調(diào)峰運(yùn)行對(duì)核電機(jī)組主汽輪機(jī)的影響分析

史香錕，楊均勇，楊 鵬，錢(qián)建華，趙劍剛

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518120）

0 引言

近幾年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，電網(wǎng)運(yùn)行的峰谷差越來(lái)越大。而與此同時(shí)，核電機(jī)組的投運(yùn)數(shù)量逐年攀升，發(fā)電份額日益增大，因此所面臨的調(diào)峰運(yùn)行壓力也越來(lái)越大[1-2]。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局曾在發(fā)改運(yùn)行[2015]518號(hào)文件中對(duì)核電機(jī)組作如下表述，“核電在保證安全的情況下兼顧調(diào)峰需要安排發(fā)電”?；谶@種新情況，以前按照基本負(fù)荷模式設(shè)計(jì)并商運(yùn)的核電機(jī)組，如今均難以保證基荷運(yùn)行，必須考慮調(diào)整自身設(shè)備特性以應(yīng)對(duì)調(diào)峰壓力，并嘗試逐步參與調(diào)峰運(yùn)行。

然而，目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)的核電機(jī)組均未參與過(guò)長(zhǎng)期調(diào)峰運(yùn)行，缺乏可供借鑒的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或評(píng)估體系，近幾年來(lái)新投運(yùn)的CPR1000等機(jī)組也同樣存在這種情況。根據(jù)理論分析可知，參與調(diào)峰運(yùn)行的機(jī)組，其運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值，機(jī)組的效率和各零部件的受力、熱膨脹、熱變形等情況均會(huì)發(fā)生變化，影響其經(jīng)濟(jì)性和安全性。主汽輪機(jī)是二回路系統(tǒng)中最主要的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，直接關(guān)系到機(jī)組的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)性。調(diào)峰運(yùn)行過(guò)程中任何參數(shù)（功率、流量、壓力、溫度等）的變化都會(huì)直接影響到主汽輪機(jī)本體的運(yùn)行狀況，同時(shí)也影響到下游系統(tǒng)、設(shè)備乃至整個(gè)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在正式參與調(diào)峰運(yùn)行之前，需要有針對(duì)性地分析調(diào)峰運(yùn)行對(duì)主汽輪機(jī)的潛在影響。

目前僅有法國(guó)的核電機(jī)組直接參與過(guò)調(diào)峰運(yùn)行，而且盡管具備日調(diào)峰能力，但基于經(jīng)濟(jì)性和安全性的考慮，還是盡量保持基荷運(yùn)行[3]。美國(guó)、日本、韓國(guó)、加拿大和西班牙等國(guó)的核電機(jī)組一般不參與調(diào)峰運(yùn)行，僅通過(guò)大修方式參與電網(wǎng)季節(jié)性調(diào)峰[4]。國(guó)內(nèi)僅有部分核電機(jī)組在國(guó)慶、春節(jié)等特殊節(jié)日參與過(guò)短期降功率調(diào)峰運(yùn)行[5]。另外，目前的文獻(xiàn)中僅簡(jiǎn)單地論述了核電機(jī)組參與調(diào)峰運(yùn)行的可行性和必要性[6-10]，缺少對(duì)核電機(jī)組受調(diào)峰運(yùn)行影響的深入分析，更缺少對(duì)主汽輪機(jī)受調(diào)峰運(yùn)行影響的系統(tǒng)評(píng)估。

本文以核電機(jī)組主汽輪機(jī)為研究對(duì)象，分析調(diào)峰運(yùn)行對(duì)它的影響。首先，假定核電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行模式為日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行，并分析相應(yīng)蒸汽參數(shù)的變化情況；其次，根據(jù)蒸汽參數(shù)的變化情況，定性評(píng)估調(diào)峰運(yùn)行對(duì)主汽輪機(jī)的主要影響；最后，結(jié)合國(guó)內(nèi)外核電機(jī)組和火電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)，對(duì)上述分析和評(píng)估予以論證。調(diào)峰運(yùn)行對(duì)核電機(jī)組主汽輪機(jī)的影響分析是一個(gè)系統(tǒng)、博大的工程，本文的研究工作僅為后續(xù)分析提供初步參考。

1 調(diào)峰運(yùn)行模式及蒸汽參數(shù)變化

參考文獻(xiàn)[7-8]中關(guān)于核電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的設(shè)想，假定調(diào)峰運(yùn)行模式為“12-3-6-3”日負(fù)荷跟蹤模式，低功率水平為50%FP（滿功率），且為了便于分析暫不考慮一次調(diào)頻或二次調(diào)頻。即在負(fù)荷高峰時(shí)帶12 h滿出力100%FP，負(fù)荷下降時(shí)用3 h線性減負(fù)荷至50%FP，在50%FP低功率平臺(tái)下維持運(yùn)行6 h，最后用3 h線性加負(fù)荷至滿出力100%FP，其功率變化曲線如圖1所示。

圖1 功率變化曲線

汽輪機(jī)的功率表達(dá)式為：

式中：P為汽輪機(jī)發(fā)電功率；G為蒸汽流量；ΔHt為理想比焓降；η為相對(duì)電功率。當(dāng)主汽輪機(jī)的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，通常采用流量調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽參數(shù)基本保持不變，即ΔHt基本保持恒定。當(dāng)P變化范圍不大時(shí)，η的變化較小，則G與P之間近似成直線關(guān)系[9]。

根據(jù)弗留格爾格式，壓力和流量的關(guān)系式為：

式中：G和G′為負(fù)荷變化前后的蒸汽流量；p和p′為負(fù)荷變化前后各級(jí)前的壓力。當(dāng)主汽輪機(jī)的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，各級(jí)的流量和壓力按正比關(guān)系變化。由于主汽輪機(jī)各級(jí)大多在濕蒸汽區(qū)工作，當(dāng)壓力發(fā)生變化后，其溫度等于對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度，也隨之發(fā)生變化。

以英國(guó)通用電氣公司設(shè)計(jì)的某一典型二回路熱力系統(tǒng)[11]中的高壓缸參數(shù)為例，依據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算降功率至50%FP時(shí)蒸汽流量、溫度和壓力等參數(shù)的變化情況，如表1所示。

表1 不同功率下某高壓缸主要參數(shù)對(duì)比

由表1可知，當(dāng)汽輪機(jī)按“12-3-6-3”模式進(jìn)行日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行時(shí)，蒸汽流量、壓力、溫度等參數(shù)均發(fā)生變化，其中高壓缸進(jìn)口蒸汽的溫差可達(dá)41.89℃。這些參數(shù)的變化會(huì)不可避免地影響到主汽輪機(jī)的運(yùn)行狀況。

2 調(diào)峰運(yùn)行對(duì)主汽輪機(jī)的影響

由于調(diào)峰運(yùn)行時(shí)蒸汽的流量、壓力、溫度等參數(shù)發(fā)生變化，汽輪機(jī)的運(yùn)行狀況會(huì)受到直接影響。這些影響主要分為以下幾種類(lèi)型：熱疲勞；振動(dòng)；侵蝕；動(dòng)、靜部件間的碰磨；運(yùn)行次數(shù)增多導(dǎo)致的設(shè)備或人因故障。以下將對(duì)這幾種主要影響類(lèi)型進(jìn)行簡(jiǎn)單地分析評(píng)估。

2.1 熱疲勞

由上述分析可知，調(diào)峰運(yùn)行時(shí)蒸汽溫度隨功率水平的變化發(fā)生頻繁波動(dòng)，導(dǎo)致汽輪機(jī)通流部件表面產(chǎn)生循環(huán)的抗拉、抗壓熱應(yīng)力，消耗材料的疲勞壽命，并產(chǎn)生表面裂紋。由表1可知，流道內(nèi)進(jìn)口蒸汽的溫差可達(dá)41.89℃，因此這種低周疲勞損傷難以忽略，勢(shì)必給汽輪機(jī)部件的強(qiáng)度、使用壽命等帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的危害。

2.2 振動(dòng)

當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度發(fā)生改變，導(dǎo)致主蒸汽的流量也隨之發(fā)生變化。流量擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生汽流激振，對(duì)葉片形成強(qiáng)烈的瞬態(tài)沖擊，導(dǎo)致葉片和轉(zhuǎn)子的振動(dòng)加劇。尤其是當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不同步時(shí)，由此導(dǎo)致的汽流不均勻性更加明顯，振動(dòng)現(xiàn)象更加嚴(yán)重。對(duì)于低壓缸末級(jí)葉片，低負(fù)荷時(shí)可能在葉片根部形成回流，汽流擾動(dòng)急劇惡化，極易導(dǎo)致葉片顫振。

2.3 侵蝕

低負(fù)荷時(shí)蒸汽品質(zhì)下降、濕度增大，汽缸和葉片發(fā)生腐蝕的可能性增大。末級(jí)葉片因摩擦損失和鼓風(fēng)損失產(chǎn)生額外的熱量，通常采用水噴淋的方式進(jìn)行冷卻，但長(zhǎng)期噴淋會(huì)增大對(duì)末級(jí)葉片的沖蝕，頻繁處于干濕交替的狀態(tài)也會(huì)促進(jìn)葉片的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。另一方面，負(fù)荷發(fā)生頻繁變化時(shí)，控制閥的沖蝕和磨損程度也會(huì)相應(yīng)增大，而且蒸汽參數(shù)的頻繁波動(dòng)會(huì)促進(jìn)汽流中固體或液體顆粒物的產(chǎn)生，加大對(duì)閥門(mén)、葉片等流通部件的侵蝕程度。

2.4 動(dòng)、靜部件的碰磨

當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子和汽缸都會(huì)發(fā)生熱膨脹，但轉(zhuǎn)子通常比周?chē)潭ú考?duì)溫度變化的響應(yīng)更加敏感，如果機(jī)組的溫升率控制不當(dāng)，有可能在動(dòng)、靜部件間形成脹差，導(dǎo)致碰磨發(fā)生。另一方面，隨著負(fù)荷的變化，汽流的擾動(dòng)加劇，對(duì)轉(zhuǎn)子及葉片等部件的沖擊加強(qiáng)，會(huì)促進(jìn)旋轉(zhuǎn)部件在徑向或軸向上發(fā)生位移波動(dòng)，在局部間隙較小的位置產(chǎn)生碰磨現(xiàn)象。

2.5 運(yùn)行次數(shù)增多導(dǎo)致的設(shè)備或人因故障

調(diào)峰運(yùn)行過(guò)程中，某些調(diào)節(jié)或控制部件隨功率水平的變化而變化，相比于基荷運(yùn)行，其運(yùn)行次數(shù)大幅增加，由此導(dǎo)致某些設(shè)備故障發(fā)生的可能性也隨之增大。以調(diào)節(jié)閥為例，在調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度隨著功率的變化而變化，因此發(fā)生閥門(mén)卡澀等故障的可能性也相應(yīng)增大。同理，相比于基荷運(yùn)行，調(diào)峰運(yùn)行時(shí)人為因素介入的程度也大大增加，由此發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增大。

3 經(jīng)驗(yàn)反饋

3.1 國(guó)內(nèi)外核電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

目前僅有法國(guó)的核電機(jī)組具有長(zhǎng)期調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)和其他國(guó)家的核電機(jī)組僅參與過(guò)短期的調(diào)峰運(yùn)行。由于受到保密和技術(shù)出口的限制，目前難以獲取法國(guó)核電機(jī)組詳細(xì)的調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)，僅有的資料顯示表明，調(diào)峰運(yùn)行對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥、低壓缸末級(jí)葉片等部件均具有直接影響，其中又以低壓缸末級(jí)葉片最需要引起關(guān)注。末級(jí)葉片處的蒸汽回流不僅發(fā)生在葉片底部，同時(shí)也會(huì)發(fā)生在葉片頂部，強(qiáng)烈的回流現(xiàn)象導(dǎo)致葉片嚴(yán)重自熱，并加劇葉片的顫振乃至斷裂；又由于引入了噴水減溫裝置，因此對(duì)葉片的沖擊和水蝕也更為嚴(yán)重。

美國(guó)核動(dòng)力研究院曾公開(kāi)過(guò)一份關(guān)于核電站向靈活功率運(yùn)行過(guò)渡方法的技術(shù)報(bào)告，報(bào)告中表明：靈活功率運(yùn)行會(huì)造成更加頻繁的熱力和機(jī)械瞬態(tài)工況，對(duì)主汽輪機(jī)的影響主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)增加、效率下降、葉片腐蝕開(kāi)裂、閥門(mén)磨損增加、末級(jí)葉片侵蝕加劇等方面，并提出了加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、改進(jìn)材料、建立故障高發(fā)的功率隔離區(qū)等解決措施。

圖2 變負(fù)荷運(yùn)行期間的汽輪機(jī)故障類(lèi)型統(tǒng)計(jì)

國(guó)內(nèi)核電機(jī)組僅有少量的短期降功率調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)國(guó)內(nèi)部分核電機(jī)組近5年來(lái)變負(fù)荷運(yùn)行期間的故障案例進(jìn)行了梳理，主要關(guān)注變負(fù)荷運(yùn)行對(duì)主汽輪機(jī)的影響。依據(jù)梳理的結(jié)果繪制了變負(fù)荷運(yùn)行期間的汽輪機(jī)故障類(lèi)型統(tǒng)計(jì)圖，如圖2所示。

由圖2可知，變負(fù)荷運(yùn)行期間汽輪機(jī)故障次數(shù)最多的是軸承動(dòng)靜碰磨（共發(fā)生4次）和調(diào)節(jié)閥故障（共發(fā)生6次），致使軸承動(dòng)靜碰磨的原因包括負(fù)荷變化引起的膨脹不均、蒸汽流量變化引起的沖擊擾動(dòng)等；導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥故障的原因包括負(fù)荷變化引起的液滴及顆粒侵蝕加重、熱疲勞加劇、運(yùn)行次數(shù)增大導(dǎo)致的設(shè)備或人為因素故障概率增大等。調(diào)峰運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷頻繁變化，上述影響更為嚴(yán)重，導(dǎo)致汽輪機(jī)部件發(fā)生故障的可能性也更大，需要引起技術(shù)人員的重視。

3.2 火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

調(diào)峰運(yùn)行雖然在核電機(jī)組上的經(jīng)驗(yàn)反饋較少，但是在火電機(jī)組上已有豐富的實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[12-15]，因此火電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋也能對(duì)核電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行起到重要的參考作用。本文選取NERC（北美電力可靠性協(xié)會(huì)）收集的1984—2003年全球數(shù)百家火電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注調(diào)峰運(yùn)行對(duì)主汽輪機(jī)的影響。

NERC對(duì)這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，分為前后2個(gè)10年周期（1984—1993年、1994—2003年）和2種運(yùn)行模式（基荷運(yùn)行、循環(huán)運(yùn)行）的機(jī)組，其中，基荷運(yùn)行指按基本負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組，循環(huán)運(yùn)行指按負(fù)荷跟蹤模式運(yùn)行或多次啟停的機(jī)組。分析表明，循環(huán)運(yùn)行對(duì)主汽輪機(jī)的影響主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)振動(dòng)增大和低壓缸軸承、再熱主汽門(mén)、調(diào)速系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥、主汽門(mén)故障增多等方面。圖3為NERC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中汽輪機(jī)故障類(lèi)型統(tǒng)計(jì)圖，分別顯示了不同時(shí)間周期和不同運(yùn)行模式機(jī)組的汽輪機(jī)主要故障類(lèi)型所導(dǎo)致的停機(jī)率[15]。

由圖3可知，潤(rùn)滑油系統(tǒng)問(wèn)題、汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)、低壓缸軸承故障、汽輪機(jī)再熱主汽門(mén)故障、汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥故障是循環(huán)運(yùn)行模式下汽輪機(jī)停機(jī)率較高的幾種故障類(lèi)型。相比于同期基荷運(yùn)行模式，循環(huán)運(yùn)行模式下的汽輪機(jī)振動(dòng)、低壓缸軸承、再熱主汽門(mén)、調(diào)速系統(tǒng)、汽輪機(jī)管道等故障所導(dǎo)致的汽輪機(jī)停機(jī)率更高。這表明，負(fù)荷變化對(duì)汽輪機(jī)的影響不容忽視，應(yīng)對(duì)上述主要故障類(lèi)型進(jìn)行深入分析，并提出合理有效的解決措施。

3.3 小結(jié)

圖3 NERC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中汽輪機(jī)故障類(lèi)型統(tǒng)計(jì)

通過(guò)已有的經(jīng)驗(yàn)反饋表明，調(diào)峰運(yùn)行對(duì)主汽輪機(jī)的影響不容忽視，且這些影響主要集中在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥、末級(jí)葉片、軸承等關(guān)鍵部位。

此外，文中雖然引入了部分火電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)，但火電機(jī)組與核電機(jī)組的運(yùn)行方式和調(diào)峰模式有所區(qū)別，需要辯證看待。一方面，火電機(jī)組汽輪機(jī)的蒸汽溫度更高，由此導(dǎo)致的熱應(yīng)力和高溫蠕變等問(wèn)題更為突出，而核電機(jī)組汽輪機(jī)葉片更長(zhǎng)、蒸汽濕度更大，由此導(dǎo)致的末級(jí)葉片沖蝕、濕汽損失等問(wèn)題更為嚴(yán)重；并且火電機(jī)組多采用滑壓運(yùn)行的方式參與調(diào)峰運(yùn)行，與目前分析中所假定的調(diào)峰運(yùn)行模式有較大不同。另一方面，火電機(jī)組和核電機(jī)組對(duì)安全性方面的要求也有所區(qū)別，與火電機(jī)組相比，核電機(jī)組對(duì)安全性的要求更高，因此相應(yīng)的調(diào)峰運(yùn)行策略要更為保守。

4 結(jié)語(yǔ)

本文參考相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)核電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的描述，假定調(diào)峰運(yùn)行模式為“12-3-6-3”日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行，低功率水平為50%FP，分析了該模式下主要蒸汽參數(shù)的變化情況，并據(jù)此評(píng)估了對(duì)主汽輪機(jī)影響的幾種主要類(lèi)型。然后結(jié)合國(guó)內(nèi)外核電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，證明上述影響確實(shí)存在，并篩選出主要的影響部件是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥、末級(jí)葉片和軸承等，最后引入火電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋對(duì)上述分析予以補(bǔ)充。

結(jié)論表明：核電機(jī)組參與調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，蒸汽的流量、壓力、溫度等參數(shù)都會(huì)發(fā)生明顯變化，對(duì)主汽輪機(jī)的影響主要包含熱疲勞、振動(dòng)、侵蝕、動(dòng)靜碰磨、運(yùn)行次數(shù)增多導(dǎo)致的設(shè)備或人為因素故障等方面，主要影響部件包括汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥、低壓缸末級(jí)葉片和軸承等。

調(diào)峰運(yùn)行對(duì)核電主汽輪機(jī)的影響是一個(gè)需要深入論證的問(wèn)題，本文受限于能力及參考資料的匱乏，僅對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了嘗試性的研究。為推動(dòng)后續(xù)進(jìn)一步的分析，有以下2點(diǎn)建議可供參考：首先是建立更加準(zhǔn)確的汽輪機(jī)調(diào)峰運(yùn)行模型，通過(guò)熱力系統(tǒng)計(jì)算或軟件模擬的方法，詳細(xì)分析負(fù)荷變化時(shí)蒸汽參數(shù)的變化情況，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。其次是調(diào)研更廣泛的參考資料和經(jīng)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)反映出調(diào)峰運(yùn)行對(duì)主汽輪機(jī)的影響情況。