某核電機組汽機軸封系統(tǒng)改進方案研究

李繼兵　桑錢鋒

【摘 要】某核電機組汽機軸封系統(tǒng)在機組聯調期間頻繁出現跳閘的現象。為保證汽輪發(fā)電機組運行的安全穩(wěn)定，本文從出現頻繁跳閘的原因入手，對機組聯調期間采取的措施進行介紹，并重點對其它可實施的改進措施進行分析，以期提供多種解決方案，后續(xù)從根本上解決軸封系統(tǒng)頻繁跳閘的問題。

【關鍵詞】核電機組；軸封系統(tǒng)；跳閘；改進

中圖分類號：TK228 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.012

【Abstract】The gland seal system used in a nuclear power plant was frequently tripped during the unit start-up.In order to ensure the safe and stable operation of Turbine generator set，some measures were adopted based on the reason of trip defect of the gland seal system.And in this text， some other improvement measures were analyzed intensively ， which can provide the solution for trip defect of the gland seal system and the issue can be solved fundamentally.

【Key words】Nuclear power plant； Gland sea systeml； Trip； Improvement

0 引言

軸封系統(tǒng)[1-2]（CET）是保障汽輪機安全運行的重要系統(tǒng)，在正常運行中軸封系統(tǒng)能防止空氣由大氣漏人汽機或蒸汽由汽機漏入大氣，凝汽器保持真空狀態(tài)時需要保持軸封供氣。若失去軸封系統(tǒng)，會造成熱力效率的損失，同時還會導致軸承熱力分布不均，汽輪機設備無法安全運行等多種運行問題[3-4]。

某項目采用CET系統(tǒng)流程示意簡圖如圖1，其軸封蒸汽源采用了輔助蒸汽（SVA）單汽源，在機組啟動和低負荷范圍內，通過供汽控制閥（CET051VV）向軸封母管供應軸封密封蒸汽。隨著負荷的增加，從高壓缸軸封漏入的軸封蒸汽母管的蒸汽量也增加，當漏氣量滿足低壓缸軸封密封壓力要求時，機組進入自密封狀態(tài)，供汽控制閥關閉，防止密封蒸汽母管中壓力升高，同時排汽控制閥打開（CET5051VV），將過量蒸汽排入凝汽器。當蒸汽母管壓力低于設定值時，汽封供汽調節(jié)閥打開，以保證汽封母管壓力在正常范圍內。

圖1 某核電機組CET系統(tǒng)簡圖

1 CET頻繁跳閘問題說明及原因淺析

在CET1051VV自動投運之后，調試人員發(fā)現CET1051VV閥前壓力波動大，經常導致CET1051VV反復啟閉，軸封系統(tǒng)無法順利自動投運，該現象在機組執(zhí)行瞬態(tài)試驗時尤為明顯。CET跳閘的情況會使軸封系統(tǒng)隨著散失，在該狀況下調試人員只能現場進行手動干預，存在響應較慢的問題。

該問題發(fā)生的原因主要在于設計單位與廠家的接口問題。該項目最初廠家所給的設計文件對軸封汽源有嚴格品質控制要求：即壓力在3.0bar.g～7.0bar.g，蒸汽過熱度5K，溫度小于193℃。而SVA汽源為約4%濕度的飽和蒸汽（1.2Mpa.a；188℃），經過調節(jié)閥SVA311VV降壓后，輔助蒸汽壓力降至6.5bar.a（162℃；3%濕度），降壓后仍不能滿足CET對汽源品質要求。

另由于CET管道內壓力波動較大，在系統(tǒng)自動調節(jié)過程中SVA311VV與CET1051VV兩個調節(jié)閥同時動作，由于兩個閥門之間管道容積有限（DN150mm，長度約2m），壓力變化緩沖能力有限，在軸封系統(tǒng)快速投用時，導致CET調節(jié)閥前壓力波動較大，當壓力不滿足3.0bar.g～7.0bar.g邏輯限制范圍，導致CET2001NP（CET1051VV的調節(jié)控制器）跳閘，調節(jié)閥被閉鎖，當壓力條件滿足時閥門再次打開，導致閥門多次頻繁動作。

2 CET頻繁跳閘問題現場改造方案簡介

2.1 調節(jié)閥PID參數優(yōu)化

上節(jié)已經提到，CET系統(tǒng)采用的是兩個調節(jié)閥（SVA311VV及CET1051VV）共同調節(jié)。為保證兩個閥門共同調節(jié)的效果，調試人員在調試過程中對兩個閥門的PID參數進行調節(jié)，將CET1051VV的響應速度適當調慢，而將SVA311VV的響應速度加快，最終使得兩個閥門的響應可以匹配，此方法可以一定程度上減少瞬態(tài)工況CET管道內的壓力波動。

2.2 供汽管路加裝電加熱器

在廠家的文件中明確規(guī)定有著5K蒸汽過熱度的要求，此過熱度要求直接作為CET1051VV開啟的閉鎖條件，即在機組低功率工況下，如輔助蒸汽供汽在不滿足過熱度要求的話，CET1051VV無法開啟，即無法利用輔助蒸汽（SVA）提供CET密封蒸汽，汽輪發(fā)電機組將失去軸封蒸汽保護。

為滿足蒸汽的過熱度要求，可以采取對供汽管道內的蒸汽再加熱的方法，再加熱可以通過加裝適當功率的電加熱器來實現。如圖2所示，為了保證廠家要求的5K過熱度要求，啟機前現場在SVA311VV調閥前增加了一個加熱器。

圖2 SVA311VV前加加熱器示意圖

在增加加熱器后，可以將進入CET1051VV前的蒸汽提前進行加熱處理，經現場驗證能夠達到5K的過熱度要求，從而滿足該閥門的開啟條件。

2.3 蒸汽過熱度優(yōu)化

設計蒸汽過熱度的目的是為了避免蒸汽管道中疏水進入汽機內，造成軸端汽封損壞，嚴重時會造成機組動靜部件磨損、大軸彎曲或水沖擊，會造成機組安全受到沖擊，從而降低機組的運行壽命。

在實際運行過程中，由于本身SVA的蒸汽即為帶有一定飽和度的飽和蒸汽，完成暖管后蒸汽中不會帶有疏水。因此在考慮蒸汽過熱度時可以適當進行優(yōu)化，將過熱度的裕量適當降低，一方面依然可以保證一定的過熱度，不會導致軸封供氣帶水的情況；另一方面將過熱度降低可以使過熱度在機組運行時更容易滿足，減少軸封蒸汽供汽閥門閉鎖的可能性。現場實際將蒸汽過熱度由5K降低為1K，在更改的初期，對各種工況下，軸封蒸汽管道的疏水情況均進行定期檢查，結果表明，過熱度更改后不會造成軸封輔助蒸汽供汽中含有疏水，而造成對于汽機的傷害。

2.4 CET1051VV前管道冷態(tài)備用

實際在機組啟動過程中投運CET（或CET意外停運后再次重新自動停運）時發(fā)現：盡管已經加裝并投運了加熱器，但在投運CET后發(fā)現CET1051VV還是會因為過熱度小于1K而被閉鎖開啟，導致CET無法投運或者意外停運后無法自動重新投運。

造成該問題的原因主要是：由于CET1051VV開啟前，前面管道內的SVA蒸汽長時間處于無法流動的狀態(tài)，這種狀況下加熱器處于自身防止干燒等損害等的保護，會自動停運，又會造成蒸汽的過熱度不滿足。

為解決現場投運時出現的這個問題，現場采取投運前將CET1054VV（CET1051VV的手動旁路閥，參見圖2）手動開至一定開度（根據后面機組運行的實際經驗，一般開度置為15%-20%），保證管道內蒸汽的長期流動性，加熱器一旦具備投運條件后，即滿足CET1051VV開啟的條件，軸封系統(tǒng)可以順利投運。在高功率平臺時，也始終保持旁路閥CET1054VV的開啟，一旦機組進行瞬態(tài)試驗或進行突然降功率操作，輔助蒸汽一路可以迅速投運，而不受過熱度的閉鎖條件制約，即實現CET1051VV閥前管道冷態(tài)備用。

該方案實現較為方便，并能很好地解決現場過熱度的需求及輔助軸封蒸汽管道冷態(tài)備用的問題，但同時也存在以下的缺點：一方面在初始投運階段，由于手動開啟CET1054VV，必將導致一部分不滿足品質要求的蒸汽進入軸封；另一方面，機組高功率運行時，按設計使用高壓缸漏入蒸汽作為軸封蒸汽汽源，此時CET1054VV的開啟必然造成輔助蒸汽的部分浪費[5]。

3 其余改造方案的可行性分析

現場為保證CET軸封系統(tǒng)快速自動投運的要求，采取了上述的多種手段，目前將軸封調節(jié)閥旁路 閥CET1054VV手動打開，同時加熱器一直投用，保證軸封母管的熱備用，此方案可能造成軸封母管蒸汽溫度偏高、旁路閥小流量長期使用影響其壽命的缺點。

同時由于采用雙閥控制，盡管已對閥門PID進行了調節(jié)，但在瞬態(tài)工況仍不可避免出現雙閥調節(jié)紊亂的現象。

針對以上現狀，本文將提出以下改進方案，以供后續(xù)機組進行改造使用。

3.1 取消過熱度限制

廠家增加過熱度的限制主要是保證進入軸封的是飽和蒸汽，防止有水進入，造成對汽機內部的損傷[6]。若能保證進入軸封的蒸汽已充分進行疏水是可以忽略過熱度的要求的。因此建議在軸封供氣母管（SVA管道）及軸封母管的最低點增加疏水裝置，以保證在加入蒸汽中存在疏水的情況下可以將疏水全部帶走，旨在保證最終進入軸封的蒸汽式完全飽和的。在此條件下可以取消過熱度的限制，甚至可以取消加熱器。

取消過熱度的限制后，可以滿足正常的CET啟動條件，因此也不需要常開手動旁路閥。此方案存在的風險即無法在理論上保證完全去除蒸汽中的疏水，因此該方案還需進一步研究。

3.2 增加啟動旁路

考慮到取消過熱的方案的難度及CET1051VV閥前管道增加伴熱帶的，可以采用增加啟動旁路的方式來解決系統(tǒng)冷備用無法自動啟動的問題。

增加啟動旁路思路為：在CET管道上增加一路直接排冷凝器的啟動旁路，功能同CET1054VV，即在低功率階段一直保持其開啟，以保證機組進行狀態(tài)變化時（軸封由自密封轉為SVA提供蒸汽），軸封蒸汽管道內一直有蒸汽處理流動狀態(tài)，從而加熱器能保持投運，過熱度等蒸汽參數均能保證系統(tǒng)投運要求，即CET1051VV一直處理熱備用狀態(tài)，即需要利用輔氣供軸封時能立即投運CET1051VV。

考慮到運行過程的經濟性，增加的啟動旁路一直開啟的話會導致部分蒸汽連續(xù)排向冷凝器，勢必會造成一部分的蒸汽損失。因此在此啟動旁路應設置一電動隔離閥，并設置相應邏輯：在超過一定功率（如40%PN，軸封采用自密封）時閥門自動關閉，而功率降至一定負荷（也可按40%PN），閥門打開，實現上述提及的冷備用功能。

3.3 系統(tǒng)內采用單閥控制

SVA311VV和CET1051VV共同調節(jié)時難以避免調試紊亂的問題。產生雙閥控制的根本為系統(tǒng)設計時未能統(tǒng)籌考慮廠家與設計院之間的功能需求。因此建議后續(xù)進行系統(tǒng)設計時能充分考慮雙方的接口，取消一個調節(jié)閥，采用單閥控制的思路，能在根本上避免雙閥控制造成的系統(tǒng)內的壓力波動。

4 結論

本文對某核電機組軸封系統(tǒng)出現頻繁跳閘的問題進行簡介及原因分析，并對現場為解決該問題采用的相關手段進行了介紹及效果分析。除此以外，對其它相關的可行性方案如取消過熱度、增加啟動旁路、采用單閥控制的改進方案也一并進行相應的說明，供后續(xù)系統(tǒng)繼續(xù)改造時使用，以期能徹底對軸封系統(tǒng)出現頻繁跳閘的問題。

【參考文獻】

[1]曹智強.軸封蒸汽電加熱器在國產聯合循環(huán)汽機輔助系統(tǒng)配置中的作用，熱力透平，2003，No 4：254-257.

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[3]戎朝陽.1000MW 超超臨界汽輪機軸封汽溫控制，發(fā)電設備，2010，No 4：261-264.

[4]張鵬.西門子1000MW超超臨界汽輪機防止汽封抱軸的分析與處理，應用能源技術，2010，No 10：9-11.

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