鄧曉暉 徐仕海

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

核電汽輪機(jī)中壓蝶閥卡澀的超速分析

鄧曉暉 徐仕海

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章利用能量轉(zhuǎn)換定律，建立簡化模型，定性分析了核電汽輪機(jī)中壓蝶閥一旦出現(xiàn)卡澀時，各種因素疊加所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子超速問題，并通過實(shí)例計(jì)算出百萬等級核電機(jī)組中壓蝶閥一旦出現(xiàn)不能關(guān)閉的情況下所能預(yù)見的最大超速值。也從側(cè)面計(jì)算出半轉(zhuǎn)速百萬級核電汽輪機(jī)在無中壓蝶閥下的超速情況。

核電；超速；中壓蝶閥；甩負(fù)荷

0 前言

核電汽輪機(jī)組的最大特點(diǎn)是正常運(yùn)行于濕蒸汽區(qū)，由于進(jìn)汽參數(shù)比較低，相應(yīng)有效熱焓降較小，導(dǎo)致進(jìn)汽質(zhì)量流量比較大。比較成熟的百萬千萬級核電汽輪機(jī)組和百萬千萬級火電機(jī)組后，可以看出其進(jìn)汽流量幾乎相當(dāng)于相同火電機(jī)組的一倍。 這也是核電汽輪機(jī)組的尺寸 （包括進(jìn)出主管道）比相同功率火電機(jī)組大得多的原因。濕蒸汽汽輪機(jī)一旦甩去全負(fù)荷 （或甩負(fù)荷到廠用電及調(diào)試中的甩 50%負(fù)荷）后， 由于高壓主汽閥的迅速關(guān)閉，使貯存在汽輪機(jī)腔室內(nèi)的凝結(jié)水隨附加的蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)共同做功，所以濕蒸汽汽輪機(jī)在甩負(fù)荷后一般比相同容量的火電機(jī)組所產(chǎn)生的對轉(zhuǎn)子扭矩要大得多。蒸汽在核電汽輪機(jī)組高壓缸做功后，在蒸汽排入中、低壓缸前，對高壓缸排汽需要進(jìn)行除濕及再熱，即高、中壓缸之間或高、 低壓缸之間設(shè)置汽水分離再熱器 （MSR）來實(shí)現(xiàn)這個功能， 同時在MSR 進(jìn)入中壓缸之前的管道上設(shè)置中壓蝶閥以進(jìn)行快關(guān)和調(diào)節(jié)操作，以避免汽輪機(jī)超速過高以及避免引起MSR 超壓。

國外核電汽輪機(jī)項(xiàng)目中不裝中壓蝶閥的超速情況 （計(jì)算值）見表1。

表1 國外核電站不裝中壓蝶閥的超速情況（計(jì)算值）

國外核電站加裝中壓蝶閥后的超速情況 （計(jì)算值）見表2。

表2 國外核電站加裝中壓蝶閥的超速比較 （計(jì)算值）

如上所述，中壓蝶閥在核電機(jī)組中的作用舉足輕重，一旦運(yùn)行中的中壓蝶閥出現(xiàn)卡澀不能關(guān)閉故障，在機(jī)組甩負(fù)荷中勢必引起汽輪機(jī)組的超速。因而對中壓蝶閥卡澀時機(jī)組的分析就很有必要。超速的程度本文將通過對某百萬千萬級核電汽輪機(jī)機(jī)型的定量計(jì)算來進(jìn)行說明。

1 超速分析模型建立

本文中要討論的百萬千萬級核電汽輪機(jī)組是由一個高中壓合缸、兩個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 MSR， 高排蒸汽進(jìn)入每個 MSR 前均設(shè)置兩組中壓蝶閥，即單臺機(jī)組配置4組中壓蝶閥。

在分析中壓蝶閥卡澀故障導(dǎo)致超速風(fēng)險分析前，需要先了解幾個前提。

1.1 核電汽輪機(jī)的工作原理

核電汽輪機(jī)為常規(guī)島部分最核心的轉(zhuǎn)動機(jī)械，微觀一點(diǎn)來看汽輪機(jī)是由若干個 “級” 組成的，結(jié)構(gòu)上它是由靜葉柵 （噴嘴柵） 和對應(yīng)的動葉柵組成， 通過多個級將工質(zhì) （蒸汽）的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠啓C(jī)機(jī)械能的一個能量轉(zhuǎn)換過程。宏觀上來看機(jī)組的做功過程如圖1所示。

圖1 機(jī)組做功過程圖

從圖1中可看出，來自蒸汽發(fā)生器二回路的主蒸汽，通過4組高壓主汽調(diào)節(jié)閥后，蒸汽先在高壓缸內(nèi)連續(xù)膨脹做功，繼而在中壓缸，之后并行地在兩個低壓缸內(nèi)膨脹做功。在高壓缸排汽口和中壓缸進(jìn)汽口之間，蒸汽通過汽水分離再熱器（MSR）。 在 MSR 中， 蒸汽在被 7 段高壓抽汽和主蒸汽 （主汽閥上游）連續(xù)再熱之前分離掉其中的大部分水。蒸汽膨脹做功期間，部分蒸汽被多級回?zé)徇B續(xù)抽取供給水再熱用。

1.2 核電汽輪機(jī)組甩負(fù)荷過程

這里主要討論的是甩全負(fù)荷。甩全負(fù)荷是指在汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)向外界供電過程中，突然甩去全部用戶 （負(fù)荷）。 對于核電汽輪機(jī)來講， 甩完全負(fù)荷后為空轉(zhuǎn)狀態(tài)， DCS控制邏輯在此時關(guān)閉高壓主汽調(diào)節(jié)閥和中壓蝶閥。由于甩全負(fù)荷是在瞬態(tài)下甩去全部負(fù)荷，而汽輪機(jī)進(jìn)汽通過各閥門有關(guān)閉時間差，勢必導(dǎo)致有部分蒸汽繼續(xù)推動轉(zhuǎn)子做功，疊加原轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)動，必然引起超速。

1.3 超速

汽輪機(jī)超速是相對于額定轉(zhuǎn)速而言的，本文要討論的核電機(jī)組為半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min， 超速即轉(zhuǎn)速大于 1500r/m in， 角速度大于 157.08rad/s。

1.4 超速模型的建立

汽輪機(jī)最大超速發(fā)生在從額定功率甩全負(fù)荷過程中：甩全負(fù)荷發(fā)生時，高壓主汽調(diào)節(jié)閥中的主汽閥由全開快關(guān)，部分蒸汽連同之前已經(jīng)在高壓缸內(nèi)的蒸汽共同在高壓缸內(nèi)做功，經(jīng)高排后蒸汽進(jìn)入 MSR 再熱后進(jìn)中壓蝶閥。 此時考慮最壞的情況為4組中壓蝶閥均卡澀不能關(guān)閉，所有抽汽止回閥此時也卡澀不能關(guān)閉。因而蒸汽通過中壓蝶閥直接進(jìn)入中壓缸繼續(xù)做功，最后到低壓缸做功。

通過上面的分析，可以利用能量轉(zhuǎn)化的原理來建立一個超速模型：從高壓主汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)入的蒸汽到低壓缸排汽后能量總的變化值△Q理論上會等于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的動能值。利用這個等式可以求得轉(zhuǎn)子在甩全負(fù)荷時的轉(zhuǎn)速?？偰Ｐ徒⒑?，還要考慮這個等式只是理論上的，單純蒸汽前后能量的變化轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動能的效率不可能是100%， 因而首先要估算轉(zhuǎn)化效率 η。

1.4.1 △Q 的計(jì)算

根據(jù)前面所述，參與甩負(fù)荷過程中做功的蒸汽經(jīng)歷以下幾個過程：

（1）甩負(fù)荷中， 由于高壓主汽調(diào)節(jié)閥延遲關(guān)閉，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽繼續(xù)做功；

（2）甩負(fù)荷中， 留在汽輪機(jī)各腔室內(nèi)和管道內(nèi)的剩余汽體，在高壓主汽調(diào)節(jié)閥關(guān)畢后繼續(xù)做功；

（3）甩負(fù)荷中， 汽輪機(jī)各腔室和管道內(nèi)的凝結(jié)水，閃蒸流入下一級做功。

于是，參與甩負(fù)荷各個狀態(tài)的蒸汽最終以等熵過程回到低壓缸排汽狀態(tài)，因而此過程單位質(zhì)量蒸汽能量的變化△Qi等于 等熵焓變△Hi， 下 面為簡化后的各個狀態(tài)相對于低壓缸排汽焓的等熵焓差：

（1）高壓主汽調(diào)節(jié)閥快關(guān)過程蒸汽量分兩個階段： 快關(guān)延遲、 快關(guān)， 焓變△H1；

（2）高壓缸已進(jìn)蒸汽焓變△H2；

（3）經(jīng) 7 段抽汽止回閥蒸汽焓變△H3；

（4）7 段抽汽到高加閃蒸蒸汽焓變△H4；

（5）經(jīng) 6 段抽汽止回閥蒸汽焓變△H5；

（6）6 段抽汽到高加閃蒸蒸汽焓變△H6；

（7）高排到 MSR 蒸汽焓變△H7；

（8）MSR 中蒸汽焓變 （50%來自高排后蒸汽能量， 30%來自一級再熱能量， 20%來自二級再熱能量）△H8；

（9）MSR 到中壓蝶閥蒸汽焓變△H9；

（10）中壓蝶閥到中壓缸蒸汽焓變△H10；

（11）經(jīng) 4 段抽汽止回閥蒸汽焓變△H11；

（12）4 段抽汽到低加閃蒸蒸汽焓變△H12；

（13）中壓缸排汽焓變△H13；

（14）中壓缸、 低壓缸聯(lián)通管蒸汽焓變△H14；

（15）低壓缸進(jìn)汽焓變△H15；

（16）經(jīng) 3 段抽汽止回閥蒸汽焓變△H16；

（17）3 段抽汽到低加閃蒸蒸汽焓變△H17；

（18）經(jīng) 2 段抽汽止回閥蒸汽焓變△H18；

（19）經(jīng) 1 段抽汽止回閥蒸汽焓變△H19；

（20）低壓缸排汽焓 H20。

1.4.2 動能的計(jì)算簡化

由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是由軸系、葉輪和葉片組成的，為了計(jì)算方便，近似將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動簡化成圓柱體的轉(zhuǎn)動，這樣動能值可以用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系來表示。所以，計(jì)算出轉(zhuǎn)動慣量 I， 角速度 ω 已可以求出。

2 中壓蝶閥卡澀時超速的定量計(jì)算

2.1 轉(zhuǎn)化效率η 估值確定

正常工況，蒸汽經(jīng)過主汽閥后，再經(jīng)過高壓缸、 MSR、 中壓缸、 低壓缸， 需考慮每個缸的缸效率及經(jīng) MSR 到中壓缸的蒸汽量占此前進(jìn)入 MSR的蒸汽總量的比重。其缸效率計(jì)算可整合為汽輪機(jī)的整機(jī)效率 η1。

通過機(jī)組 100%TMCR 工況熱平衡圖， 利用焓熵曲線可查出各個缸的等熵過程的焓值，利用各個階段有效焓降同等熵焓降的比值，最后可計(jì)算出本機(jī)組整機(jī)效率 η1。

再考慮高排蒸汽濕度： 經(jīng) MSR 之后， 近 97%的液態(tài)水已經(jīng)被分離，故實(shí)際被再熱的蒸汽量占之前進(jìn)入 MSR 的蒸汽總量的比值 η2可通過機(jī)組100%TMCR 工況熱平衡圖數(shù)據(jù)求得。

故可以得出從高壓主汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)入汽輪機(jī)后出低壓缸的蒸汽轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動能的平均轉(zhuǎn)化效率η 就是 η1·η2再乘以一個 余量。 最 后確定這 個平均轉(zhuǎn)化效率 η 估值約為 0.75。

2.2 蒸汽總有效能量 Q 計(jì)算

根據(jù) 1.4.1 節(jié)簡化， 轉(zhuǎn)子動能等于 ∑ 蒸汽能量（不同狀態(tài)蒸汽能量之和）與平均轉(zhuǎn)化效率 η 的乘積。 根據(jù)機(jī)組 100%TMCR 工況熱平衡圖， 可得到表3 （表中具體數(shù)據(jù)示意列出）。

表3

其中， 1 （*）高壓主汽調(diào)節(jié)閥快關(guān)延遲按0.2s， 通過的蒸汽質(zhì)量為 306kg， 快關(guān)時間按 0.3s算得的質(zhì)量約為 345kg， 所以參與蒸汽質(zhì)量為兩者之和； 8 （*）中 MSR 中的能量分配按 1.4.1 節(jié)第（8）項(xiàng)原理分別計(jì)算， 50%高排后蒸汽能量查熱平衡圖， 30%一級再熱后蒸汽能量查熱平衡圖，20%二級再熱后蒸汽能量查熱平衡圖， 可算得△Q8為三者之和。

于是蒸汽總有效能量 Q=∑△Qi·η=轉(zhuǎn)子動能的增量△E。

2.3 最大超速程度計(jì)算

其中，I為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)實(shí)際可查得（ 單 位： kJ·m2） ； ω 為 轉(zhuǎn) 子 甩 負(fù) 荷 后 轉(zhuǎn) 動 角 速 度 ；ω額=157.08rad/s， 為轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)動角速度 （半轉(zhuǎn)速機(jī)型額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min）。

據(jù)式（1）可求得甩負(fù)荷后的最大轉(zhuǎn)動角速度 ω為 183.65rad/s。

這樣最大超速程度：

A=（183.65-157.08）/157.08=16.915%

2.4 不考慮抽汽止回閥卡澀時超速程度計(jì)算

中壓蝶閥全部卡澀，再出現(xiàn)所有抽汽止回閥卡澀不能關(guān)閉情況的幾率是非常小的，所以補(bǔ)充不考慮抽汽止回閥卡澀時超速程度B的計(jì)算。

這種情況超速的計(jì)算同 2.3 節(jié)原理類似， 只要減去序號 4， 6， 12， 17 中的△Qi即可。 于是可以求得此時蒸汽總有效能量 Q=∑△Qi·η， 根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)， 同理可算得此時的超速程度 B=13.936%。

3 超速的風(fēng)險評估及結(jié)論

通過第2節(jié)的計(jì)算分析，獲得了機(jī)組在中壓蝶閥全部卡澀不能關(guān)閉，且所有抽汽止回閥不能關(guān)閉時甩全負(fù)荷的超速程度 A 為 16.915%， 即轉(zhuǎn)速最大將達(dá)到 1754r/min； 同時考慮到中壓蝶閥卡澀而抽汽止回閥不卡澀時甩全負(fù)荷超速程度B為13.936%， 即轉(zhuǎn)速最大將達(dá)到 1709r/min。 為了評估超速對于機(jī)組的風(fēng)險隱患，先來了解一下機(jī)組在轉(zhuǎn)子的壽命期內(nèi)一些承受極限情況：

（1）汽輪發(fā)電機(jī)組單根轉(zhuǎn)子出廠時均進(jìn)行超速試驗(yàn)驗(yàn)證動平衡， 轉(zhuǎn)速達(dá)額定轉(zhuǎn)速的 120%， 即1800r/min；

（2）汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速均大于1800r/min；

（3）汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)時軸承失穩(wěn)轉(zhuǎn)速均大于2000r/min；

（4）該機(jī)組轉(zhuǎn)速超 10%時汽輪機(jī)組邏輯自動跳閘，但邏輯命令可手動更改。

針對極端情況， 超速 A 達(dá)到 1754r/min， 在轉(zhuǎn)子的承受范圍之內(nèi)， 差不多達(dá)到了極限情況 （2）的下限，因而這樣的超速不能超過2次，總體來說汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及軸承和其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在短時間內(nèi)是可以承受這樣的風(fēng)險的， 一旦轉(zhuǎn)速超 10%可提前更改邏輯指令，防止機(jī)組提前跳機(jī)。

但是因?yàn)槭呛穗姍C(jī)組，在運(yùn)行時超速達(dá)到10%對核反應(yīng)堆負(fù)荷可能有一定影響， 故應(yīng)盡量避免。因而在中壓蝶閥卡澀故障沒有消除之前，在暫時不考慮停機(jī)的情況下，一定要降低負(fù)荷運(yùn)行，參考計(jì)算值，在實(shí)際中安全運(yùn)行負(fù)荷應(yīng)該在70%額定負(fù)荷以下運(yùn)行 （用第 2 節(jié)同樣的原理可算得 70%負(fù)荷下抽汽止回閥正常運(yùn)行時的超速程度 C 約 9.5%）， 這樣即便在這樣的運(yùn)行工況下需要甩全負(fù)荷，超速也不至于過大，對汽輪機(jī)安全不會產(chǎn)生影響。

通過以上的分析計(jì)算，也可得出此半轉(zhuǎn)速百萬級核電機(jī)型在未加裝中壓蝶閥時的最大超速約為 16.915%， 比相同等級 （表1， 表2 中）的機(jī)型要小。

[1] 江炳康.濕蒸汽汽輪機(jī)的超速計(jì)算方法 [J].上海汽輪機(jī), 1983（01）:98-104

[2] 房德明,馮庚申,苗建兵.再熱式汽輪機(jī)甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速最大飛升值的簡便計(jì)算方法.河南電力,2005（2）:38-42

[3] 蔡頤年,王璧玉.汽輪機(jī)裝置 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1989

Overspeed Analysis Led by Failure of IP Inlet Valves in Nuclear Turbine

Deng Xiaohui， Xu Shihai
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The article analyzes causations of overspeed questions led by failure of IP inlet valves in nuclear turbine,using energy conservation law,seting up a simplemodel.And by calculating,the article can foresee the biggest overspeed value once the failure occurs.And it also calculates the overspeed question in the condition of no setting IP inlet valve in a 1000MW grade half speed nuclear turbine.

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鄧曉暉 （1980-）， 男， 2005 年畢業(yè)于重慶大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)， 現(xiàn)從事核電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。