王允航

哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150090

1 “機(jī)跟堆”運(yùn)行模式

壓水堆核電站內(nèi)部通常由一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)組成，大多采用堆-機(jī)功率調(diào)節(jié)模式，即反應(yīng)堆熱功率隨汽輪發(fā)電機(jī)組功率變化而變化：

（1）汽輪機(jī)自動(dòng)控制模式下的堆-機(jī)功率調(diào)節(jié)為閉環(huán)控制模式，操作員設(shè)置汽輪機(jī)目標(biāo)負(fù)荷后，經(jīng)主調(diào)閥進(jìn)行蒸汽流量調(diào)節(jié)，使發(fā)電機(jī)輸出功率和目標(biāo)值一致。

（2）反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)屬于開環(huán)控制方式，即反應(yīng)堆的功率根據(jù)二回路的工況、控制模式和方式，在幾個(gè)二回路功率需求值中選一個(gè)作為跟蹤功率，加上校正因子作為功率整定值，然后將其轉(zhuǎn)換為棒位調(diào)整值，使核電站一、二回路熱功率保持平衡。

某600MW等級(jí)核電對(duì)常規(guī)島的控制要求不同于壓水堆，采用“機(jī)跟堆”運(yùn)行模式，汽輪發(fā)電機(jī)組的電負(fù)荷跟隨堆功率的改變而變化，發(fā)出的電送入電網(wǎng)，不參與調(diào)頻：

（1）反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)維持反應(yīng)堆核功率不變。

（2）堆功率在28%-100%（暫定）之間主蒸汽系統(tǒng)正常運(yùn)行，汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。在正常運(yùn)行期間反應(yīng)堆和汽輪機(jī)采用自動(dòng)調(diào)節(jié)，汽輪機(jī)功率自動(dòng)跟蹤反應(yīng)堆功率。汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)為核島提供一個(gè)人為負(fù)荷，平衡反應(yīng)堆與汽輪機(jī)之間的功率差[1]。

該核島的主工藝決定著其基本運(yùn)行方式為帶基本負(fù)荷運(yùn)行，采用機(jī)跟堆的運(yùn)行模式，控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單:功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是閉環(huán)控制，根據(jù)核測(cè)系統(tǒng)提供的中子通量密度值（換算成實(shí)際功率值）與操作員給定的功率設(shè)定值相比較，經(jīng)過一定運(yùn)算規(guī)則形成調(diào)節(jié)棒運(yùn)行速率與方向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)棒的動(dòng)作，以達(dá)到穩(wěn)定反應(yīng)堆功率在規(guī)定的水平上。一、二回路流量控制系統(tǒng)為操作員手動(dòng)控制。

2 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)及啟動(dòng)過程

2.1 啟動(dòng)狀態(tài)和沖轉(zhuǎn)參數(shù)

汽輪機(jī)啟動(dòng)采用高壓缸啟動(dòng)方式，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)盡可能做到蒸汽參數(shù)與金屬溫度相匹配，即蒸汽經(jīng)過高壓第一級(jí)溫降后的汽溫仍高于缸壁或轉(zhuǎn)子表面溫度，且沖轉(zhuǎn)蒸汽過熱度不低于50℃。

2.2 典型啟動(dòng)過程

冷態(tài)啟動(dòng)是各種啟動(dòng)中溫度變化最大的惡劣啟動(dòng)工況，在冷態(tài)啟動(dòng)的沖轉(zhuǎn)、升速、暖機(jī)階段中，蒸汽參數(shù)低、流量小、放熱系數(shù)小，要求并網(wǎng)前轉(zhuǎn)子應(yīng)熱透，使轉(zhuǎn)子排汽處金屬溫度保證超過材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度（FATT），隨后才能較快地升溫升壓及加負(fù)荷[2]。

（1）沖轉(zhuǎn)及升速。汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)（長(zhǎng)期停機(jī)）的過熱器出口蒸汽參數(shù)：主蒸汽壓力7MPa（a），溫度342℃，核島堆功率約14%；對(duì)應(yīng)的閥前沖轉(zhuǎn)蒸汽參數(shù)：主蒸汽壓力6.8MPa（a），溫度340℃。①?zèng)_轉(zhuǎn)前，汽輪機(jī)已投入電動(dòng)盤車至少連續(xù)24h，完成抽真空，汽水分離系統(tǒng)（MSR）完成預(yù)熱，高壓調(diào)節(jié)閥閥殼已預(yù)暖1h，軸封供汽預(yù)暖約11h，所有汽輪機(jī)輔助設(shè)備已運(yùn)行。②沖轉(zhuǎn)后高壓主汽閥全開，小量開啟高壓調(diào)節(jié)閥，按100（r/min）/min的升速率升至500r/min轉(zhuǎn)速，全關(guān)高壓調(diào)節(jié)閥，摩擦檢查，在此期間，機(jī)組轉(zhuǎn)速不允許低于200r/min。③按100（r/min）/min的升速率繼續(xù)升速至1300r/min，在此轉(zhuǎn)速下低速暖機(jī)150min。④按100（r/min）/min的升速率繼續(xù)升速至2000r/min，直至高壓排汽口下半內(nèi)壁金屬溫度達(dá)80℃（暫定）。

⑤按100（r/min）/min的升速率繼續(xù)升速至3000r/min額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定30min后，核島開始按照本身特性升功率，目標(biāo)堆功率28%并保持功率不變。

汽輪機(jī)升速過程中，應(yīng)注意機(jī)組迅速平穩(wěn)地通過軸系各階臨界轉(zhuǎn)速（過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，允許以300（r/min）/min的升速率快速通過臨界轉(zhuǎn)速±5%轉(zhuǎn)速區(qū)間），通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)軸承振動(dòng)應(yīng)在整定值以內(nèi)，否則打閘停機(jī)。

（2）升負(fù)荷及堆機(jī)匹配。

①核島開始升功率，汽輪發(fā)電機(jī)組3000r/min額定轉(zhuǎn)速繼續(xù)穩(wěn)定30min后，在汽輪發(fā)電機(jī)組作完試驗(yàn)和檢查完成，通知運(yùn)行人員允許機(jī)組并網(wǎng)。在并網(wǎng)后，由控制系統(tǒng)自動(dòng)帶上初負(fù)荷5%并保持。②核島堆功率達(dá)到28%后保持，汽輪發(fā)電機(jī)組此時(shí)仍帶5%初負(fù)荷，高壓調(diào)節(jié)閥開度維持不變，通過旁路閥逐步關(guān)閉實(shí)現(xiàn)主蒸汽聯(lián)箱壓力由6.8MPa（a）升高至13.8MPa（a）。高壓調(diào)節(jié)閥開度維持不變，主蒸汽聯(lián)箱壓力由6.8MPa（a）升高至13.8MPa（a），汽輪發(fā)電機(jī)組電負(fù)荷從5%升至約10%。③主蒸汽聯(lián)箱壓力升高至13.8MPa（a）后，旁路閥維持主蒸汽壓力，汽輪機(jī)投入功率控制模式，汽輪發(fā)電機(jī)組電負(fù)荷升至約21%時(shí)，電負(fù)荷與核島堆功率28%匹配，旁路閥關(guān)閉，汽輪機(jī)由功率控制切換至壓力控制。

3 轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力及壽命淺析

汽輪機(jī)啟停過程中，轉(zhuǎn)子主要承受離心應(yīng)力及由于溫度分布不均引起的熱應(yīng)力，特別是冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)時(shí)，溫度變化最大，轉(zhuǎn)子表面溫度上升快，受壓應(yīng)力，轉(zhuǎn)子中心溫度滯后，受拉應(yīng)力，轉(zhuǎn)子內(nèi)外溫差隨負(fù)荷上升而逐漸增大，直至準(zhǔn)穩(wěn)定工況達(dá)最大值；停機(jī)時(shí)則相反。轉(zhuǎn)子啟停的熱應(yīng)力及壽命分析是機(jī)組安全性和壽命管理的重要因素，本文篇幅有限，針對(duì)汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)（長(zhǎng)期停機(jī)）過程，采用ANSYS軟件加載高壓轉(zhuǎn)子邊界條件，淺析轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力及疲勞壽命。軸封預(yù)暖結(jié)束后的溫度場(chǎng)，是應(yīng)力求解的初始溫度場(chǎng)，根據(jù)啟動(dòng)曲線中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線加載離心力，同時(shí)在模型各節(jié)點(diǎn)上加載瞬態(tài)溫度場(chǎng)，進(jìn)行有限元分析。

4 結(jié)語

（1）某600MW等級(jí)核電全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)的啟動(dòng)分為5種:冷態(tài)啟動(dòng)（長(zhǎng)期停機(jī)）、冷態(tài)啟動(dòng)（停機(jī)72h）、溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)、極熱態(tài)啟動(dòng)。

（2）核島“機(jī)跟堆”的運(yùn)行模式?jīng)Q定汽輪發(fā)電機(jī)組的電負(fù)荷跟隨堆功率的改變而變化。以汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)（長(zhǎng)期停機(jī)）為例，即汽輪機(jī)升速并網(wǎng)帶5%負(fù)荷后開始升負(fù)荷，此時(shí)旁路閥維持主蒸汽壓力，汽輪機(jī)投入功率控制模式；汽輪發(fā)電機(jī)組電負(fù)荷升至約21%時(shí)，電負(fù)荷與核島堆功率28%匹配，旁路閥關(guān)閉，汽輪機(jī)由功率控制切換至壓力控制。功率匹配后，汽輪發(fā)電機(jī)組電負(fù)荷隨核島功率提升，實(shí)現(xiàn)“機(jī)跟堆”運(yùn)行。

（3）采用ANSYS軟件進(jìn)行汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)（長(zhǎng)期停機(jī)）高壓轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果表明，啟動(dòng)中整個(gè)轉(zhuǎn)子應(yīng)力水平較低，最大Mises應(yīng)力在輪盤圓角（不包括平衡槽）處，約270MPa，計(jì)算壽命大于107次，完全滿足啟動(dòng)的安全及壽命設(shè)計(jì)要求。