再熱蒸汽溫度控制對(duì)核電機(jī)組運(yùn)行可靠性的影響探討

□孫玉彪

核電機(jī)組壓汽缸的蒸汽參數(shù)容易受到許多外在因素的影響，在實(shí)際運(yùn)行的過程中，很容易由于數(shù)據(jù)參數(shù)的變化導(dǎo)致核電機(jī)組內(nèi)部的壓力過大，進(jìn)而導(dǎo)致核電機(jī)組變形。在汽輪機(jī)設(shè)備啟動(dòng)停止以及低負(fù)荷運(yùn)行期間，相關(guān)工作人員需要重點(diǎn)關(guān)注再熱蒸汽溫度，盡量避免其對(duì)核電機(jī)組的運(yùn)行造成影響，盡量減少核電機(jī)組變形的問題。對(duì)再熱蒸汽溫度控制對(duì)核電機(jī)組運(yùn)行可靠性的影響進(jìn)行探析，可以大大降低其中存在的安全隱患。

一、MSR對(duì)核電機(jī)組運(yùn)行方式的影響

(一)MSR再熱溫度控制的方式。核電機(jī)組可以通過MSR技術(shù)的汽水分離功能以及兩級(jí)再熱功能，來(lái)提升或降低核電機(jī)組內(nèi)部的蒸汽溫度，通過這種方式提高汽輪機(jī)組的熱效率循環(huán)，進(jìn)而達(dá)到降低排氣濕度的目的，減少核電機(jī)組在運(yùn)行過程中對(duì)核電機(jī)組零部件造成的磨損，最終提高核電機(jī)組的運(yùn)行可靠性。MSR的一級(jí)再熱器的加熱汽源往往是從高壓缸內(nèi)進(jìn)行抽汽，其中的一級(jí)再熱蒸汽閥在運(yùn)行的過程中并不會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)；核電機(jī)組中的二級(jí)再熱器的加熱汽源主要依賴于主蒸汽，然后再由熱蒸汽溫度來(lái)調(diào)節(jié)壓力控制閥。MSR出口的再熱蒸汽溫度主要是依靠調(diào)節(jié)二級(jí)加熱蒸汽壓力的方式，來(lái)進(jìn)行間接實(shí)現(xiàn)，并且將核電機(jī)組內(nèi)部的壓力信號(hào)當(dāng)作被調(diào)量的主要原因是由于壓力信號(hào)響應(yīng)時(shí)間過短。在啟動(dòng)MSR時(shí)，它的啟動(dòng)狀態(tài)是否良好完全取決于二級(jí)再熱器的溫度，當(dāng)其溫度低于120℃時(shí)，二級(jí)束管就會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐L(fēng)以及預(yù)熱，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)核電機(jī)組的目的。

通過二級(jí)再熱壓力來(lái)調(diào)節(jié)控制閥門的蒸汽壓力，隨著管板溫度的上升，二級(jí)的再熱壓力會(huì)在運(yùn)行的過程中逐步降低，最終達(dá)到適應(yīng)暖管溫度的效果。當(dāng)二級(jí)再熱管板的溫度高于140℃時(shí)，就可以適時(shí)的啟動(dòng)汽輪機(jī)。在核電機(jī)組并網(wǎng)負(fù)荷運(yùn)行的階段，二級(jí)再熱蒸汽的壓力閥門會(huì)根據(jù)核電機(jī)組的負(fù)荷變化逐步打開，進(jìn)而控制再熱管板的溫度，控制其上升速度；當(dāng)核電機(jī)組在70%額定負(fù)荷的狀態(tài)下，可以同時(shí)打開兩個(gè)壓力控制閥門，在控制負(fù)荷的階段，當(dāng)其額定負(fù)荷將到了79%以下時(shí)，MSR的壓力控制閥門就會(huì)關(guān)閉，汽輪機(jī)也會(huì)停止運(yùn)行。

在運(yùn)行汽輪機(jī)設(shè)備的過程當(dāng)中，根據(jù)設(shè)備的相關(guān)操作規(guī)定，依據(jù)汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行操作規(guī)定，當(dāng)汽輪機(jī)當(dāng)中的進(jìn)汽法蘭這一零件中間的金屬壁屬溫度低于150℃時(shí)，機(jī)組就會(huì)在冷動(dòng)狀態(tài)下啟動(dòng)；當(dāng)汽輪機(jī)當(dāng)中的進(jìn)汽法蘭這一零件中間的金屬壁屬溫度高于150℃時(shí)，機(jī)組就會(huì)在熱狀態(tài)下啟動(dòng)。在MSR啟動(dòng)的過程當(dāng)中，核電機(jī)組內(nèi)部的二級(jí)再熱蒸汽壓力會(huì)根據(jù)控制閥的負(fù)荷變化逐漸打開，并且當(dāng)核電機(jī)組的二級(jí)再熱管板溫度高于140℃時(shí)，核電機(jī)組就會(huì)停止自身預(yù)熱功能，但這樣的智能化功能，并沒有充分考慮核電機(jī)組在啟動(dòng)前，進(jìn)入中壓汽缸進(jìn)口的溫度是否與汽輪機(jī)啟動(dòng)的冷熱狀態(tài)相匹配的問題。拿某臺(tái)引進(jìn)三十萬(wàn)核電機(jī)組的事例舉例來(lái)說，為了確保核電機(jī)組在運(yùn)行的過程當(dāng)中，可以使進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)部的蒸汽溫度與汽缸內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行配對(duì)，并且在核電機(jī)組運(yùn)行的過程中直接采用測(cè)量MSR出口蒸汽溫度的方式進(jìn)行閉環(huán)處理，并將核電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)模式設(shè)置成自動(dòng)控制模式。若是在核電機(jī)組運(yùn)行的過程中將MSR自動(dòng)控制模式細(xì)分為冷態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)以及脫扣停機(jī)等模式，就可以很好地將MSR出口蒸汽溫度變化的速率控制在56℃/h內(nèi)，以此加強(qiáng)對(duì)核電機(jī)組的保護(hù)。

(二)MSR再熱器管板溫度的變化。MSR的一級(jí)再熱器管束以及二級(jí)再熱器管束都是一種U型鐵素體不銹鋼翅片換熱管，核電機(jī)組當(dāng)中的加熱蒸汽在核電機(jī)組運(yùn)行的過程中會(huì)沿著水平U型管束從高處向低處進(jìn)行流動(dòng)。但在核電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過程中，MSR的一級(jí)再熱器的加熱汽源是無(wú)法進(jìn)行自身調(diào)節(jié)的，核電機(jī)組內(nèi)部也沒有設(shè)置與之相匹配的核電機(jī)組預(yù)熱系統(tǒng)，在核電機(jī)組的汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速上升至1,500r/min，并且一直處在并網(wǎng)帶初始負(fù)荷過程中，一級(jí)再熱蒸汽溫度就會(huì)出現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)，這樣的情況十分容易造成一級(jí)再熱器管板溫度的突然變化，這樣一種突發(fā)的溫度變化，不僅會(huì)對(duì)核電機(jī)組的零部件造成影響，還會(huì)影響核電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。當(dāng)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，若是核電機(jī)組溫度始終處在上升的狀態(tài)下，核電機(jī)組內(nèi)部的一級(jí)再熱器管板溫度就會(huì)由原始溫度急劇上升，甚至有可能會(huì)超過80℃，最大上升速度4.58℃/min；當(dāng)核電機(jī)組內(nèi)部處于熱態(tài)啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，就很有可能因?yàn)楹穗姍C(jī)組內(nèi)一級(jí)再熱器管板溫度始終保持在較高溫度而加快管板溫度出現(xiàn)下降速度，對(duì)核電機(jī)組的運(yùn)行造成一定影響。

在這樣的情況下，當(dāng)核電機(jī)組的初始負(fù)荷過程中從92.28℃不斷回升并且趨勢(shì)迅猛的情況下，核電機(jī)組內(nèi)一級(jí)再熱器管板溫度就會(huì)瞬間上升，嚴(yán)重時(shí)可以達(dá)到了3.84℃/min。如果在核電機(jī)組沖轉(zhuǎn)前核電機(jī)組內(nèi)部的一級(jí)再熱管板溫度處于一種較低的狀態(tài)，或者是汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)速上升速度過快時(shí)，一級(jí)再熱管板溫度的上升速度也會(huì)受到較大的影響。某機(jī)組多次啟動(dòng)核電機(jī)組的過程中記錄了核電機(jī)組歷次運(yùn)行數(shù)據(jù)，在其中一次機(jī)組運(yùn)行過程中，核電機(jī)組當(dāng)中一級(jí)再熱器管板溫度驟然變化為5.09℃/min。和這種情況相比，由于核電機(jī)組當(dāng)中二級(jí)再熱器在運(yùn)行之前，相關(guān)工作人員必須對(duì)核電機(jī)組進(jìn)行管束預(yù)熱，這才可以將核電機(jī)組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)過程中，二級(jí)再熱器管板溫度變化控制在一定范圍內(nèi)，但如果在核電機(jī)組運(yùn)行的過程中管板溫度脫離了控制范圍，就很容易會(huì)出現(xiàn)管板溫度的小幅變化，但影響不大。

根據(jù)相關(guān)制造廠商的對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中的維護(hù)要求，MSR的再熱器管板溫度在運(yùn)行的過程中不可以超過4℃/min。若是在運(yùn)行的過程中MSR管板溫度的上下浮動(dòng)過大，就很容易造成核電機(jī)組內(nèi)部零件的熱疲勞，同時(shí)也會(huì)在管束、管板等構(gòu)件的焊縫處產(chǎn)生一種交變熱應(yīng)力的現(xiàn)象，進(jìn)而造成核電機(jī)組的內(nèi)部泄露。

二、MSR對(duì)核電機(jī)組安全運(yùn)行的影響

(一)汽輪機(jī)啟動(dòng)、升負(fù)荷階段的影響。市場(chǎng)當(dāng)中某核電廠的核電機(jī)組調(diào)停小修后，在機(jī)組的冷態(tài)啟動(dòng)，并且核電機(jī)組汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)的功率急速上升至330MW的過程中，核電機(jī)組的高中壓汽缸的部分軸承的數(shù)值出現(xiàn)急劇上升的現(xiàn)象，當(dāng)相關(guān)工作人員通過技術(shù)手段降核電機(jī)組的低負(fù)荷情況，并且試圖穩(wěn)定軸承數(shù)值，但數(shù)值在短暫穩(wěn)定后，仍然持續(xù)上升，這就需要相關(guān)工作人員手動(dòng)打開閘門進(jìn)行停機(jī)處理。

可以設(shè)想當(dāng)汽輪機(jī)軸封蒸汽溫度為188℃時(shí)，核電機(jī)組可以通過機(jī)器自身的兩端軸封進(jìn)入到高中壓汽缸當(dāng)中，在核電機(jī)組沖轉(zhuǎn)前，通過MSR技術(shù)使高、中壓排汽缸溫度達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)要求；在核電機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程當(dāng)中，高壓排汽缸溫度會(huì)先下降到一定溫度，然后再隨著核電機(jī)組進(jìn)汽流量增加逐步上升。

當(dāng)核電機(jī)組并網(wǎng)后，機(jī)器自身會(huì)隨著進(jìn)汽流量而進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，汽缸被蒸汽冷卻，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)溫度下降的趨勢(shì)，這也可以從側(cè)面反映出汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中或者是機(jī)器處于低負(fù)荷運(yùn)行階段時(shí)，高壓汽缸以及中壓氣缸內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化具有極其復(fù)雜的特征，這不僅僅與進(jìn)入壓汽缸當(dāng)中的蒸汽流量以及溫度的變化范圍有關(guān)，還與MSR在壓汽缸之間進(jìn)行的機(jī)器設(shè)置有關(guān)。

由于核電機(jī)組當(dāng)中的壓汽缸的結(jié)構(gòu)尺寸十分龐大并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以當(dāng)進(jìn)入汽缸的蒸汽溫度突然發(fā)生變化時(shí)，如果核電機(jī)組內(nèi)部出現(xiàn)汽缸受力不均或者是核電機(jī)組零件因?yàn)闇囟冗^高產(chǎn)生膨脹受阻現(xiàn)象時(shí)，就會(huì)造成汽缸變形，進(jìn)而影響核電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，工作人員需要在核電機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行階段時(shí)，時(shí)刻監(jiān)控MSR再熱蒸汽溫度變化趨勢(shì)，并且根據(jù)溫度變化趨勢(shì)，及時(shí)對(duì)核電機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)整，以確保核電機(jī)組的正常運(yùn)行。

(二)汽輪機(jī)降負(fù)荷、停機(jī)階段的影響。市場(chǎng)當(dāng)中某核電廠的核電機(jī)組按原本計(jì)劃進(jìn)行停機(jī)檢修，當(dāng)汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷開始下降時(shí)，就會(huì)因MSR的二級(jí)再熱器發(fā)生故障，進(jìn)而無(wú)法對(duì)疏水箱液位進(jìn)行有效控制，從而導(dǎo)致MSR二級(jí)再熱器的進(jìn)汽閥門為了自我保護(hù)自動(dòng)關(guān)閉。同時(shí)2臺(tái)MSR的二級(jí)再熱器若是同時(shí)停止加熱，那么核電機(jī)組當(dāng)中的壓缸的溫度就會(huì)產(chǎn)生變化，進(jìn)而直接影響到中壓缸進(jìn)汽參數(shù)。若是汽缸體金屬的溫度與核電機(jī)組內(nèi)部的蒸汽溫值較大，那么就會(huì)在核電機(jī)組內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流換熱，進(jìn)而引起壓缸內(nèi)部零件的冷卻收縮，進(jìn)而影響核電機(jī)組的運(yùn)行情況。核電機(jī)組在降負(fù)荷過程中容易發(fā)生高壓氣缸、中壓汽缸前后軸承振動(dòng)數(shù)值的上升，與中壓汽缸內(nèi)部溫度的急劇下降的變化趨勢(shì)有著一定的關(guān)聯(lián)性。

三、結(jié)語(yǔ)

再熱蒸汽溫度控制對(duì)核電機(jī)組運(yùn)行可靠性起著至關(guān)重要的作用，但在MSR設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的過程當(dāng)中，核電機(jī)組在機(jī)組啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)過程和并網(wǎng)帶初始負(fù)荷時(shí)，核電機(jī)組內(nèi)部的一級(jí)再熱器管板的溫度會(huì)直接上升到機(jī)器所能承受的極限數(shù)值。因?yàn)镸SR設(shè)備在運(yùn)行的過程中管板溫度若是發(fā)生較大幅度的變化，就會(huì)出現(xiàn)核電機(jī)組內(nèi)部溫度冷熱交替的現(xiàn)象，會(huì)造成核電機(jī)組內(nèi)部零件的熱疲勞，甚至機(jī)器的連接點(diǎn)可能出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，威脅到周圍工作人員的人身安全。故在對(duì)再熱蒸汽進(jìn)行溫度控制時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況謹(jǐn)慎選擇運(yùn)行時(shí)機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)提高核電機(jī)組運(yùn)行的可靠性的目的。