1250MW核電機組汽輪發(fā)電機組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)實踐

劉國柱

（上海核工程研究設(shè)計院調(diào)試中心，上海 200233）

汽輪發(fā)電機組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗是利用核裂變以外的方式產(chǎn)生的蒸汽對汽輪發(fā)電機組進行沖轉(zhuǎn)的試驗。如利用反應堆冷卻劑主泵和穩(wěn)壓器內(nèi)電加熱器所提供的能量，并利用系統(tǒng)的熱容量在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，使沖轉(zhuǎn)汽輪發(fā)電機組至額定轉(zhuǎn)速。某1 250MW 核電機組使用非核蒸汽進行了首次汽輪機發(fā)電機組沖轉(zhuǎn)試驗，試驗最終使汽輪發(fā)電機升速至額定轉(zhuǎn)速1 500 rad/min并維持，過程中各項試驗項目有序進行，滿足驗收準則，并且試驗一次成功。

1 汽輪發(fā)電機組首次沖轉(zhuǎn)試驗方案選擇

汽輪發(fā)電機的沖轉(zhuǎn)試驗是預運行試驗階段中常規(guī)島調(diào)試的最后一項大型試驗，有著重要的工程意義［1］。通過沖轉(zhuǎn)，核電廠可驗證汽輪機本體系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)的運行情況，及早暴露和發(fā)現(xiàn)問題，及時采取相應的處理措施，為后續(xù)熱試、啟動試驗爭取工期裕量，為汽輪發(fā)電機組正常并網(wǎng)發(fā)電奠定基礎(chǔ)［2］。

對于首次沖轉(zhuǎn)，蒸汽來源是關(guān)鍵點，根據(jù)國內(nèi)其他核電廠和火電廠的首次沖轉(zhuǎn)經(jīng)驗，一般有以下3種汽源選擇:

（1）使用非核蒸汽沖轉(zhuǎn)。在電廠調(diào)試期間，裝載核燃料之前，如果需要檢驗汽輪發(fā)電機組的安裝效果和部分汽輪機功能，可以利用除核裂變以外的方式產(chǎn)生的蒸汽進行沖轉(zhuǎn)試驗，即非核蒸汽沖轉(zhuǎn)。

（2）利用廠區(qū)已有蒸汽源。一般適用于老機組。

（3）設(shè)置臨時大型調(diào)試鍋爐，在調(diào)試鍋爐中產(chǎn)生足量的蒸汽，直接作為主蒸汽沖轉(zhuǎn)汽輪機。

第一種方案可以充分利用核電站本身的設(shè)備，無須增加投資，同時也可以在熱態(tài)試驗結(jié)束后整治或消缺沖轉(zhuǎn)期間發(fā)現(xiàn)的問題，有利于調(diào)試進度控制，為核電站的整體工程進度爭取時間。

第三種方案是一種比較成熟的方案，不存在技術(shù)和進度問題。但是需要額外采購鍋爐等設(shè)備，增設(shè)臨時設(shè)施，擴大施工場地。

綜合比較分析，某1 250 MW 核電機組采用方案一，使用非核蒸汽沖轉(zhuǎn)。此機組不同于其他機組，是第一次設(shè)計、安裝、制造、調(diào)試，采用非核蒸汽進行汽輪機首次沖轉(zhuǎn)存在一定的風險和難度，在給定的邊界條件限制下，能否產(chǎn)生足夠的蒸汽維持汽輪機轉(zhuǎn)速是未知的。由此，進行一定的熱力學計算非常必要。

2 非核沖轉(zhuǎn)可行性分析及計算

實現(xiàn)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的關(guān)鍵在于是否能有足夠的蒸汽。因此，進行沖轉(zhuǎn)前，進行蒸汽量計算非常必要。整個核蒸汽系統(tǒng)可視為一個封閉系統(tǒng)，在沖轉(zhuǎn)過程中，這個系統(tǒng)中的設(shè)備彼此之間既有熱量的傳遞，又有質(zhì)量的轉(zhuǎn)移，本文根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律建立一個熱力學模型［3,4］。為了估算最大的蒸汽量，在確保系統(tǒng)和設(shè)備安全運行的前提下，最大化各系統(tǒng)的邊界條件，根據(jù)制造廠家提供的邊界條件，該機組主系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備的初態(tài)和末態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 非核蒸汽沖轉(zhuǎn)關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of non-nuclear steam startup

本文計算時僅考慮初始和末態(tài)兩個狀態(tài)，忽略中間變化過程［5］，計算蒸汽耗汽量、反應堆冷卻劑泵產(chǎn)生的熱量、穩(wěn)壓器電加熱器產(chǎn)生的熱量、核蒸汽供應系統(tǒng)金屬釋熱、一回路工質(zhì)釋放的熱量、蒸汽發(fā)生器工質(zhì)最大釋熱等。經(jīng)過以上計算過程，根據(jù)表1 的初態(tài)和末態(tài)參數(shù)，可計算得出在一回路壓力降低至末態(tài)參數(shù)（11.82 MPa）時，一回路主系統(tǒng)可產(chǎn)生約80 t蒸汽量，此蒸汽量可維持汽輪機在額定轉(zhuǎn)速（1 500 rad/min）下運轉(zhuǎn)約34 min，此時，主蒸汽壓力降低至2.83 MPa。以上蒸汽量可以維持汽輪機在中速（1 060 rad/min）暖機約66 min。

通過計算可知，采用主泵和穩(wěn)壓器底部加熱器加熱產(chǎn)生的非核蒸汽進行汽輪發(fā)電機組沖轉(zhuǎn)是可行的，但是實踐過程中需要綜合考慮各項情況，如汽輪機本體的安裝質(zhì)量、沖轉(zhuǎn)期間凝汽器的真空度等，試驗需要提前策劃，制訂詳細嚴密的試驗計劃，提前制訂風險預案和人員職責分工方案，做好詳細充足的準備，才能確保非核蒸汽沖轉(zhuǎn)成功。

3 非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗實施及經(jīng)驗反饋

3.1 汽輪發(fā)電機組概述

某核電站汽輪發(fā)電機組采用日本三菱重工技術(shù)，哈爾濱汽輪機廠有限責任公司和三菱重工業(yè)股份有限公司聯(lián)合制造供貨。汽輪機額定轉(zhuǎn)速為1 500 rad/min，單軸、四缸六排汽的發(fā)動凝汽式核電汽輪機，有兩個兩級再熱的外置式中間汽水分離再熱器，末級動葉片長1 375 mm，額定出力1 251 MW。

主汽輪機由一個高壓缸、3個低壓缸及附件組成，附件主要包括進汽閥、盤車裝置、潤滑油系統(tǒng)（包括頂軸油系統(tǒng)）、儀表和控制系統(tǒng)。4個缸通流部分均是雙流對稱分布式。一個高壓轉(zhuǎn)子、3個低壓轉(zhuǎn)子通過剛性聯(lián)軸器聯(lián)成一個軸系，而后通過剛性聯(lián)軸器與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相聯(lián)，整根轉(zhuǎn)子設(shè)置一個推力軸承，11個徑向軸承。

3.2 沖轉(zhuǎn)試驗的初始工況

汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗準備階段涉及常規(guī)島、核島、電廠輔助設(shè)施（Balance of Plant，簡稱BOP）、電氣儀控等專業(yè)系統(tǒng)，試驗初始工況主要有:

（1）核島相關(guān)系統(tǒng)正常運行，表1初始條件已建立。

（2）常規(guī)島相關(guān)系統(tǒng)、發(fā)電機、BOP 相關(guān)系統(tǒng)已經(jīng)投運；二回路初始水質(zhì)調(diào)節(jié)完成、凝汽器真空建立、主蒸汽暖管完成、汽輪機旁路系統(tǒng)蒸汽吹掃試驗完成、汽輪機旁排系統(tǒng)旁路排放試驗完成。

3.3 沖轉(zhuǎn)試驗實施過程

該機組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)期間，全程由調(diào)節(jié)主汽閥先導閥的開度來控制汽輪機轉(zhuǎn)速，整個過程分3次完成。

（1）如圖1 所示，第一次轉(zhuǎn)目標轉(zhuǎn)速為400 rad/min。操作員主控室選擇“汽輪機復位”，選擇“EH Auto”，選擇目標轉(zhuǎn)速200 rad/min和升速率50 rad/min2，操作員選擇“GO”按鈕，汽輪機開始升速，轉(zhuǎn)速上升后驗證盤車裝置脫開，盤車電機停運。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在200 rad/min，操作員選擇“關(guān)閉所有閥門”，就地進行汽輪機本體摩擦檢查。摩擦檢查完成，操作員選擇“EH Auto”，選擇目標轉(zhuǎn)速400 rad/min 和升速率50 rad/min2，汽輪機到達400 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺暖機約1 h，400 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺時對汽輪發(fā)電機潤滑油系統(tǒng)主油泵入口壓力進行了調(diào)整，然后就地打閘停機，汽輪機開始惰轉(zhuǎn)。第一次沖轉(zhuǎn)結(jié)束。

圖1 第一次沖轉(zhuǎn)過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the first startup process

（2）如圖2 所示，第二次沖轉(zhuǎn)目標轉(zhuǎn)速平臺1 060 rad/min。主控輪機操作員選擇“汽輪機復位”，選擇“EH Auto”，選擇目標轉(zhuǎn)速為400 rad/min，升速率50 rad/min2。到達400 rad/min轉(zhuǎn)速平臺低速暖機5 min，操作員選擇目標轉(zhuǎn)速平臺1 060 rad/min，升速率75 rad/min，在1 060 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺中速暖機約1 h。工作人員檢查機組和系統(tǒng)正常后，遠程選擇跳機，汽輪機惰轉(zhuǎn)，第二次沖轉(zhuǎn)結(jié)束。此次升速過程中，工作人員確認在轉(zhuǎn)速超過600 rad/min 后，頂軸油泵停運，低壓缸噴淋閥自動開啟，汽輪機潤滑油系統(tǒng)冷油器出口油溫設(shè)定值由30℃自動變更為40℃。

圖2 第二次沖轉(zhuǎn)過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the second startup process

（3）如圖3所示，第三次沖轉(zhuǎn)目標轉(zhuǎn)速平臺1 500 rad/min。主控操作員選擇“汽輪機復位”，選擇“EH Auto”，選擇目標轉(zhuǎn)速平臺400 rad/min，升速率75 rad/min2，400 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺低速暖機5 min。操作員選擇目標轉(zhuǎn)速平臺1 060 rad/min，升速率75 rad/min2，1 060 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺中速暖機5 min。操作員選擇目標轉(zhuǎn)速平臺1 500 rad/min，升速率75 rad/min2。在1 500 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺下，機組執(zhí)行就地注油試驗、遠程注油試驗、閥門切換功能驗證、超速保護控制（Overspeed Protect control，簡稱OPC）試驗、轉(zhuǎn)速自平衡（Auto Balance）試驗、調(diào)速器自動跟蹤（Governor Follow）試驗。在此升速過程中，機組除了進行各項檢查之外，應在升速過程中記錄轉(zhuǎn)子偏心、軸振動、差脹、軸向位移、軸瓦金屬溫度等各項參數(shù)。

圖3 第三次沖轉(zhuǎn)過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the third startup process

2016 年11 月13 日上午，該機組正式開始非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗。9:50 開始第一次沖轉(zhuǎn)，10:50 升速至400 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺，而后就地打閘跳機。13:43 開始第二次沖轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速升至780 rad/min 時，觸發(fā)核島快速降功率（Runback）信號，試驗中止。16:17 再次進行第二次沖轉(zhuǎn)，16:44 到達1 060 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺，隨后遠方跳機。20:01開始第三次沖轉(zhuǎn)升速，20:35到達1 500 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺，21:23 遠程跳機，23:54 盤車投入，惰轉(zhuǎn)時間1.97 h。沖轉(zhuǎn)期間維持在額定轉(zhuǎn)速1 500 rad/min 平臺有效時間約31 min。整個沖轉(zhuǎn)過程中，機組對各項參數(shù)進行了記錄，見表2。

表2 機組軸承振動Table 2 Bearing vibration of unit 單位:μm

表3 機組軸瓦振動Table 3 Bearing bush vibration of unit 單位:μm

3.4 沖轉(zhuǎn)試驗結(jié)果分析

3.4.1 試驗整體評價分析

汽輪機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和保護裝置動作均正常，就地注油試驗、遠程注油試驗、閥門切換功能驗證、OPC 試驗、Auto Balance 試驗、Governor Follow試驗均正常。

潤滑油壓力、潤滑油回油溫度、差脹、軸承金屬溫度、軸向位移、高壓缸缸體溫度、轉(zhuǎn)子偏心度等主要檢測參數(shù)正常。第一次沖轉(zhuǎn)期間，200 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺的摩擦檢查一切正常，聽音棒檢查無異音，潤滑油系統(tǒng)主油泵（Mail oil pump，簡稱MOP） 和交流潤滑油泵（Turning oil pump，簡稱TOP）、控制油泵（Control oil pump，簡稱COP）切換正常。第三次沖轉(zhuǎn)試驗汽輪機惰轉(zhuǎn)過程中，TOP 在轉(zhuǎn)速977 rad/min，潤滑油壓為0.080 MPa 時自動啟動；控制油泵在轉(zhuǎn)速860 rad/min，保安油壓為0.72 MPa時自動啟動。頂軸油單元正常，轉(zhuǎn)速超過600 rad/min時可自動停運，轉(zhuǎn)速低于600 rad/min 時可自動啟動。

盤車電機可以正常投運和退出，當轉(zhuǎn)速超過100 rad/min 時，盤車噴油電磁閥失電關(guān)；轉(zhuǎn)速低于100 rad/min 時盤車噴油電磁閥得電開。低壓缸噴淋在轉(zhuǎn)速超過600 rad/min 時可正常投入；在轉(zhuǎn)速低于600 rad/min時可自動退出。

3.4.2 振動數(shù)據(jù)分析

汽輪發(fā)電機組作為高參數(shù)、多跨度、大撓度的高速轉(zhuǎn)動機械，由于其運行環(huán)境相對惡劣、設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，因振動原因?qū)е缕浒l(fā)生故障的可能性極大［6,7］。

根據(jù)現(xiàn)行國家標準［8］，升速過程的振動標準為:在升降速或超速期間，轉(zhuǎn)速大于0.9倍正常工作轉(zhuǎn)速（對于該機組，即轉(zhuǎn)速大于1 350 rad/min）時，振動幅值應不超過200～320 μm；轉(zhuǎn)速小于0.9倍正常工作轉(zhuǎn)速（對于該機組，即轉(zhuǎn)速小于1 350 rad/min）時，振動幅值不超過300～480 μm。額定轉(zhuǎn)速振動標準:現(xiàn)行國標把軸振評價分成4個區(qū)域，各區(qū)域轉(zhuǎn)軸相對振動位移界限值標準見表4。

表4 各區(qū)域轉(zhuǎn)軸相對振動位移界限值Table 4 Limit value of relative vibration displacement of rotating shaft in each area 單位:μm

區(qū)域A:新投產(chǎn)機組的振動通常在此區(qū)域內(nèi)；區(qū)域B:振動在此區(qū)域內(nèi)的機組通常認為是合格的，可以長期運行；區(qū)域C:振動在此區(qū)域內(nèi)的機組，對長期運行而言，通常認為是不合格的，一般來說，在有合適的機會采用補救措施之前，機組在這種狀態(tài)下可以在一段有限的時間內(nèi)運行；區(qū)域D:振動幅值在此區(qū)域內(nèi)，通常認為是危險的，其振動劇烈程度足以引起機組破壞。

該機組沖轉(zhuǎn)過程中，汽輪機發(fā)電機組各軸承及軸瓦振動數(shù)據(jù)見表2 和表3。從數(shù)據(jù)來看，各測點振動均處于現(xiàn)行國標規(guī)定的合格水平，整體狀況良好。

升速過程中，各測點振動均沒有超過50 μm，滿足國標要求［8］，各轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)以及轉(zhuǎn)子之間的連接狀況較好。以額定轉(zhuǎn)速（1 500 rad/min）運行中，各測點軸振最大在34 μm以內(nèi)，瓦振在20 μm以內(nèi)，滿足制造廠要求值（額定轉(zhuǎn)速下軸振動≥170 μm報警，額定轉(zhuǎn)速下軸振動≥300 μm停機）；瓦振沒有超過30 μm，滿足國標要求。

沖轉(zhuǎn)升速及定速運行過程中振動均未超過限值，但從數(shù)據(jù)分析可知，機組仍然存在隱含的振動故障。1 500 rad/min轉(zhuǎn)速平臺打閘停機惰轉(zhuǎn)過程中，8號軸承通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間時振動增加了約1倍，至80 μm。新機組在啟動過程中通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間時，振動爬升量增大是比較常見的，可能原因為摩擦故障（端部汽封、隔板汽封、油擋等），一般情況下經(jīng)過反復啟停及連續(xù)運行，接觸部位會相互磨損，使動靜間隙逐漸擴大，該故障也會逐步趨于緩解。

在養(yǎng)老保障制度方面，繼2014年國務院發(fā)布一系列支持發(fā)展商業(yè)養(yǎng)老保險的意見以來，寧夏當?shù)匾簿o跟國家政策，于2017年1月發(fā)布《寧夏保險業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要》，明確把商業(yè)保險建成社會保障體系的重要支柱，規(guī)劃在多個方面力促全區(qū)老年人老有所養(yǎng)、老有所學、老有所樂、老有所為，并且有試點的開展住房反向抵押養(yǎng)老保險、商業(yè)保險公司經(jīng)辦基本醫(yī)保服務。

3.4.3 主油泵出力數(shù)據(jù)分析

主油泵性能對汽輪發(fā)電機組油系統(tǒng)的性能有決定性影響，是整個機組安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一［9］。汽輪機沖轉(zhuǎn)過程中，汽輪發(fā)電機潤滑油系統(tǒng)中交流潤滑油泵和主油泵之間要進行切換，以驗證主油泵是否滿足出力要求。主油泵設(shè)置在1號軸承箱內(nèi)的汽輪機轉(zhuǎn)子延伸至軸上，主油泵出口壓力隨著汽輪機轉(zhuǎn)速上升而逐漸上升，入口壓力隨著汽輪機轉(zhuǎn)速的上升先逐漸降低，后慢慢上升，具體數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。由數(shù)據(jù)分析可知，主油泵出口壓力隨著汽輪機轉(zhuǎn)速上升，壓力緩慢穩(wěn)定上升，1 500 rad/min 轉(zhuǎn)速平臺時出口壓力穩(wěn)定在2.5 MPa；入口壓力最低值為0.06 MPa，約在900 rad/min 轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)，滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。

圖4 主油泵出口/入口壓力趨勢圖Fig.4 MOP inlet/outlet pressure trend

3.5 試驗發(fā)現(xiàn)的主要問題及處理措施

3.5.1 快速降功率信號觸發(fā)導致沖轉(zhuǎn)試驗中止

汽輪機轉(zhuǎn)速升速至777 rad/min 時，觸發(fā)Runback 信號，導致主調(diào)門（GV）和再熱主調(diào)門（ICV）全關(guān)，主汽門（MSV）全開。經(jīng)分析，非核沖轉(zhuǎn)升速過程中一回路溫度降低，導致與二回路參考溫度差值過大觸發(fā)Runback信號。試驗過程中，機組將Runback信號強制隔離，非核沖轉(zhuǎn)順利進行。

3.5.2 除氧器排污管道振動大

第一次沖轉(zhuǎn)過程中，汽輪機從400 rad/min轉(zhuǎn)速平臺打閘惰轉(zhuǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)除氧器排污管道振動過大。之后，工作人員檢查發(fā)現(xiàn)主蒸汽疏水旁路閥打開，大量蒸汽進入汽輪機排污箱進而進入與排污箱相連的除氧器排污管道，導致管道晃動劇烈，手動關(guān)閉旁路閥，晃動消失。

遠程注油試驗時，機組通過電廠控制系統(tǒng)手動發(fā)出信號使電磁閥動作閉鎖保安油管線，防止試驗時觸發(fā)跳機。試驗時發(fā)現(xiàn)閉鎖信號無法復位，原因分析為電磁閥動作故障、差壓開關(guān)故障。機組已進行排查消缺，待再次試驗驗證。

4 結(jié)論

非核蒸汽沖轉(zhuǎn)是機組首次進行核島和常規(guī)島之間的聯(lián)動大型試驗，是核電廠調(diào)試過程中的里程碑節(jié)點，它的成功檢驗了機組的建造和安裝狀況，也整體檢驗了機組的機、電、儀專業(yè)接口、島間接口等設(shè)備的運行情況。

某1 250 MW核電機組作為該堆型全球首堆［10］，其非核沖轉(zhuǎn)的順利完成為后續(xù)同類型機組的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)提供了借鑒，整個試驗過程形成了一批良好實踐，如將沖轉(zhuǎn)升速過程分為3次，合理組織調(diào)配調(diào)試人員，沖轉(zhuǎn)過程中在中速暖機平臺停留足夠時間以進行充分的暖機等，這些都為后續(xù)機組積累了寶貴的經(jīng)驗。