中壓蝶閥導(dǎo)致的核電機(jī)組滿功率孤島試驗(yàn)不成功原因分析及臨時(shí)處理措施

鄧曉暉 高宏喜

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 前言

1.1 核電廠滿功率甩廠用電試驗(yàn)

在核電機(jī)組運(yùn)行時(shí)， 如果母線斷路器打開，機(jī)組與外電網(wǎng)失去連接， 交流發(fā)電機(jī)繼續(xù)向機(jī)組廠用設(shè)備供電， 該瞬態(tài)稱為甩負(fù)荷到廠用電。 在核電廠正常運(yùn)行瞬態(tài)中， 從100%額定功率甩負(fù)荷到廠用電運(yùn)行是最為嚴(yán)重的瞬態(tài)， 所以該試驗(yàn)安排在很多重要的瞬態(tài)試驗(yàn)之后。 特別地， 該試驗(yàn)建立在機(jī)組已初步具備綜合運(yùn)行能力的基礎(chǔ)上，安排在各系統(tǒng)不同功率平臺(tái)已進(jìn)行過穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)、機(jī)組部分綜合性試驗(yàn)之后， 如停機(jī)不停堆、 跳堆，50%功率甩廠用電試驗(yàn)等試驗(yàn)。

該試驗(yàn)又稱為孤島運(yùn)行試驗(yàn)， 也是滿功率FCB 試驗(yàn)。 在核電機(jī)組中， 該試驗(yàn)不成功， 意味著廠用電不能自給， 這時(shí)會(huì)引起核島主泵不能及時(shí)供電， 勢(shì)必造成核島跳堆。 核電機(jī)組的孤島試驗(yàn)受到很多因素影響， 任何跳機(jī)組態(tài)在此瞬態(tài)工況觸發(fā)勢(shì)必會(huì)引起跳機(jī)。 實(shí)際上， FCB 孤島試驗(yàn)工況時(shí)， 機(jī)組各瞬態(tài)工況參數(shù)變化很快， 部分參數(shù)偏極端， 可能對(duì)各設(shè)備也包括汽輪機(jī)運(yùn)行安全產(chǎn)生影響， 一旦觸及或超過跳機(jī)保護(hù)值， 汽輪機(jī)就會(huì)跳機(jī)， 會(huì)失去廠用電， 引起核島非計(jì)劃跳堆。

跳機(jī)的組態(tài)有幾類， 下面就某百萬核電機(jī)組在作滿功率孤島試驗(yàn)因汽輪機(jī)中壓蝶閥導(dǎo)致的試驗(yàn)失敗進(jìn)行梳理分析及采取相應(yīng)的處理方案， 并對(duì)為何要采取這樣的處理方案進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.2 核電機(jī)組中壓蝶閥功能及特點(diǎn)

本文中要討論的百萬千萬級(jí)核電汽輪機(jī)是由1個(gè)高中壓合缸、 2 個(gè)雙分流低壓缸依次串聯(lián)組成的單軸系機(jī)組， 汽輪機(jī)左右兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)MSR，高排蒸汽進(jìn)入每個(gè)MSR 前均設(shè)置2 組中壓蝶閥，即單臺(tái)機(jī)組配置4 組中壓蝶閥， 見圖1。

圖1 核電汽輪機(jī)中壓蝶閥的配置

每組蝶閥由1 臺(tái)主汽閥和1 臺(tái)調(diào)節(jié)閥串聯(lián)為整體結(jié)構(gòu)。 主汽閥為兩位控制， 實(shí)現(xiàn)開/關(guān)功能，調(diào)節(jié)閥為連續(xù)閥位控制， 實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。 每臺(tái)閥門均由獨(dú)立的操縱機(jī)構(gòu)控制。 中壓蝶閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為油壓開啟、 彈簧關(guān)閉型式。

中壓蝶閥具有2 個(gè)安全功能：

（1）汽輪機(jī)打閘后切斷蒸汽快關(guān)中壓蝶閥， 避免MSR 及其相關(guān)管道的蒸汽繼續(xù)膨脹做功， 以消除汽輪機(jī)超速風(fēng)險(xiǎn)；

（2）打開中壓蝶閥， 避免MSR 超壓。

基于以上2 個(gè)安全功能， 如中壓蝶閥在要求快關(guān)而不能正常開關(guān)或者不能正常開啟時(shí)就不能達(dá)到保護(hù)汽輪機(jī)和MSR 的目的， 勢(shì)必會(huì)造成汽輪機(jī)超速或者M(jìn)SR 超壓， 這樣就必須采取預(yù)判措施， 汽輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了跳機(jī)組態(tài)， 見圖2。

圖2 跳機(jī)組態(tài)

即當(dāng)超過2 個(gè)中壓蝶閥在執(zhí)行指令延遲超過10 s 時(shí)， 汽輪機(jī)跳機(jī)。 也就是說， 當(dāng)指令發(fā)出快關(guān)或開啟指令時(shí)， 閥位對(duì)指令的響應(yīng)超過10 s 即判斷為閥門不能及時(shí)關(guān)閉或者開啟， 這時(shí)如果超過2 臺(tái)閥門同時(shí)出現(xiàn)這樣的情況， 為保護(hù)汽輪機(jī)或MSR， 即要邏輯跳機(jī)。

2 事故還原

某核電廠在做滿功率甩負(fù)荷至廠用電試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生跳機(jī)跳堆故障， 調(diào)取DCS 曲線記錄如下：

19:09:50 主控操縱員斷開0GEW100KG 試驗(yàn)開始；

19:09:52 超加速信號(hào)觸發(fā)， 高中壓調(diào)門正?？焖訇P(guān)閉， 轉(zhuǎn)速先升后降；

19:10:06 轉(zhuǎn)速達(dá)到最低至1 494 r/min， 隨著轉(zhuǎn)速下降（最低至1 494 r/min）高中壓調(diào)門指令增加，高壓調(diào)門開啟至約8%， 中壓調(diào)門開啟至約28%行程（閥門開啟角度約18°）；

19:10:07 轉(zhuǎn)速升至1 510 r/min， 蒸汽流量指令由21.42%迅速減小至-6.8%， 出現(xiàn)指令與實(shí)際閥位偏差超過10%；

19:10:17 閥位偏差持續(xù)時(shí)間達(dá)到10 s， 汽機(jī)跳閘；

整個(gè)過程中， 閥位控制指令正確響應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差， 導(dǎo)致跳機(jī)的根本原因是在19:10:07 轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速， 系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閥門指令后， GRE 高壓閥門正確響應(yīng)關(guān)閉， 中壓閥門沒有關(guān)閉且略微開啟， 且通過趨勢(shì)記錄， 4 個(gè)中壓調(diào)門趨勢(shì)一致，在系統(tǒng)中幾乎同時(shí)觸發(fā)了閥位反饋與指令偏差大于10%擾動(dòng)， 導(dǎo)致跳機(jī)。 汽機(jī)跳閘切至輔變， 導(dǎo)致3 臺(tái)主泵均出現(xiàn)轉(zhuǎn)速低報(bào)警1RPR161/162/163KA， 疊加P7 信號(hào)， 19:10:33 觸發(fā)反應(yīng)堆跳堆；進(jìn)一步檢查油動(dòng)機(jī)油壓指令發(fā)現(xiàn)， 19:10:07 發(fā)出關(guān)閥指令后， 中壓調(diào)閥伺服卡已經(jīng)動(dòng)作， 油缸內(nèi)的油壓已經(jīng)降至0 MPa， 正常情況下閥門在彈簧力作用下會(huì)快速關(guān)閉。 具體見圖3。

圖3 故障還原曲線

簡(jiǎn)單地講， 此工況發(fā)生在中壓蝶閥的調(diào)節(jié)閥能夠第1 次快速關(guān)閉， 在重新開啟后為了避免超速需要第2 次關(guān)閉時(shí)而不能關(guān)閉。

另外， 調(diào)取孤島試驗(yàn)前的甩滿功率至空載試驗(yàn)情況， 發(fā)現(xiàn)閥門曲線反饋與指令也出現(xiàn)超10%，但只發(fā)生了7 s， 故未造成跳機(jī)事故。

3 事故原因定位

甩滿功率至空載試驗(yàn)的成功前提下， 排除邏輯上的設(shè)置不會(huì)造成中壓蝶閥不執(zhí)行指令的事實(shí)，所以問題應(yīng)該在閥門本身， 居于以下依據(jù)（由圖3上查詢數(shù)據(jù)可知）：

（1）機(jī)組甩負(fù)荷后中壓蝶閥的調(diào)節(jié)閥首先關(guān)閉，在二次開啟過程中開啟油壓異常升高， 中調(diào)門油壓0-6.24-9.94-7.61 MPa， 穩(wěn)定后的油壓是靜態(tài)相同閥位（0-1.2-2.8 MPa）對(duì)應(yīng)開啟油壓的數(shù)倍；

（2）對(duì)于中心軸蝶閥， 在相同載荷下作用下，蝶閥在相同閥位下， 開啟和關(guān)閉的軸承摩擦力矩接近；

（3）在機(jī)組跳閘， 主汽門快速關(guān)閉， 調(diào)節(jié)閥前蒸汽作用的載荷減小后， 調(diào)節(jié)閥自行關(guān)閉。

基于以上分析， 回到閥門本身上來：

（1）中壓蝶閥的機(jī)械動(dòng)作原理

中壓蝶閥在蒸汽環(huán)境動(dòng)作時(shí)， 受油動(dòng)機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)力矩、 彈簧驅(qū)動(dòng)力矩、 閥板偏心安裝的蒸汽力矩和閥板重量力矩、 閥軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸承/軸封摩擦力矩等作用。 其中油動(dòng)機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)力矩： 是閥門開啟的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力； 彈簧驅(qū)動(dòng)力矩： 是閥門關(guān)閉的驅(qū)動(dòng)力矩； 閥板偏心安裝的蒸汽力矩和蝶板重量力矩： 由于閥蝶板轉(zhuǎn)軸安裝在蒸汽管道中心線上方， 下半蝶板受上游蒸汽壓力大于上半蝶板受到的蒸汽力， 同時(shí)蝶板的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)為上半蝶板開啟方向?yàn)檎羝鲃?dòng)方向， 因此該部分的力矩總是促進(jìn)閥門的關(guān)閉（助關(guān)）； 而閥軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸承/軸封摩擦力矩總是阻礙閥門運(yùn)動(dòng)（開啟和關(guān)閉）。

（2）中壓蝶閥在FCB 工況的工作原理

此工況中壓主汽閥始終保持全開， 中壓調(diào)節(jié)閥快關(guān)后逐漸開啟以控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷。 中壓調(diào)節(jié)閥應(yīng)滿足在最大壓差下重新開啟、 關(guān)閉的需要。 甩全負(fù)荷至廠用電工況開始時(shí)， 中壓調(diào)節(jié)閥快關(guān)， 下游壓力很快趨近于真空， 但是上游壓力保持不變或略有增加， 閥前壓力最大可達(dá)120%額定壓力， 廠用電穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)閥前壓力1～2 bar，在中壓調(diào)節(jié)閥重新開啟期間， 壓降和閥門開度的關(guān)系見圖4。 因此中壓蝶閥的調(diào)節(jié)閥在此工況參數(shù)變化很快， 調(diào)節(jié)閥表現(xiàn)為持續(xù)不斷執(zhí)行開啟和關(guān)閉命令， 這樣可以將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)趨近并最終穩(wěn)定于1 500 r/min， 同時(shí)保證廠用電所需蒸汽量。

圖4 快關(guān)后二次開啟時(shí)壓降情況曲線

（3）力學(xué)分析

油動(dòng)機(jī)的液力矩滿足設(shè)計(jì)要求， 同時(shí)， 在瞬態(tài)試驗(yàn)中閥門的重新開啟過程中， 閥門可以開啟，說明液壓驅(qū)動(dòng)符合設(shè)計(jì)并滿足使用需求； 彈簧驅(qū)動(dòng)力矩有工廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)表面實(shí)際彈簧力矩在各個(gè)閥位都大于閥門的設(shè)計(jì)關(guān)閉力矩， 更有利于閥門的關(guān)閉； 閥板偏心安裝的蒸汽力矩和閥板重量力矩， 統(tǒng)稱為偏心助關(guān)力矩（總是促進(jìn)閥門的關(guān)閉）：由于蝶板的蒸汽壓差和力矩有效力臂都與蝶板的開度角有直接關(guān)系， 偏心助關(guān)力矩在閥門全開位置（壓差最小）非常小， 在閥門全關(guān)位置（壓差最大）最大， 因而閥軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸承/軸封摩擦力矩， 統(tǒng)稱為摩擦力矩（總是阻礙閥門開啟和關(guān)閉）： 摩擦力矩同蒸汽壓差導(dǎo)致的摩擦壓力有直接關(guān)系， 在閥門全開位置， 碟板的蒸汽壓差最小， 摩擦力矩最小； 在閥門全關(guān)位置， 蝶板的蒸汽壓差最大， 摩擦力矩最大。

從廠家調(diào)閱閥門設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)， 力矩曲線見圖5，與閥門的機(jī)械動(dòng)作原理分析相符合。

圖5 中壓蝶閥理論力矩曲線

另外， 通過閥門廠家提供的力矩?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在閥門開度18°左右時(shí)， 設(shè)計(jì)余量最小， 特別是冷態(tài)情況下開啟力矩余量只有1.4 左右， 關(guān)閉余量3.4。這個(gè)與實(shí)際情況相符合， 由此可見： 閥門在開度30%（角開度約20 度）前后區(qū)域， 摩擦力矩超過偏心力矩和彈簧力矩， 導(dǎo)致閥門拒動(dòng)。

4 臨時(shí)處理方案及評(píng)估

基于以上事實(shí)及分析， 基本可以確定閥門開關(guān)力矩在閥門小開度的時(shí)候余量不足。 但是要在一個(gè)月左右（機(jī)組小修時(shí)間窗口）完成對(duì)閥門的最終改造基本不可能， 現(xiàn)場(chǎng)及業(yè)主的情況及要求是本試驗(yàn)成功后就立刻進(jìn)入168 試運(yùn)行并商運(yùn)， 所以如果能基于現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)的分析判斷并且采取合適的措施， 那么在保證機(jī)組運(yùn)行安全且不影響機(jī)組商運(yùn)推進(jìn)的前提下， 將閥門改造的時(shí)間改在其他窗口將能為業(yè)主帶來效益， 同時(shí)也將驗(yàn)證機(jī)組在其他方面的各項(xiàng)指標(biāo)。

雖然已經(jīng)確定是閥門的原因， 但是機(jī)組在甩全負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)都是正常的， 且機(jī)組從并網(wǎng)到滿功率運(yùn)行均沒受到閥門影響， 只在FCB 試驗(yàn)工況失敗， 所以是否在FCB 工況時(shí)閥門處于拒動(dòng)的臨界狀態(tài)？ 只要實(shí)施一定措施， 這個(gè)臨界狀態(tài)是可以克服并不會(huì)在FCB 工況造成跳機(jī)呢？ 再來進(jìn)一步分析：

（1）故障狀態(tài)的復(fù)原結(jié)果計(jì)算分析：

從FCB 試驗(yàn)工況調(diào)閱數(shù)據(jù)， 相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)DCS 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 從FCB 試驗(yàn)工況現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從該表可知高壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后機(jī)組繼續(xù)帶廠用電61 MW、 超速至1 515 r/min 運(yùn)行， 經(jīng)檢查各壓力測(cè)點(diǎn)及變化趨勢(shì)， 初步排除逆止閥泄露可能，因此只需分析中壓蝶閥。

從汽輪機(jī)的通流計(jì)算結(jié)果推算， IPV （中壓調(diào)節(jié)閥）及HPV（高壓調(diào)節(jié)閥）不同開度時(shí)， 瞬態(tài)功率分布情況見表2。

表2 中壓蝶閥不同閥位機(jī)組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)

當(dāng)時(shí)中壓調(diào)節(jié)閥開度約28% （閥碟角度約18°）， 維持汽輪機(jī)帶廠用電60 MW 運(yùn)行， 需要約197 kg/s 的蒸汽量， 中壓閥前壓力約0.715 MPa，計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相當(dāng)。 然后計(jì)算FCB 工況第二次超速過程： 實(shí)際過程中， 帶廠用電負(fù)荷、 在中壓調(diào)節(jié)閥開啟28%時(shí)飛升到1 534 r/min， 計(jì)算分析可得平均功率值約83 MW，與實(shí)際測(cè)得的飛升時(shí)中壓閥前壓力（約0.915 MPa）吻合。 具體見表3。

表3 FCB 工況二次轉(zhuǎn)速飛升至1 534 r/min 數(shù)據(jù)

假定在沒有改善中壓控制的前提下， 從能量平衡估算， 在甩全負(fù)荷帶廠用電時(shí)中壓閥的開度仍維持28%行程（閥碟角度18°）， 這時(shí)在14 s 內(nèi)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升到1 550 r/min， 需要在加速時(shí)間段維持平均功率大于93.78 MW， 見表4。

表4 FCB 工況二次轉(zhuǎn)速飛升至1 550 r/min 數(shù)據(jù)

此時(shí)的中壓蝶閥前壓力大于0.98 MPa， 對(duì)比本次運(yùn)行的實(shí)測(cè)值0.89 MPa 可以判斷這種情況不可能出現(xiàn)。

另外， 根據(jù)調(diào)試部門測(cè)定的輸入， MSR 所有疏水箱最大閃蒸水量m約為12 t。 由于二次超速時(shí)汽輪機(jī)已跳機(jī)， 不額外進(jìn)汽， 則假設(shè)閃蒸蒸汽能使得汽輪機(jī)二次超速轉(zhuǎn)速達(dá)到1 545 r/min， 此時(shí)廠用電63 MW， 按表3～4 的計(jì)算， 同理可算得汽輪機(jī)平均功率P約為90 MW。 此時(shí)按12 t 水總能量Q與平均功率P之間的關(guān)系， 即可以計(jì)算出運(yùn)行時(shí)間，t=Q/P=m·（h1-h2）/P， 其中h1為高排焓值2 486.59 kJ/kg，h2為低排焓值2 327.92 kJ/kg， 則求得t=21 s， 保守取見取30 s。 即閃蒸蒸汽可維持轉(zhuǎn)速飛升時(shí)間30 s。 如轉(zhuǎn)速飛升超過1 545 r/min且超過30 s 時(shí)手動(dòng)跳機(jī)可保證機(jī)組安全。

最后回到試驗(yàn)時(shí)閥門開度對(duì)汽輪機(jī)的保護(hù)措施上來進(jìn)行評(píng)估：

（1）當(dāng)閥門開度過大， 例如超過50%開度， 說明中壓進(jìn)汽量會(huì)很大（雖然二次開啟實(shí)際過程中的情況下不會(huì)出現(xiàn)）， 這個(gè)時(shí)候超速必將繼續(xù)升高，可能超過1 550 r/min。

（2）在二次超速要求關(guān)閉的情況下， 高壓調(diào)節(jié)閥正常是已經(jīng)關(guān)閉的， 這個(gè)時(shí)候中壓調(diào)節(jié)閥的進(jìn)汽完全靠MSR 閃蒸蒸汽。 根據(jù)前面的分析， 在28%開度飛升到1 550 r/min 已是不可能， 如果中壓調(diào)節(jié)閥繼續(xù)開啟＞28%開度,高壓調(diào)節(jié)閥勢(shì)必開啟， 這個(gè)時(shí)候MSR 閃蒸將消失， 壓力下降， 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和功率將由高壓調(diào)節(jié)閥主導(dǎo)（中壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)汽≤高壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)汽）， 按計(jì)算中壓調(diào)節(jié)閥開度38.33%時(shí)， 功率才13 MW； 開度48.3%時(shí)， 功率51 MW； 開度57.19%時(shí)， 功率76 MW。

綜上兩點(diǎn)， 將邏輯點(diǎn)設(shè)置在35%～50%即可，但考慮到調(diào)節(jié)時(shí)可能閥門有偏差， 最終建議設(shè)置在45°。

于是， 將邏輯進(jìn)行修改， 見圖6。

圖6 跳機(jī)組態(tài)邏輯修改

5 臨時(shí)處理方案的實(shí)際驗(yàn)證

基于以上的臨時(shí)處理方案， 即在不對(duì)中壓蝶閥進(jìn)行改造的前提下， 修改保護(hù)邏輯， 由原邏輯改為： 在中壓調(diào)節(jié)閥同時(shí)滿足“開度指令低于45%” 及“實(shí)際閥位低于45%開度以下”， 2 個(gè)以上中壓調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)實(shí)際開度與開度指令偏差超過10%時(shí)， 不跳機(jī)， 同時(shí)增加手動(dòng)干預(yù)值： 如FCB試驗(yàn)時(shí)， 二次飛升轉(zhuǎn)速超過1 545 r/min 且持續(xù)時(shí)間超過30 s， 則手動(dòng)打閘停機(jī)。

一切就緒后， 第二次滿功率FCB 試驗(yàn)按上述邏輯執(zhí)行， 試驗(yàn)成功， 試驗(yàn)曲線如圖7 所示。

圖7 FCB 試驗(yàn)成功時(shí)各曲線

從圖7 中的第二次FCB 試驗(yàn)曲線可以得出以下信息：

（1）汽輪機(jī)第二次轉(zhuǎn)速飛升達(dá)到1 534 r/min，低于后面設(shè)定的1 545 r/min 跳機(jī)轉(zhuǎn)速， 無需跳機(jī)；

（2）4 臺(tái)中壓調(diào)節(jié)閥均在開度約28%（角度18°） 左右， 在汽輪機(jī)二次超速要求關(guān)閉時(shí)與關(guān)閉指令發(fā)生了延遲， 延遲達(dá)到14 s， 即超過了10 s，如按原邏輯是要跳機(jī)的；

（3）試驗(yàn)也再次驗(yàn)證了中壓蝶閥在低開度時(shí)拒動(dòng)（力矩不夠）， 后續(xù)需要整改；

（4）完美地驗(yàn)證了臨時(shí)措施之前的各項(xiàng)分析及對(duì)FCB 試驗(yàn)瞬態(tài)的簡(jiǎn)化計(jì)算推理。