王 犇 劉東亮 趙書宇

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0　引言

某核電廠使用HN1119-6.43/280/269-H型汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)為飽和蒸汽、單軸、四缸、六排汽、中間再熱、沖動(dòng)凝汽式半轉(zhuǎn)速機(jī)，由1個(gè)高中壓合缸和3個(gè)雙流道、雙排汽低壓汽缸組成。機(jī)組設(shè)置有一個(gè)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)通道（GME315MV）以監(jiān)測(cè)3個(gè)低壓轉(zhuǎn)子剛性對(duì)接后整體相對(duì)汽輪機(jī)軸系死點(diǎn)位置的軸向膨脹量，用于指示低壓汽缸內(nèi)軸向動(dòng)、靜部件的間隙變化。該核電廠 GME315MV設(shè)計(jì)一級(jí)報(bào)警（GME313KA）閾值為 18.5mm，二級(jí)報(bào)警（GME413KA）閾值為19.5mm，其中GME413KA為建議手動(dòng)停機(jī)報(bào)警信號(hào)。報(bào)警觸發(fā)代表低壓汽缸內(nèi)軸向動(dòng)、靜部件間隙超出設(shè)計(jì)許可范圍，動(dòng)、靜部件可能因此發(fā)生機(jī)械摩擦，因此汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸向膨脹監(jiān)測(cè)值對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行安全而言有重要指示作用[1-2]。

該核電廠GME315MV安裝完成后在汽輪機(jī)在靜止工況下的監(jiān)測(cè)值正常，當(dāng)汽輪機(jī)主盤車啟動(dòng)，投運(yùn)汽機(jī) 軸 封 系 統(tǒng) （CET） 和 凝 汽 器 真 空 系 統(tǒng) （CVI）后GME315MV監(jiān)測(cè)值逐漸增大至22.5mm，因監(jiān)測(cè)值超過(guò)報(bào)警閾值，系統(tǒng)先后自動(dòng)觸發(fā) GME313KA和GME413KA。停運(yùn)CET和CVI系統(tǒng)后，GME315MV監(jiān)測(cè)值呈逐漸減小趨勢(shì)，當(dāng)監(jiān)測(cè)值低于一級(jí)報(bào)警閾值后報(bào)警信號(hào)消失。

圖1　GME315MV監(jiān)測(cè)值異常過(guò)程記錄

1　原因分析

1.1　測(cè)量原理

該核電廠汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)原理見圖2。當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向膨脹后，3號(hào)低壓轉(zhuǎn)子上的測(cè)量凸肩隨之發(fā)生軸向移動(dòng)，垂直臂的磁腳在磁力作用下跟隨凸肩移動(dòng)使水平臂在垂直方向發(fā)生位移，水平臂上方的電渦流探測(cè)器測(cè)量感應(yīng)電壓的變化，測(cè)量信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)處理后輸出汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹值。設(shè)計(jì)定義由低壓轉(zhuǎn)子向發(fā)電機(jī)側(cè)移動(dòng)所造成的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹值變化方向?yàn)檎?，反之為?fù)向。

圖2　GME315MV監(jiān)測(cè)原理

1.2　現(xiàn)場(chǎng)檢查

汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)報(bào)警觸發(fā)原因可從兩方面進(jìn)行調(diào)查分析，首先是GME315MV輸出錯(cuò)誤的測(cè)量值并超過(guò)報(bào)警閾值，其次是汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生真實(shí)的軸向膨脹造成GME315MV監(jiān)測(cè)值超過(guò)報(bào)警閾值。

1.2.1低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)通道檢查

該核電廠汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹探測(cè)器安裝指導(dǎo)文件要求探測(cè)器安裝時(shí)低壓轉(zhuǎn)子軸系的溫度為20℃，探測(cè)器實(shí)際安裝過(guò)程中記錄的溫度為17℃，經(jīng)汽輪機(jī)廠家計(jì)算分析，因這3℃溫差引起的監(jiān)測(cè)值偏差為-0.69mm。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)值比一級(jí)報(bào)警閾值大4mm，因此0.69mm的負(fù)向偏差不是正向4mm偏差的來(lái)源。若探測(cè)器靈敏度設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)使探測(cè)器輸出的測(cè)量信號(hào)被錯(cuò)誤的偏差增益影響造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。調(diào)試過(guò)程中已經(jīng)對(duì)該探測(cè)器的靈敏度進(jìn)行了檢查，并將現(xiàn)場(chǎng)檢查的靈敏度數(shù)值寫入組態(tài)中，與設(shè)備出廠試驗(yàn)報(bào)告比較后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢查獲得的靈敏度和出廠靈敏度一致。低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)通道檢查未發(fā)現(xiàn)足以導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生的因素。

1.2.2汽輪機(jī)本體檢查

汽輪機(jī)在啟、停和工況變動(dòng)時(shí)，設(shè)備零部件將存在明顯的溫差，由于零部件的幾何尺寸及材質(zhì)的不同，其熱膨脹也不盡相同，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的零部件膨脹要比靜止部分大，故動(dòng)靜部分的間隙發(fā)生變化，因而可能危害汽輪機(jī)的安全[1-2]?，F(xiàn)場(chǎng)檢查、對(duì)比發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)啟動(dòng)主盤車，在投運(yùn)CET和CVI系統(tǒng)后低壓轉(zhuǎn)子受到軸封蒸汽加熱影響，其表面溫度開始升高，在熱脹冷縮效應(yīng)下低壓轉(zhuǎn)子受熱后在軸向發(fā)生膨脹，使得盤車轉(zhuǎn)速（8rpm）下GME315MV監(jiān)測(cè)值出現(xiàn)正向增大現(xiàn)象，低壓轉(zhuǎn)子持續(xù)受熱膨脹后就可能因此出現(xiàn)GME315MV監(jiān)測(cè)值超過(guò)報(bào)警閾值的情況。

根據(jù)其它型號(hào)汽輪機(jī)的調(diào)試、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，汽機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹的最高監(jiān)測(cè)值往往出現(xiàn)在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，此時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速保持在較低的盤車轉(zhuǎn)速；汽輪機(jī)開始沖轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)速逐漸升高至額定轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，在泊松效應(yīng)（又稱回轉(zhuǎn)效應(yīng)）影響下，汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子受離心力作用發(fā)生徑向和軸向變形，在離心力作用下變粗變短，低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)值會(huì)逐漸減小、直至相對(duì)穩(wěn)定的維持在一個(gè)安全范圍內(nèi)[3-5]。因此，在確認(rèn)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)通道安裝、調(diào)試合格前提下，造成引言中描述問(wèn)題發(fā)生的原因可以鎖定為CET系統(tǒng)投運(yùn)后，因汽輪機(jī)軸封蒸汽對(duì)低壓轉(zhuǎn)子的加熱作用使低壓轉(zhuǎn)子在軸向發(fā)生膨脹，該膨脹量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)時(shí)泊松效應(yīng)造成的軸向收縮，最終導(dǎo)致GME315MV監(jiān)測(cè)值在正向出現(xiàn)超過(guò)其報(bào)警閾值的問(wèn)題。

2　解決方案

盡管問(wèn)題發(fā)生在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)前，由于汽輪機(jī)在盤車啟動(dòng)后仍具有 8rpm的低轉(zhuǎn)速，所以在GME315MV監(jiān)測(cè)值超過(guò)二級(jí)報(bào)警閾值后，仍存在低壓汽缸內(nèi)動(dòng)、靜部件因軸向間隙過(guò)小發(fā)生機(jī)械摩擦的風(fēng)險(xiǎn)。解決該問(wèn)題最直接的方法是對(duì)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子采取合理的降溫措施，以減小低壓轉(zhuǎn)子在軸向的受熱膨脹量。

分析發(fā)現(xiàn)在汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)、停運(yùn)或低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，蒸汽流量較低時(shí)低壓汽缸排汽不暢，由于汽輪機(jī)摩擦損失及鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的熱量無(wú)法被低壓汽缸排汽及時(shí)帶走，使得排汽溫度和末級(jí)葉片溫度上升，有可能導(dǎo)致葉片損壞，該型汽輪機(jī)的蒸汽和疏水系統(tǒng)（GPV）設(shè)置有低壓汽缸排汽口噴水降溫回路，用于防止低壓汽缸排汽口溫度超過(guò)限值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)低壓汽缸排汽口噴淋閥（GPV221VL）用于控制低壓汽缸排汽口噴水降溫回路的投、退。分析設(shè)計(jì)邏輯可知當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)且所帶負(fù)荷低于20%額定負(fù)荷時(shí)，GPV221VL自動(dòng)打開、噴水降溫；汽機(jī)跳閘后延遲10分鐘，GPV221VL自動(dòng)關(guān)閉。

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前在盤車轉(zhuǎn)速下CET系統(tǒng)投運(yùn)后軸封蒸汽對(duì)3段低壓轉(zhuǎn)子有加熱作用，但此時(shí)低壓汽缸排汽口噴水降溫回路并不投入運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試部門和汽輪機(jī)制造廠商聯(lián)合分析后決定在此工況下通過(guò)投運(yùn)低壓汽缸排汽口噴水降溫回路為低壓轉(zhuǎn)子營(yíng)造相對(duì)低的運(yùn)行環(huán)境溫度，以實(shí)現(xiàn)降低低壓轉(zhuǎn)子溫度、減小低壓轉(zhuǎn)子軸向膨脹量至低于一級(jí)報(bào)警閾值的目標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)GPV221VL閥門控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，在原有控制邏輯的基礎(chǔ)上，新增在汽機(jī)跳閘信號(hào)存在且CET蒸汽母管溫度（CET006MT）大于100℃時(shí)自動(dòng)開啟GPV221VL的控制邏輯，優(yōu)化后的邏輯見圖2。

圖3　GPV221VL控制邏輯優(yōu)化

基于保守的安全原則，在GPV221VL控制邏輯優(yōu)化后，對(duì)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)通道的報(bào)警及動(dòng)作響應(yīng)方案也進(jìn)行了優(yōu)化。即，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于500rpm后其報(bào)警維持原設(shè)計(jì)方案不變；當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不超過(guò)500rpm時(shí)，將GME313KA的報(bào)警閾值由18.5mm調(diào)整為23.0mm，GME413KA的報(bào)警閾值由19.5mm調(diào)整為24.0mm，且 GME413KA觸發(fā)后需停運(yùn)CET系統(tǒng)并破壞低壓汽缸真空，以避免低壓轉(zhuǎn)子軸向膨脹值進(jìn)一步增大。優(yōu)化方案見圖4。

圖4　GME315MV報(bào)警方案優(yōu)化

3　應(yīng)用與驗(yàn)證

按照前文給出的解決方案，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該核電廠GPV221VL的控制邏輯、組態(tài)進(jìn)行修改，在設(shè)計(jì)文件和DCS系統(tǒng)報(bào)警卡中補(bǔ)充GME313KA、GME413KA的新增內(nèi)容。電廠DCS系統(tǒng)歷史記錄顯示盤車轉(zhuǎn)速下投運(yùn)CET系統(tǒng)后軸封蒸汽溫度錄得最低值為130.35℃，GPV221VL按照優(yōu)化后的控制邏輯自動(dòng)開啟（低壓汽缸排汽口噴水降溫回路開始發(fā)揮作用），GME315MV監(jiān)測(cè)值在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)開始前及沖轉(zhuǎn)到200rpm并維持在該轉(zhuǎn)速平臺(tái)期間無(wú)明顯波動(dòng)，其平均值為12.23mm。汽輪機(jī)升轉(zhuǎn)速至約300rpm后GME315MV監(jiān)測(cè)值出現(xiàn)減小趨勢(shì)，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1500rpm時(shí)GME315MV監(jiān)測(cè)值減小為5.75mm，汽輪機(jī)超速試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速飛升至1622rpm的同時(shí)GME315MV監(jiān)測(cè)值錄得最小值為4.48mm，隨后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)回調(diào)至額定轉(zhuǎn)速1500rpm，GME315MV監(jiān)測(cè)隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降出現(xiàn)增大趨勢(shì)；GME315MV監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)印證了前文關(guān)于汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸向膨脹量在高轉(zhuǎn)速下受到泊松效應(yīng)影響的分析。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1500rpm后查詢1小時(shí)內(nèi)GME315MV監(jiān)測(cè)值并計(jì)算得出平均值為5.27mm。全過(guò)程記錄見圖5。

圖5　汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中GME315MV監(jiān)測(cè)值歷史記錄

4　結(jié)束語(yǔ)

該核電廠在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)值超過(guò)二級(jí)報(bào)警閾值的問(wèn)題后，通過(guò)分析測(cè)量原理及現(xiàn)場(chǎng)檢查，明確了汽輪機(jī)盤車轉(zhuǎn)速下低壓轉(zhuǎn)子受到汽輪機(jī)軸封蒸汽加熱影響發(fā)生軸向膨脹是導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生的根本原因；現(xiàn)場(chǎng)制定了解決方案，經(jīng)應(yīng)用與驗(yàn)證表明方案成功解決了上述問(wèn)題，對(duì)于同型號(hào)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測(cè)通道的調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)有直接參考價(jià)值。

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