核電汽輪機超速影響因素分析

張海軍

【摘 要】文章針對汽輪機超速問題和汽輪機超速保護系統(tǒng)進行介紹，并從閥門關(guān)閉延遲、逆止閥、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、濕蒸汽以及其他因素等方面來對影響核電汽輪機超速的因素進行分析，并且提出了相應(yīng)的防止汽輪機超速的預(yù)防和控制策略，以供參考。

【關(guān)鍵詞】核電汽輪機;超速;影響因素

中圖分類號： TM623 文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）01-0011-003

0 引言

目前在核電站建設(shè)規(guī)模不斷擴大的形勢下，核電機組建設(shè)的首要問題就是保障安全性，這也是對核電汽輪機進行設(shè)計時的關(guān)鍵問題。而對核電汽輪機的安全性設(shè)計中最主要的影響因素以及需要進行考核的重要指標(biāo)就是汽輪機的超速水平。尤其針對目前我國在核電技術(shù)快速發(fā)展以及不同地區(qū)進行核電站的建設(shè)和運行過中出現(xiàn)的典型核電站事故來說，還需要在目前第三代和第四代先進的反應(yīng)堆基礎(chǔ)上，對核電站進行技術(shù)改造來滿足對設(shè)備安全性和可靠性提出的更高要求。為了提高核電汽輪機組運行的安全性，就需要從技術(shù)手段上來實現(xiàn)機組超速水平的降低以及核電機組關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的提高，實現(xiàn)對我國核電機組國內(nèi)外市場競爭力水平的提高。

1 汽輪機超速保護系統(tǒng)

核電站運行中在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽通過主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥進入汽輪機之后，就會帶動汽輪機的葉片進行轉(zhuǎn)動實現(xiàn)熱能向機械動能之間的轉(zhuǎn)換。但是在此并網(wǎng)發(fā)電運行過程中，如果電網(wǎng)出現(xiàn)問題而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的制動力矩小時，就會在用于發(fā)電的蒸汽能力的作用下而出現(xiàn)轉(zhuǎn)子加速以至于出現(xiàn)轉(zhuǎn)子超速的問題。

1.1 常規(guī)機組的超速保護系統(tǒng)

針對以上轉(zhuǎn)子超速的問題，汽輪機的控制系統(tǒng)中通常進行兩套保護功能的控制系統(tǒng)的設(shè)置，確保將轉(zhuǎn)速的設(shè)計限制控制在額定工作轉(zhuǎn)速的1.2倍。第一種保護系統(tǒng)就是當(dāng)汽輪機的運行負荷超出30%時就會出現(xiàn)電機跳閘的現(xiàn)象，此時主要表現(xiàn)為超速保護控制系統(tǒng)的電負荷預(yù)測器動作，并且將OPC總管的電磁閥泄油打開實現(xiàn)主蒸汽調(diào)門以及再熱蒸汽閥門的快速關(guān)閉。第二種保護系統(tǒng)就是在LDA失效而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升時，一旦上升到額定工作轉(zhuǎn)速的110%～112%時就會引發(fā)危急遮斷器動作而對危急遮斷油釋放，從而實現(xiàn)所有蒸汽閥門的快速關(guān)閉。

1.2 核電汽輪機的電超速保護系統(tǒng)

核電汽輪機的電超速保護系統(tǒng)與上述常規(guī)機組的超速保護系統(tǒng)原理類似，也具有兩套保護系統(tǒng)，其中第一個保護系統(tǒng)功能就是如果出現(xiàn)汽輪機功率與負荷不平衡時，閥門收到的指令也會發(fā)生變化，并且變化之后與反饋的偏差就會超過25%，此時就會通過此系統(tǒng)中的快速動作控制功能來將調(diào)節(jié)汽門的快關(guān)電磁閥關(guān)閉而失電，實現(xiàn)主蒸汽閥門和再熱蒸汽閥門的快速關(guān)閉。而第二中保護系統(tǒng)功能就是在轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升至額定轉(zhuǎn)速的1.1倍之后，就是導(dǎo)致有所有油動機的快關(guān)電磁閥失電而啟動電子危急遮斷系統(tǒng)，實現(xiàn)將所有蒸汽閥門的快速關(guān)閉來避免汽輪機發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。

2 超速影響因素分析

2.1 閥門延遲和關(guān)閉時間

在核電汽輪機中，高壓缸進口之前會進行主汽閥、調(diào)閥的設(shè)置并且與核電主蒸汽進行連接，實現(xiàn)對進汽進行調(diào)節(jié)以及保護的作用。此外，在汽水分離再熱器和低壓缸之間的連通管道上會設(shè)置有再熱主閥和調(diào)節(jié)閥，如果機組運行中處于甩負荷的過程，其中的主汽閥就會對來自蒸發(fā)器的蒸汽進行切除，而且再熱閥會對來自MSR的蒸汽進行切除來對機組超速的問題進行預(yù)防。但是在核電汽輪機運行中根據(jù)其超速計算能量的原理，機組超速時閥門的關(guān)閉會有一定的延遲，這就會導(dǎo)致其中一小部分的高溫高壓蒸汽會進入汽輪機的高、低壓缸中，而進入的這部分蒸汽就會對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起到加速的作用而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速上升。而對閥門關(guān)閉延遲有影響的因素主要就是閥門的信號延遲時間、進入汽輪機的能量、閥門凈關(guān)閉時間以及進入汽輪機的能量等因素。因此在對核電汽輪機中的主汽閥和再熱閥進行選擇時，就需要在滿足管道汽錘工況考核以及充分考慮其經(jīng)濟性的特點上，盡量選擇具有較短延遲和關(guān)閉時間的閥門。

2.2 逆止閥配置

核電汽輪機一旦出現(xiàn)超速的問題容易導(dǎo)致出現(xiàn)進水的問題，這就需要將逆止閥設(shè)置在同相給水加熱器或者其他用途的抽汽管道上，一旦出現(xiàn)甩負荷或者汽輪機跳閘的問題就會防止蒸汽從加熱器中向汽輪機中進行倒流。如果此超速問題發(fā)生時出現(xiàn)逆止閥失效的問題，就會由于壓差的作用而將蒸汽倒流入汽輪機中，因此也會在此高溫高壓蒸汽下導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升。通常規(guī)定對于百萬級別的核電汽輪機組來說，通常一路逆止閥出現(xiàn)失效問題就會導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速增加大概0.2%左右。因此，為了滿足核電汽輪機組對于超速問題的嚴格控制要求，就需要采用1+1的逆止閥配置，就是在抽汽管道上將執(zhí)行機構(gòu)的逆止閥和不帶執(zhí)行機構(gòu)的逆止閥進行串聯(lián)來布置。如果只在一路抽汽管道中進行一個帶執(zhí)行機構(gòu)的逆止閥的配置，就對超速結(jié)果的計算提出了較高的要求，而且還要進行一路逆止閥失效時最危險工況的超速值的計算來作為考核的標(biāo)準(zhǔn)之一。此外，逆止閥的布置位置也會對超速結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，通常是逆止閥在離汽缸抽汽口的位置比較近時就會縮小逆止閥前管道腔室內(nèi)的容積，因此會減少閥前倒灌如汽輪機中的蒸汽數(shù)量。但是在具體位置布置時還需要根據(jù)實際抽汽管道設(shè)計情況來進行具體的布置。

2.3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量就是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的慣性，通常其轉(zhuǎn)動慣量增大15%就會降低超速值1%左右，而且影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的主要因素就是轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、跨距以及葉片高度和通流分布等因素，因此在進行轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的增大來降低超速值時，如果增加轉(zhuǎn)子的質(zhì)量就會導(dǎo)致其制造成本的增加還會增加運行風(fēng)險，這就需要在對機組進行設(shè)計和對轉(zhuǎn)子型號進行選取時，通過多種不同方案的對比來對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，盡量在滿足經(jīng)濟性以及應(yīng)用性能的基礎(chǔ)上，提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量來降低機組的超速水平。

2.4 濕蒸汽影響

核電機組通常具有比火電機組更低的參數(shù)但是具有較大的濕度，在進行超速計算時需要對腔室內(nèi)的水分閃蒸能量進行考慮。如果汽輪機處于甩負荷的階段而閥門處于關(guān)閉的狀態(tài)，此時腔室內(nèi)的壓力會下降會導(dǎo)致其中積聚的水分發(fā)生閃蒸，在一定的溫度壓力下就會導(dǎo)致汽輪機轉(zhuǎn)速上升的問題。正因為此問題，在核電機組中通常會設(shè)置有持環(huán)和隔板上的去濕溝和疏水以及除濕系統(tǒng)等，但是葉片和汽缸金屬表面等濕蒸汽區(qū)也會形成一定厚度的水膜并造成閃蒸能力等問題，就需要通過空心靜葉的選用并采取末級隔板加熱除濕等措施來將葉片表面的水分帶走。

此外，對超速結(jié)果產(chǎn)生影響的其他因素還有機組功率的大小、管道和汽缸等腔室容積的大小以及各腔室的蒸汽參數(shù)等，針對核電機組來說，這些數(shù)據(jù)都與核島堆型以及汽輪機的總體方案有關(guān)系，并且是由初始設(shè)計來決定的。

3 防止汽輪機超速的策略

針對汽輪機超速保護相關(guān)設(shè)備開發(fā)的針對性的預(yù)防性維修項目主要有各轉(zhuǎn)速探頭定期校驗、轉(zhuǎn)速卡件功能驗證、伺服閥檢修和伺服閥濾網(wǎng)更換、LVDT定期檢修;在發(fā)生超速事故時需要AST母管油壓能快速泄壓，為此需要對隔膜閥定期檢查，并對超速電磁閥（即AST及OPC電磁閥）及卸荷閥定期進行檢修。

定期試驗?zāi)軌蛱崆鞍l(fā)現(xiàn)能動設(shè)備或保護邏輯故障，提早處理，對系統(tǒng)和電站可靠性非常重要。定期試驗開發(fā)原則為，在設(shè)備可靠性分級后需要對不可見、失效的重要能動設(shè)備或邏輯開發(fā)定期試驗項目。超速相關(guān)的試驗主要包括MOST遠方和就地充油試驗、EOST停機試驗、OPC試驗、機械超速試驗（真實超速）、調(diào)速汽閥及抽氣止回閥全關(guān)試驗等。

4 結(jié)語

在對目前核電汽輪機中的超速保護系統(tǒng)以及對核電汽輪機出現(xiàn)超速問題的影響因素進行分析之后，提出了相應(yīng)的預(yù)防和控制策略，對主汽閥和再熱閥的延遲和關(guān)閉時間進行縮短、對逆止閥配置進行優(yōu)化，并對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化來對軸系轉(zhuǎn)動慣量進行提高，還要對高效先進的除濕措施進行充分利用來進一步降低核電機組的超速水平，確保核電機組運行的安全性和可靠性。

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