再熱蒸汽溫度控制對(duì)核電機(jī)組運(yùn)行可靠性的影響

鮑旭東，顏鐵光

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再熱蒸汽溫度控制對(duì)核電機(jī)組運(yùn)行可靠性的影響

鮑旭東，顏鐵光

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

某核電百萬等級(jí)汽輪機(jī)在啟動(dòng)和停機(jī)過程中，發(fā)生了多起與汽水分離再熱器（MSR）系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備故障和非計(jì)劃停機(jī)運(yùn)行事件。通過電廠設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)行事故過程的分析發(fā)現(xiàn)，MSR系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行操作對(duì)汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行有重大影響，需要優(yōu)化MSR再熱蒸汽溫度控制方式，評(píng)估再熱器管板溫度變化超限對(duì)設(shè)備可靠性的影響。由于高中壓汽缸蒸汽參數(shù)的變化過快易引起汽缸熱應(yīng)力過大甚至變形，在汽輪機(jī)設(shè)備啟停和低負(fù)荷運(yùn)行期間，需要重點(diǎn)關(guān)注MSR再熱蒸汽溫度控制不當(dāng)可能會(huì)引發(fā)汽缸變形和動(dòng)靜碰磨的問題。

汽水分離再熱器；再熱蒸汽溫度；汽輪機(jī)；高中壓汽缸；熱膨脹

1 設(shè)備概述

某核電廠的2臺(tái)百萬千瓦級(jí)核電汽輪機(jī)組技術(shù)采用引進(jìn)法國ALSTOM半轉(zhuǎn)速（1 500 r/min）ARABELLE機(jī)型，每臺(tái)汽輪機(jī)由1個(gè)高壓缸（HP）、1個(gè)中壓缸（IP）和2個(gè)雙流低壓缸（LP）組成，配套2臺(tái)汽水分離再熱器（MSR）設(shè)備。新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸做功后的排汽被引入MSR進(jìn)行汽水分離，經(jīng)兩級(jí)再熱器加熱后的再熱蒸汽進(jìn)入中壓缸繼續(xù)做功（圖1）。MSR的分離器、一級(jí)和二級(jí) 再熱器分別設(shè)置有獨(dú)立的疏水箱及疏排水系統(tǒng)，其中分離器的殼體疏水箱設(shè)置有高高液位跳機(jī)保護(hù)，防止汽輪機(jī)進(jìn)水。

高中壓汽缸缸體為單層的薄壁結(jié)構(gòu)，由高中壓外汽缸（低合金鋼鑄件）與中壓排汽缸（普通碳素鑄鋼鑄件）兩部分組合而成，兩上下汽缸的垂直中分面用螺栓連接成為整個(gè)外缸的上下兩半，然后水平中分面用大螺栓緊固為一體[1]。高壓缸為9級(jí)通流、中壓缸為4級(jí)通流，進(jìn)汽口位于高中壓汽缸的中部，做功蒸汽在缸體內(nèi)相向流動(dòng)，高、中壓排汽分別位于汽缸兩端。采用合缸結(jié)構(gòu)的高中壓汽缸結(jié)構(gòu)尺寸較大且復(fù)雜，汽缸內(nèi)部通流部件的溫度場較為復(fù)雜。外汽缸上設(shè)有高壓進(jìn)排汽口、中壓進(jìn)排汽口、抽汽口等多個(gè)大口徑管道接口（圖2）。管道在冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)，分別在汽缸接口位置產(chǎn)生作用力，其大小和方向不僅影響汽缸的穩(wěn)定性，還影響汽缸接口處的強(qiáng)度[2-3]，也會(huì)對(duì)汽缸熱脹冷縮產(chǎn)生約束。

圖1 高中壓汽缸和MSR系統(tǒng)布置

圖2 高中壓合缸模塊縱向剖面

2 MSR運(yùn)行方式的影響

2.1 MSR再熱溫度控制的方式

核電機(jī)組通過MSR的汽水分離和兩級(jí)再熱提升中壓缸或低壓缸入口蒸汽溫度，以提高汽輪機(jī)組的循環(huán)熱效率，降低排汽濕度，減少汽輪機(jī)零部件的腐蝕，提高機(jī)組的運(yùn)行可靠性。由圖1可見：MSR一級(jí)再熱器的加熱汽源取自高壓缸抽汽，一級(jí)再熱蒸汽閥GSS111VV/112V不進(jìn)行調(diào)節(jié)；二級(jí)再熱器的加熱汽源取自主蒸汽，再熱蒸汽溫度由壓力控制閥GSS001VV/002VV進(jìn)行調(diào)節(jié)。MSR出口的再熱蒸汽溫度控制通過調(diào)節(jié)二級(jí)加熱蒸汽壓力的方式間接實(shí)現(xiàn)，將壓力信號(hào)作為被調(diào)量是因?yàn)閴毫π盘?hào)響應(yīng)時(shí)間短。MSR啟動(dòng)狀態(tài)取決于二級(jí)再熱器的管板溫度，當(dāng)管板溫度低于120 ℃時(shí)，二級(jí)管束需要進(jìn)行通風(fēng)和預(yù)熱。通過二級(jí)再熱壓力控制閥調(diào)節(jié)蒸汽壓力。隨著管板溫度上升，二級(jí)再熱壓力逐漸降低至與暖管要求相適應(yīng)的最小值（約為200 kPa），二級(jí)再熱管板溫度高于140 ℃時(shí)預(yù)熱自動(dòng)停止，汽輪機(jī)可以啟動(dòng)[4]，圖3為MSR溫度和壓力參數(shù)控制曲線。由圖3可見：在并網(wǎng)升負(fù)荷階段，二級(jí)再熱蒸汽壓力控制閥根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化逐漸打開，控制二級(jí)再熱管板的溫度上升；當(dāng)機(jī)組在70%額定負(fù)荷以上時(shí)，2個(gè)壓力控制閥全開；在降負(fù)荷階段，機(jī)組降至70%額定負(fù)荷以下時(shí)，MSR壓力控制閥開始關(guān)閉。一級(jí)再熱器的加熱蒸汽不進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨汽輪機(jī)啟停自動(dòng)投入運(yùn)行。

圖3 MSR溫度和壓力參數(shù)控制曲線

依據(jù)汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行操作規(guī)定，當(dāng)汽輪機(jī)中壓進(jìn)汽法蘭中間壁金屬溫度低于150℃時(shí)，機(jī)組為冷態(tài)啟動(dòng)；高于150℃時(shí)，機(jī)組為熱態(tài)啟動(dòng)。上述MSR啟動(dòng)過程中，二級(jí)再熱蒸汽壓力控制閥根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化逐漸打開，而且二級(jí)再熱管板溫度高于140 ℃時(shí)停止預(yù)熱，并未充分考慮在啟動(dòng)前進(jìn)入中壓汽缸進(jìn)口溫度與汽輪機(jī)啟動(dòng)的冷熱狀態(tài)相匹配的問題。某臺(tái)引進(jìn)美國西屋三十萬核電機(jī)組，為了確保各種運(yùn)行工況下進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽溫度與汽缸狀態(tài)相匹配，采用直接測量MSR出口蒸汽溫度進(jìn)行閉環(huán)控制方式，并設(shè)置自動(dòng)控制模式，如將MSR自動(dòng)控制模式細(xì)分為冷態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)、滑溫、基本負(fù)荷運(yùn)行、低負(fù)荷和脫扣停機(jī)等模式以控制MSR出口蒸汽溫度變化速率不超過56℃/h[5]。

2.2 MSR再熱器管板溫度的變化

MSR一、二級(jí)再熱器管束都為U型鐵素體不銹鋼翅片換熱管，加熱蒸汽沿著水平U型管束由高向低流動(dòng)。由于MSR的一級(jí)再熱器的加熱汽源無法調(diào)節(jié)，也未設(shè)置預(yù)熱系統(tǒng)，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)升速至1 500 r/min和并網(wǎng)帶初始負(fù)荷過程中，一級(jí)再熱蒸汽溫度均出現(xiàn)躍升趨勢，造成一級(jí)再熱器管板溫度隨之快速變化。由圖4可見：機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)的升速過程中，一級(jí)再熱器管板溫度由47.79 ℃上升至87.5 ℃，最大上升速度4.58 ℃/min；機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，因一級(jí)再熱器管板溫度維持較高水平（約125.5 ℃），在沖轉(zhuǎn)過程中管板溫度出現(xiàn)下降趨勢，而在并網(wǎng)帶初始負(fù)荷過程中又從92.28 ℃快速回升，一級(jí)再熱器管板溫度瞬時(shí)最大上升速率達(dá)到了3.84 ℃/min。如果沖轉(zhuǎn)前或在并網(wǎng)前的一級(jí)再熱管板溫度較低，則當(dāng)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)升速率或升負(fù)荷速率過快時(shí)，一級(jí)再熱管板溫度的上升速率也較大。查詢某機(jī)組多次啟動(dòng)過程的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，在一次機(jī)組并網(wǎng)帶初始負(fù)荷過程中一級(jí)再熱器管板溫度瞬時(shí)最大變化速率達(dá)到了5.09 ℃/min。相對(duì)而言，由于二級(jí)再熱器投入前須進(jìn)行管束預(yù)熱，在沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)過程中二級(jí)再熱器管板溫度變化幅度不大，但如果管板溫度控制偏高，會(huì)出現(xiàn)管板溫度先降后升的小幅度變化趨勢。

根據(jù)制造廠的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)要求，MSR的再熱器管板溫度的溫升率控制在4 °C/min內(nèi)[6]。MSR管板溫度變化的幅度過大或交替變化，會(huì)造成材料熱疲勞，同時(shí)也會(huì)在管束、管板等構(gòu)件的焊縫處產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，造成構(gòu)件產(chǎn)生變形甚至焊縫開裂引起泄漏。參照某核電廠百萬汽輪機(jī)組的配套設(shè)計(jì)，MSR的一級(jí)再熱器設(shè)有新蒸汽后備系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可用于一級(jí)再熱器的預(yù)熱，還可用于防止機(jī)組負(fù)荷小于35%額定負(fù)荷且再熱管板溫度高于130℃時(shí)傳熱管的過度冷卻[7]。

2.3 MSR殼體及再熱器疏排水系統(tǒng)的可靠性

某核電站二期１號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組的MSR系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)質(zhì)量缺陷、疏水管道布置及疏水調(diào)節(jié)等設(shè)計(jì)問題，導(dǎo)致發(fā)生多次抽汽再熱器（第一級(jí)）、新蒸汽再熱器（第二級(jí)）隔離，甚至發(fā)生機(jī)組跳閘事件，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行造成了很大的影響[8]。機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行期間，MSR的一、二級(jí)再熱器的疏水排放和掃排氣需進(jìn)行正常管線與緊急管線之間的切換，切換操作會(huì)對(duì)一、二級(jí)再熱疏水箱液位控制產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響，容易引起疏水箱液位連續(xù)波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)設(shè)備故障，危及機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此，操縱員必須特別關(guān)注升降至30%功率左右時(shí)MSR系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化，避免MSR再熱器排汽和疏水系統(tǒng)異常，引發(fā)機(jī)組瞬態(tài)和不穩(wěn)定運(yùn)行。由于在低負(fù)荷工況（30%額定負(fù)荷）下，MSR二級(jí)再熱疏水壓力和焓值較低，同樣的高差下疏水閃蒸比例大。特別是要防止MSR殼體壓力變化快導(dǎo)致殼體疏水箱上部空間出現(xiàn) 蒸汽大量閃蒸現(xiàn)象，以免殼體液位測量受到嚴(yán)重干擾[9-10]。

3 MSR對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行的影響

3.1 汽輪機(jī)啟動(dòng)、升負(fù)荷階段的影響

某核電廠的2號(hào)機(jī)組調(diào)停小修后冷態(tài)啟動(dòng)，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)后，功率以3 MW/min速率升至 330 MW過程中，高中壓汽缸的1、2號(hào)軸承振動(dòng)值出現(xiàn)爬升現(xiàn)象，操縱員降低負(fù)荷試圖穩(wěn)定振動(dòng)值，但在短暫穩(wěn)定后振動(dòng)值仍繼續(xù)上升到182 μm，操縱員被迫手動(dòng)打閘停機(jī)（圖5）。經(jīng)過振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，機(jī)組功率升至330 MW左右時(shí)，1、2號(hào)軸承的、方向一倍頻振動(dòng)幅值成倍增大，相位也快速變化，由此判斷高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了動(dòng)靜碰磨和熱彎曲現(xiàn)象。停機(jī)后經(jīng)過24 h連續(xù)盤車，消除 高中壓轉(zhuǎn)子熱彎曲，再次重新沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)，以1 MW/min的速率升負(fù)荷至滿負(fù)荷過程中，2號(hào)汽輪機(jī)各軸瓦振動(dòng)正常。由圖5可見：由于汽輪機(jī)軸封蒸汽（溫度為188 ℃）通過兩端軸封進(jìn)入高中壓汽缸，在沖轉(zhuǎn)前使高、中壓排汽缸溫度分別升高到95、106 ℃左右；在沖轉(zhuǎn)過程中，高壓排汽缸溫度先下降后隨著進(jìn)汽流量增加而上升；中壓排汽缸溫度下降趨勢則較慢，直到并網(wǎng)升負(fù)荷后，MSR二級(jí)再熱器投入，隨著中壓缸進(jìn)汽蒸汽溫度上升而升高。這主要是由于汽輪機(jī)在1 500 r/min空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)入高中壓汽缸做功蒸汽較少，受轉(zhuǎn)子葉片鼓風(fēng)效應(yīng)影響，高中壓排汽缸維持較高溫度。并網(wǎng)后隨著進(jìn)汽流量的增加，汽缸被蒸汽冷卻出現(xiàn)溫度下降的趨勢，這也反映出汽輪機(jī)啟動(dòng)及低負(fù)荷運(yùn)行階段時(shí)高中壓汽缸內(nèi)部流場和溫度場變化的復(fù)雜性，其不僅與進(jìn)入高中壓汽缸的蒸汽流量、溫度參數(shù)變化有關(guān)，還與MSR高中壓汽缸之間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置有關(guān)。由于該單層薄壁的高中壓汽缸的結(jié)構(gòu)尺寸較大且復(fù)雜、剛性差[11]，當(dāng)進(jìn)入汽缸的蒸汽溫度變化過快時(shí)，若出現(xiàn)汽缸受力不均或熱膨脹受阻現(xiàn)象，會(huì)造成汽缸變形量過大而引起動(dòng)靜部件徑向間隙消失，在高中壓汽缸的端部及中間軸封部位發(fā)生動(dòng)靜碰磨進(jìn)而引發(fā)機(jī)組振動(dòng)問題。為此，需在機(jī)組并網(wǎng)至低負(fù)荷運(yùn)行階段，密切監(jiān)控MSR再熱蒸汽溫度控制情況，并根據(jù)機(jī)組振動(dòng)變化趨勢，及時(shí)保持負(fù)荷進(jìn)行充分曖機(jī)，以確保汽缸膨脹順暢。

圖5 2號(hào)汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過程參數(shù)曲線

3.2 汽輪機(jī)降負(fù)荷、停機(jī)階段的影響

某核電廠的1號(hào)機(jī)組按計(jì)劃停機(jī)檢修，當(dāng)汽輪機(jī)從30%降負(fù)荷時(shí)，因MSR的二級(jí)再熱疏水箱液位計(jì)發(fā)生故障，造成疏水箱液位控制失效，觸發(fā)MSR二級(jí)再熱加熱進(jìn)汽閥自動(dòng)關(guān)閉。因2臺(tái)MSR二級(jí)再熱器同時(shí)停止加熱，中壓缸進(jìn)汽溫快速下降，與此同時(shí)汽輪機(jī)高中壓汽缸前后的1、2號(hào)軸承振動(dòng)值開始上升到高報(bào)警值（90mm）。由于中壓缸進(jìn)汽參數(shù)大幅下降的影響，汽缸體金屬溫度與蒸汽溫度的差值較大，產(chǎn)生劇烈的對(duì)流換熱，引起低壓缸內(nèi)壁及通流部件的冷卻收縮。此機(jī)組在降負(fù)荷過程中發(fā)生高中壓汽缸前后軸承振動(dòng)上升與中壓汽缸進(jìn)汽溫度快速下降的變化趨勢有相關(guān)性。根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究分析，由于核電汽輪機(jī)的汽缸尺寸大，上下缸同一橫截面的溫差為10 ℃左右，將引起約10%的間隙變化。特別在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)疏水不及時(shí)，會(huì)出現(xiàn)汽缸受熱不均，造成上下缸溫差變大，極易引起汽缸變形而產(chǎn)生動(dòng)靜部件碰磨。如果轉(zhuǎn)軸本身溫度較高，再附加摩擦的熱效應(yīng)，以及材料隨溫度升高，屈服極限明顯下降，一旦發(fā)生轉(zhuǎn)軸局部動(dòng)靜摩擦，很容易產(chǎn)生塑性彎曲變形[13-14]。轉(zhuǎn)子熱彎曲將會(huì)加劇轉(zhuǎn)軸動(dòng)靜碰磨，必然發(fā)生汽輪機(jī)軸承振動(dòng)值快速上升而停機(jī)。

4 結(jié)論與建議

1）MSR設(shè)備及其疏排水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，對(duì)于汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。若MSR再熱器加熱蒸汽溫度控制不當(dāng)，不僅影響MSR設(shè)備自身的可靠性，還會(huì)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。特別是在機(jī)組啟停和低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，若MSR出口蒸汽溫度變化過快，會(huì)使中壓缸內(nèi)壁溫度隨蒸汽溫度變化較快，易產(chǎn)生較大的熱變形和熱應(yīng)力。一旦出現(xiàn)局部動(dòng)靜碰磨會(huì)引起轉(zhuǎn)子熱彎曲，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)振動(dòng)劇烈而故障停機(jī)，直接威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。

2）通過調(diào)節(jié)二級(jí)加熱蒸汽壓力的方式來間接控制MSR出口的再熱蒸汽溫度，壓力信號(hào)控制響應(yīng)快，且控制邏輯簡單易實(shí)現(xiàn)，但是未充分考慮汽輪機(jī)的各種運(yùn)行工況（例如冷態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)、低負(fù)荷等）。需要優(yōu)化MSR再熱溫度的自動(dòng)控制策略，以確保任何情況下進(jìn)入汽輪機(jī)中壓缸的蒸汽溫度與汽缸溫度相匹配。

3）MSR設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，在機(jī)組啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)過程和并網(wǎng)帶初始負(fù)荷時(shí)，一級(jí)再熱器管板溫度的瞬時(shí)溫升率>4 ℃/min限制值。因MSR管板溫度變化的幅度過大以及出現(xiàn)溫度交替變化，會(huì)造成管束、管板等構(gòu)件材料熱疲勞，甚至焊縫開裂引起泄漏。需評(píng)估管板溫度變化率瞬時(shí)超限對(duì)一級(jí)再熱器的影響，重視此問題存在對(duì)MSR設(shè)備可靠性的影響，必要時(shí)可考慮增加一級(jí)再熱器預(yù)熱。

4）針對(duì)機(jī)組出現(xiàn)瞬態(tài)工況（負(fù)荷快速下降）時(shí)MSR系統(tǒng)的疏排水箱會(huì)發(fā)生疏水閃蒸現(xiàn)象，運(yùn)行操作時(shí)要確保疏水箱液位測量和液位調(diào)節(jié)功能正常，避免發(fā)生觸發(fā)疏水箱液位高高保護(hù)信號(hào)誤動(dòng)作而造成MSR單級(jí)再熱器被隔離，甚至導(dǎo)致跳機(jī)事件。

5）針對(duì)MSR設(shè)置在高中壓缸之間的汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在機(jī)組啟停和變工況運(yùn)行過程中，要做好運(yùn)行操作風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)對(duì)措施，密切監(jiān)視MSR系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化趨勢，以及汽缸膨脹和高中壓汽缸軸承振動(dòng)變化趨勢。機(jī)組并網(wǎng)后升負(fù)荷階段要充分暖機(jī)，避免汽缸熱脹冷縮過快；在機(jī)組降負(fù)荷階段，要確保MSR系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，避免再熱蒸汽溫度變化過快而影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

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Effect of reheat steam temperature control on operation reliability of nuclear power units

BAO Xudong, YAN Tieguang

(CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., Haiyan 314300, China)

During the start-up and shutdown process of a 1 000 MW nuclear power unit, multiple equipment failures and unplanned downtime events related to the moisture separator reheater (MSR) system occurred. Analysis on the operating data and operating failures process shows that, the operation of MSR system has great influence on safe and stable operation of the turbine. The reheat steam temperature control mode of the MSR system needs to be optimized and the effect of over-limiting temperature variation of reheat tube plate on equipment reliability need to be evaluated. Because the drastic change of steam parameters is likely to cause deformation of the high/intermediate pressure cylinder body during the unit start/shutdown and low load operation, it is necessary to focus on the problem of cylinder deformation and rubbing caused by improper control of temperature control for MSR reheat steam.

MSR, reheat steam temperature, steam turbine, HIP casing, thermal expansion

TK284.1

B

10.19666/j.rlfd.201810203

鮑旭東, 顏鐵光. 再熱蒸汽溫度控制對(duì)核電機(jī)組運(yùn)行可靠性的影響[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 102-107. BAO Xudong, YAN Tieguang. Effect of reheat steam temperature control on operation reliability of nuclear power units[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 102-107.

2018-10-25

鮑旭東(1966—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向核電設(shè)備可靠性管理，baoxd@cnnp.com.cn。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）