王 犇 劉東亮 趙書宇
(中廣核工程有限公司,廣東 深圳 518124)
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
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
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。
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
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
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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