月，5号机组定子冷却水泵5TGC201PO现场带载试车过程中，测得电机驱动端轴向振动值为4.0mm/s不满足设备运行维护手册中电机驱动端轴承报警值3.5mm/s的要求。现场就此立即展开分析处理，首先将联轴器脱开，重新对电机进行空载试车，发现电机各测点振动值正常，最高值不超过2.0mm/s。复测联轴器中心，调整中心数据至合格后启动定冷水泵，振动无明显好转。
2.2.2原因分析：
福清5号机组定子冷却水系统采用集装式整体布置，2台定冷水泵与电机公用底板，固定在定冷水装置底座，电机由4根连接螺栓支撑在底座。结合前期项目经验反馈，秦山二期与二期扩建项目均出现由于集装件内固定基础刚度不足导致定子冷却水泵振动超标现象，据此判断可能由于电机与底座间支撑刚度不足，导致电机振动超标。
根据上述分析，解决电机振动超标应重点从加强电机端底座的结构强度着手，现场讨论方案如下：1、加工制作厚度90mm电机支撑垫板；2、支撑垫板与水泵电机底盘焊接；3支撑垫板焊好后，重新完成泵组对中校正工作。
在完成5TGC201MO电机基础改造后重新启动5TGC201PO，电机驱动端振动明显好转，最大值仅1.6mm/s，但是发现泵驱动动端振动值仍然偏高。性能人员对其继续进行振动测量，泵驱动端水平方向振动高达3.9mm/s，不合格。经过振动频谱分析5TGC201PO的转速为1480r/min，即基频率为24.7Hz，经现场采集泵侧频谱，其中振动不合格的泵驱动端的水平方向振动主要特征频率为24.84Hz，一倍频占绝对主导作用，频谱分析如下：1）泵存在虚脚或泵基础水平度不足；2）泵支撑刚度不足；3）泵转子存在不平衡。
现场经分析后立即对5TGC201PO泵虚脚、地脚螺栓力矩进行核实，核实泵4颗地脚螺栓力矩均按照厂家要求打到350N·m，检查泵地脚螺栓虚脚,现场复测对中数据发现，泵与电机联轴器上下外圆偏差0.4mm（电机低），左右外圆及张口无较大变化。
经过一系列检查后，立即用薄钢板填充泵地脚螺栓的虚脚，并重新拧紧泵端的连接螺栓，经过处理后重新启泵验证，发现泵驱动端振动合格，达到EOMM手册明确EN ISO 5199（等同标准为GB/T 5656-2008）标准中的振动要求。
2.2.3处理及改进措施：
针对此问题主要处理措施如下：1、将电机基础加固，通过加工制作厚度90mm电机支撑垫板，将支撑垫板与电机底座焊接牢固，电机地脚固定在垫板上。2、处理泵地脚螺栓虚脚，用薄钢板填充，复核泵地脚螺栓紧固力矩值，调整泵和电机的水平度。经过上述处理，5TGC201PO电机振动达到优秀值，水泵振动达到国标要求，振动治理达到预期效果。
2.3流量分配试验数据不合格
2.3.1现象：
2019年5月，在进行定子冷却水系统流量分配试验过程中，经过初步测量发现在满足发电机总进水管流量的前提下，各支路包括中性点出水管、环形引线出水管、出线套管出水管、发电机进水总管排气管、主水过滤器处排气管、离子交换器出水管均无法满足设计流量值，现场梳理各管道对应孔板数据均在设计范围内，经与厂家讨论，需根据现场情况对各管道孔板尺寸进行调整，以满足设计流量需求。初次测量数据见表3。
表 1流量分配初次试验数据
2.3.2原因分析：
根据设计要求，发电机定子空心线棒及发电机各支路管道流量需达到一定要求，以满足发电机在满载工况下的冷却需求。由于在设计阶段，工厂无法在发电机装配完成后，进行真实情况的测量与验证，仅通过理论计算往往存在一定偏差，故在设备进场安装完成后，需要进行真实的测量与调整。在进水总量达到要求的前提下，对各支管进行流量分配，通过调整孔板尺寸，达到系统内各管道流量的需要。
系统流量的调节取决于压力调节阀及各处的节流孔板的调，002DI 是精确测量孔板，不允许随意更改该孔板的孔径，001/002/003MD 上读取的总流量在210-220范围内。需要时通过调整压力调节阀TGC002VD 的开度对其进行调节。
调整发电机出水流量，具体如下：
1）流经发电机中性短路排出水流量。需要时调节孔板TGC008DI 使该支管流量读数在6.5-8范围内；2）流经发电机出线套管出水流量。需要时调节孔板TGC009DI 使该支管流量读数在21-22范围内；3）流经发电机环形引线出水流量。需要时调节孔板TGC011DI 使该支管流量读数在7.5-9范围内。
读取流量表 TGC001LD 上显示的流经离子交换器的流量。需要时调节孔板TGC007DI 使流量读数在9-11范围内。每次更改孔板后，需再次检查流经定子绕阻和发电机定子各出水的流量，确保流量读数保持不变。
2.3.3处理及改进措施：
按照以上原则，现场对各支路孔板进行测量并计算需要调整孔径的数据，经过反复的拆装，测量及再验证，最终得到流量分配数据（见表2）。流量分配试验中，为了使试验数据真实可靠，需要注意满足以下的条件：调节水温调节阀 TGC001VD 的设定值在37℃，水温控制在正常运行温度范围内，必要时投入闭式冷却水；使除离子水在发电机中循环流动4小时已达到充分的排气，避免气流引起压力及流量的波动；经过 2 小时后检查电导率仪TGC001/002MR 上显示的主水路的电导率应低于0.2us/cm。
表2 流量分配第五次试验数据
3建议改造方案
3.1增加排气装置：消涡板和消气过滤器
定子冷却水系统（TGC）设计有两台冷却水泵，正常情况下一台泵运行，另一台备用。正常运行时系统的流量为210m/h，其中流量的测量通过节流孔板流量计实现。当流量“低”触发备用泵启动；当流量“过低”触发发电机跳闸跳机。系统的连续排气口分别取自两台冷却器及滤水器器上方，三路管道均有一定流量的水持续排至高位水箱内部，以排除系统内部残留的气体。
在5TGC调试启动运行期间，定子冷却水水箱多次发生虚假水位、定子冷却水流量低事件，由于TGC系统是闭式循环，且检查系统均无漏点，经过分析排除流量计本身故障及泵本身造成的流量波动。由于定子冷却水流量的测量是通过流量孔板的前后压差来实现的，当孔板前后压差发生改变，就会造成流量波动。怀疑系统内有气体，立即进行流量计仪表管线的排气检查，并在泵出口多次进行排气，定子冷却水流量低现象得到改善，但偶然还会发生流量大波动现象，其中每次取样时发现，排出的水中明显有大量细小的气泡。
定子冷却水中气体的来源主要有1.高位水箱涡流卷入，当水箱进水和排水造成涡流可能将水箱内部气体卷入回水管道；2.补水的引入，充水为常温的核岛除盐水，随着系统的运行水温升高，气体溶解度下降会析出大量的气体，也会造成系统内部冷却水含气量增大。当流量孔板受到气体干扰时就会产生测量偏差。
图1 孔板流量计的结构示意图
由于节流孔板为角接取压方式，其结构示意图如图1所示。流体经历了截面到截面再到截面，流体到截面时流束收缩到最小，平均流速达最大值，自截面后，流束开始膨胀，直到截面，又恢复到截面前的情况，此时平均流速由逐渐降到，与平均流速相对应的静压亦经历由低到高再恢复到低值。孔板的压力损失很高，是由过程中的涡流能量耗散造成的。
在忽略沿程摩擦阻力损失的情况下，根据流体力学的伯努利能量方程
和连续性原理
，得出节流孔板流量的计算公式：
式中：β为孔板流量计的直径比
，d、D分别为孔板孔径和上游管道内径；
为截面、上平均流体压力
之差；为节流孔板流出系数；ρ为管道内流体介质的密度。
节流孔板流出系数计算公式如下：
由以上公式可以看出，孔板测量流量
呈正比关系，当压差变化时，流量就会跟随产生变化。而含气量对孔板前后压力和速度的变化趋势影响很小，但随着含气量的增加，最大压力和真空度减小。因此，当所测管道水中混入空气时，孔板流量计测量的压差就会变小，从而造成测量流量减小。冷却水系统在处于含气量变化的工况下，孔板流量计测量的压差会随着混入气体量的增加而变小，从而导致测试流量较实际流量小。
高位水箱涡流卷入的气体，可以通过在高位水箱内部加设消涡板的方式避免涡流的形成。补水引入的气体，可以在节流孔板前增加消气过滤器，由于系统正常运行时水是闭式循环的，期间含气量不会大幅波动，可以在系统投运初期使用，建议设置在电加热器下游，与电加热器同时投用。
3.2增加一台定子冷却水泵301PO
目前福清5号机TGC定子冷却水系统采用的是2台定子冷却水泵，一用一备，当出现特殊情况，如当一台定子冷却水泵在故障检修时，主用泵就失去了备用，将违反运行技术规范，根据运行技术规范需将机组降功率运行，若此时运行泵发生故障，将必定引起跳机。参考方家山核电定子冷却水系统运行模式，目前福清核电3号机定子冷却水系统在302大修期间通过技术改造已经成功新增了一台定子冷却水泵，3GST101/201/301PO之间可实现互相连锁，在后续大修计划将对其余机组进行整改，连锁逻辑如下 ：
1）3GST101PO运行，3GST201PO作为第一备用连锁启动；
2）3GST201PO运行，3GST301PO作为第一备用连锁启动；
3）3GST301PO运行，3GST101PO作为第一备用连锁启动；
4）3GST101PO运行，3GST201PO启动失败，3GST301PO作为第二备用连锁启动；
5）3GST201PO运行，3GST301PO启动失败，3GST101PO作为第二备用连锁启动；
6）3GST301PO运行，3GST101PO启动失败，3GST201PO作为第二备用连锁启动。
通过增加一台定子冷却水泵，当一台泵在故障或检修时，还有一台泵可充当备用，避免了机组降功率，也增加了系统运行的可靠性和冗余度。
3.3水泵入口增加锥形过滤器006FI
在5号机TGC系统调试程序《除定子线圈外的冲洗及初步调试》[2]中，冲洗过程中系统只安装了一个发电机旁路过滤器，在系统的设计上发电机出口管道均未设置正式或临时滤网。由于在不锈钢管道安装焊接的过程中可能会产生大量的可溶脂，在系统首次冲洗试车时会使旁路过滤器后的管道中异物直接冲洗进定子冷却水泵，极易导致泵叶轮卡死，只能对泵进行拆卸检修，会影响整个系统的调试工期。另一方面，在机组大修时，对系统进行检修的过程中也可能引入杂质，为减少系统冲洗时间，优化系统在启机前的准备周期，建议在定冷水泵入口垂直管道上安装正式或临时的锥形过滤网，锥形过滤网会使异物拦截在滤网底部，不会影响系统流量，安装滤网后会大大优化系统冲洗试车等工作。
4结论
发电机定子冷却水系统作为核电厂汽轮发电机组重要的辅助系统之一，其可靠稳定运行是保证发电机安全高效运行的关键。本文概述了华龙一号福清5号机组发电机定子冷却水系统调试过程中，遇到的几个典型问题，201PO泵轴卡涩、201PO振动高及流量分配试验数据不合格，并分析问题原因及处理措施。根据调试期间系统运行状况的分析提出了后期技术优化改造方案，以保障后续机组系统在调试与运行过程中的可靠性。本文旨在梳理定子冷却水系统的调试方法及经验，希望给予华龙一号后续机组定子冷却水系统的调试、运行和设计优化提供参考。
参考文献
[1]周林林，发电机定子冷却水系统流量波动问题的分析与处理，哈尔滨：大电机技术，2018:70-75
[2]秦国强，提高发电机定子冷却水系统运行可靠性的实践，宁夏：科技展望，2016:77