汽輪機調(diào)速系統(tǒng)二次油壓波動大的分析及處理

方小峰

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

田灣核電站汽輪機型號為K-1000/60-3000，調(diào)速系統(tǒng)為電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要以液調(diào)為主、電調(diào)相輔的形式。正常運行階段，機組長期處于滿功率運行狀態(tài)不參與調(diào)峰，調(diào)速系統(tǒng)主要維持二回路主蒸汽壓力（機跟堆運行模式）的穩(wěn)定或電功率（堆跟機運行模式）的正常輸出。從2007 年商運至2018 年，田灣核電站1#、2#機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)運行總體穩(wěn)定，尚未出現(xiàn)過因調(diào)速系統(tǒng)故障導(dǎo)致停機的情況。但期間調(diào)速系統(tǒng)也出現(xiàn)過一些問題，如二次油壓波動大、附加保安油壓偏低、大修期間靜態(tài)試驗部分不合格、系統(tǒng)母管壓力波動等。

1 問題描述

自2019 年6 月下旬開始至9 月中旬，2#機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)二次油壓一直處于大幅波動狀態(tài)，最高值已達3.65 MPa、已超過運行規(guī)程要求的最大限值3.2 MPa，汽輪機高調(diào)門開度亦隨之大幅變化，影響機組安全、穩(wěn)定運行（圖1）。

圖1 二次油壓與調(diào)門開度曲線

調(diào)速系統(tǒng)二次油壓是汽輪機高壓缸進汽調(diào)節(jié)閥（高調(diào)門）的控制油壓，其大小直接決定高調(diào)門的開度。而高調(diào)門的開度決定了汽輪機的做功能力，進而決定發(fā)電機電功率。因此，二次油壓是汽輪機調(diào)速系統(tǒng)中一個非常重要的參數(shù)，它的穩(wěn)定性對機組的正常運行至關(guān)重要。

2 原因分析

2.1 調(diào)速系統(tǒng)主要部件介紹

（1）同步器滑閥。同步器滑閥是將系統(tǒng)穩(wěn)定油路的動力油轉(zhuǎn)化為主汽門控制油和危急遮斷器的掛閘油，運行期間接收來自汽輪機控制器的調(diào)節(jié)脈沖信號，并通過杠桿原理傳遞給調(diào)速器滑閥。同步器滑閥由同步器手輪、同步器電機、減速裝置、活塞以及套筒等組成（圖2）。

圖2 同步器滑閥組示意

（2）調(diào)速器滑閥。調(diào)速器滑閥是將調(diào)速器產(chǎn)生的位移信號以及來自同步器滑閥的調(diào)節(jié)信號通過一次油壓的變化傳遞給中間滑閥，用于實現(xiàn)機組負(fù)荷調(diào)節(jié)以及超速保護功能，有信號接收和傳遞的作用。調(diào)速器滑閥由調(diào)速器、隨動滑閥、跟蹤滑閥等組成，為高速機械離心彈性調(diào)速器，感受機組的轉(zhuǎn)速信號，調(diào)速塊的位移變化是調(diào)速器的輸出信號。

（3）中間滑閥。中間滑閥是將調(diào)速器滑閥傳遞過來的液壓信號加以放大并轉(zhuǎn)換成二次油壓，以控制和調(diào)節(jié)汽輪機配汽系統(tǒng)各調(diào)門的開度，調(diào)節(jié)機組負(fù)荷，必要時可以實現(xiàn)機組限功率運行。它由兩個滑閥組、一個功率限制機構(gòu)以及反饋連桿等部件組成（圖3）。

圖3 中間滑閥組示意

（4）電液轉(zhuǎn)換器。電液轉(zhuǎn)換器主要作用是將來自電調(diào)部分的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛y的位移，以此改變一次油路排油口大小，再通過中間滑閥的轉(zhuǎn)換和放大作用改變二次油壓，調(diào)節(jié)配汽系統(tǒng)各調(diào)門開度，控制機組負(fù)荷，電液轉(zhuǎn)換器由一個電磁感應(yīng)機構(gòu)和兩個滑閥（1#滑閥和2#滑閥）組成。

2.2 二次油的作用

機組功率運行期間二次油壓直接控制汽輪機4 個高壓調(diào)門的開度，直接決定汽輪機的功率輸出，進而決定電功率大小。機組低功率（小于300 MW）階段，二次油通過油壓變化對汽水分離再熱器加熱蒸汽閥開度的控制，以維持流經(jīng)汽水分離再熱器后的蒸汽溫度；在機組打閘后，二次油將汽輪機高壓缸排汽排放閥打開，把高壓缸、汽水分離再熱器以及蒸汽管道中由于水分閃蒸形成的蒸汽排入凝汽器，防止汽輪機超速。

2.3 二次油壓的調(diào)節(jié)過程

（1）調(diào)節(jié)信號的產(chǎn)生：①調(diào)速器感知轉(zhuǎn)速信號，通過調(diào)速塊位移的變化產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號；②同步器滑閥接收的調(diào)節(jié)信號，包括汽輪機控制器自動驅(qū)動同步器電機、操作員發(fā)出的命令信號驅(qū)動同步器電機以及現(xiàn)場同步器手輪動作；③調(diào)速系統(tǒng)電調(diào)部分發(fā)出的調(diào)節(jié)信號，如電液轉(zhuǎn)換器。

（2）調(diào)節(jié)信號的接收和傳遞：①調(diào)速器滑閥通過杠桿接收來自同步器滑閥的調(diào)節(jié)信號，控制滑閥產(chǎn)生位移變化，使一次油壓排油口發(fā)生變化；②調(diào)速器滑閥通過隨動滑閥接收來自調(diào)速器的調(diào)節(jié)信號，使一次油壓排油口發(fā)生變化；③電液轉(zhuǎn)換器接收電信號后，滑閥動作，也使一次油壓排油口發(fā)生變化。一次油壓排油口的變化使中間滑閥內(nèi)與一次油壓相聯(lián)系的組件（一次油壓反饋套筒）發(fā)生位移變化，完成信號的傳遞。因此，調(diào)節(jié)信號的接收、傳遞都是通過一次油壓的變化來實現(xiàn)的。

（3）調(diào)節(jié)信號的轉(zhuǎn)換和執(zhí)行：一次油壓的變化，使中間滑閥內(nèi)產(chǎn)生二次油壓的油口發(fā)生變化，直接改變二次油壓大小，影響高調(diào)門開度。

（4）信號反饋：高調(diào)門開度的變化使汽輪機轉(zhuǎn)速、二回路主蒸汽壓力及電功率產(chǎn)生響應(yīng)的變化，機組將視情況決定是否需要再次向調(diào)速系統(tǒng)施加調(diào)節(jié)信號，重復(fù)上述步驟。

2.4 二次油壓波動分析

在正常運行期間田灣核電站機組帶基礎(chǔ)負(fù)荷處于滿功率運行狀態(tài)，從問題出現(xiàn)的時間段方面分析：出現(xiàn)二次油壓大幅波動的時間段主要集中在夏季，通過系統(tǒng)運行參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，二次油壓、海水溫度以及凝汽器真空度的峰值都出現(xiàn)在同一時間段（圖4）。

圖4 二次油壓、海水溫度和真空度曲線

參數(shù)分析表明，當(dāng)海水溫度上升時，凝汽器真空度會下降，造成蒸汽的焓下降即汽輪機做功能力下降。為保證電功率不變需要更大的新蒸汽流量即更大的高調(diào)門開度。因此，在夏季二次油壓的大小較平時會略有上升屬正常，田灣核電站兩臺機組均有此現(xiàn)象。

通過上述分析，海水溫度不是造成機組夏季工況下二次油壓波動的原因。通過對1#、2#機組2019 年的汽輪機調(diào)速系統(tǒng)二次油壓靜態(tài)特性進行對比分析，根據(jù)二次油壓的靜態(tài)特性顯示，特性斜率在第二個拐點后陡增，即當(dāng)二次油壓值大于第二個拐點對應(yīng)的壓力值時，二次油壓將變得極不穩(wěn)定且波動幅度較大。因此，1#、2#機組的二次油壓靜態(tài)特性中的出現(xiàn)第二個拐點位置時的二次油壓分別為3.4 MPa 和3.13 MPa，顯然2#機組的二次油壓穩(wěn)定性較1#機組差。

同時，鑒于往年在相同條件下，2#機組未曾出現(xiàn)過二次油壓大幅度波動的異常現(xiàn)象，因此分析認(rèn)為造成此現(xiàn)象的可能原因有：①高調(diào)門存在空行程；②系統(tǒng)油質(zhì)造成滑閥異常磨損，影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能；③二次油壓靜態(tài)特性第二個拐點位置偏低，使油壓不穩(wěn)定。

2.4.1 汽輪機高調(diào)門空行程

田灣核電站汽輪機高壓缸有4 組進汽通道，每組通道的流量都由高壓調(diào)門的開度決定。如果高調(diào)門存在空行程現(xiàn)象，會影響調(diào)門的實際開度，使實際開度減小。而通過反饋及調(diào)節(jié)，二次油壓勢必要升高，將高調(diào)門開度增大，維持機組正常運行。

在T211 大修汽輪機調(diào)速系統(tǒng)停機后的靜態(tài)試驗中發(fā)現(xiàn)，汽輪機3#高調(diào)門存在約5 mm 的空行程。高調(diào)門閥桿與驅(qū)動機構(gòu)（油動機）之間的連接是通過螺紋連接的，由于高壓調(diào)門在機組正常運行中長期處于小幅波動狀態(tài)，螺紋磨損、產(chǎn)生間隙，久而久之可能形成空行程。球形部件連接汽門閥桿與驅(qū)動機構(gòu)，球形部件與閥桿的連接方式為螺紋連接。

汽輪機3#高調(diào)門的空行程，對二次油壓的大小有一定影響（使油壓上升），但不是造成二次油壓異常波動的根本原因。

2.4.2 系統(tǒng)油質(zhì)

液壓調(diào)速系統(tǒng)對系統(tǒng)油質(zhì)有著很高的要求，由于調(diào)速系統(tǒng)滑閥組件之間的間隙極小，正常情況下部套的間隙在0.05～0.10 mm，任何細(xì)微的雜質(zhì)進入滑閥都有可能影響滑閥的正常動作。

1#機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)曾出現(xiàn)過因油質(zhì)而造成滑閥卡澀的情況，機組運行期間二次油壓對同步器電機的調(diào)節(jié)信號響應(yīng)嚴(yán)重滯后，不時出現(xiàn)二次油壓突降造成電功率波動的現(xiàn)象，而且在大修中亦發(fā)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)滑閥存在一定程度的磨損（圖5～圖6）。

圖5 滑閥上存在的油泥

圖6 油泥造成滑閥的異常磨損和拉痕

在2#機組調(diào)速系統(tǒng)滑閥組件解體檢查時，未見明顯的拉痕或磨損，尤其是二次油壓調(diào)節(jié)過程中所涉及的同步器滑閥、調(diào)速器滑閥、中間滑閥、電液轉(zhuǎn)換器滑閥，均無異常（圖7～圖8）。

圖7 中間滑閥和一次油壓反饋套筒

圖8 調(diào)速器滑閥和電液轉(zhuǎn)換器滑閥

通過運行狀態(tài)對比，1#/2#機調(diào)速系統(tǒng)二次油壓波動有著明顯的區(qū)別：1#機組二次油壓是突降，并有明顯的調(diào)節(jié)信號累積及動作滯后現(xiàn)象，說明滑閥存在卡滯現(xiàn)象；而2#機二次油壓的變化趨勢連續(xù)，無調(diào)節(jié)信號累積，說明滑閥響應(yīng)快速、動作靈活。

因此，2#機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)二次油壓波動的情況，應(yīng)不屬于系統(tǒng)油質(zhì)造成的滑閥卡滯類問題。

2.4.3 二次油壓形成特性

二次油壓的形成是通過調(diào)速器滑閥的動作，使其逐漸關(guān)小一次油壓排油口，再通過中間滑閥的放大和傳遞來實現(xiàn)。

由于組成二次油壓錯油門的滑閥組中的下部滑閥對應(yīng)有內(nèi)外兩組控制彈簧，因此整條二次油壓特性曲線隨行程在不同階段有不同斜率，存在兩個斜率拐點（圖9）：曲線從開始至第一個拐點是外彈簧變形受力；從第一個拐點至第二個拐點之間是內(nèi)、外彈簧同時變形受力；在第二拐點處下部滑閥的托盤與機械限位頂桿接觸，彈簧不再繼續(xù)壓縮，至此二次油壓的變化完全根據(jù)上部滑閥的位移變化，下部滑閥行至限位已不具備反饋調(diào)節(jié)功能，二次油壓的變化斜率將陡增。因此，在第二個拐點以后的壓力區(qū)間可定義為非工作區(qū)間或不穩(wěn)定區(qū)間。圖9 中，橫坐標(biāo)為同步器控制滑閥位移量，縱坐標(biāo)為二次油壓大小值。

圖9 二次油壓理論靜態(tài)設(shè)計曲線

機組正常運行時，二次油壓大小值應(yīng)保證小于靜態(tài)特性曲線第二個拐點對應(yīng)的壓力值，如二次油壓進入非工作區(qū)間即大于該壓力值，因為斜率陡增，同樣的調(diào)節(jié)信號，產(chǎn)生的變化量很大，極易產(chǎn)生油壓的波動，使高調(diào)門隨之波動。

大修檢查的情況是，T211 大修停機后調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)試驗顯示，出現(xiàn)第二個拐點時對應(yīng)的二次油壓值為3.13 MPa。顯然，2#機組調(diào)速系統(tǒng)二次油壓在夏季運行時已大于3.13 MPa，二次油壓的工作壓力長期處于靜態(tài)特性的不穩(wěn)定區(qū)間，因此當(dāng)二次油壓參與調(diào)節(jié)時，易產(chǎn)生較大波動，這就是二次油壓在夏季極易大幅波動的根本原因。

對比1#機組調(diào)速系統(tǒng)二次油壓特性曲線，出現(xiàn)第二個拐點時對應(yīng)的二次油壓為3.4 MPa、遠(yuǎn)高于2#機水平，且1#機組調(diào)速系統(tǒng)一直未出現(xiàn)2#機組類似情況。

3 處理措施

3.1 調(diào)整二次油壓靜態(tài)特性曲線

T211 大修中，對汽輪機調(diào)速系統(tǒng)二次油壓特性曲線進行了調(diào)整，將下部滑閥控制彈簧的限位頂桿進行車削降低高度、車削量為0.5 mm（圖10）。

圖10 彈簧限位頂桿

調(diào)整后的二次油壓特性與理論特性擬合度更好，出現(xiàn)第二個拐點時對應(yīng)的二次油壓為3.3 MPa。

正常工況下，汽輪機調(diào)速系統(tǒng)二次油壓力在3.05～3.15 MPa，對其特性曲線中第二個拐點位置的調(diào)整，將使二次油壓在機組調(diào)節(jié)過程中變得更加穩(wěn)定。

3.2 繼續(xù)加強對系統(tǒng)油質(zhì)的管理

（1）大修期間，清理調(diào)速系統(tǒng)主油箱。

（2）檢查系統(tǒng)油質(zhì)，必要時進行更換。

（3）大修期間，做好調(diào)速系統(tǒng)熱油沖洗工作。

（4）運行期間，保持調(diào)速系統(tǒng)濾油機連續(xù)不間斷運行。

4 運行效果

T211 大修后至2021 年12 月，經(jīng)過多個夏季高溫天氣的驗證，海水溫度回落，凝汽器真空亦開始好轉(zhuǎn)，2#機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)二次油壓未出現(xiàn)2019 年夏季類似情況，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能良好，二次油壓及高調(diào)門開度穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

通過T211 大修期間的檢查、處理以及大修后的運行情況分析判斷，2019 年夏季田灣核電站2#機組調(diào)速系統(tǒng)二次油壓大幅波動的根本原因是，二次油壓靜態(tài)特性曲線中第二拐點值低于夏季極端工況的二次油壓實際值，使系統(tǒng)進入不穩(wěn)定區(qū)。同時由于高調(diào)門的空行程提高了二次油壓，使系統(tǒng)更頻繁進入不穩(wěn)定區(qū)，造成油壓的異常波動。