核電汽輪機中壓蝶閥卡澀的超速分析

　　文章利用能量轉換定律，建立簡(jiǎn)化模型，定性分析了核電汽輪機中壓蝶閥一旦出現卡澀時(shí)，各種因素疊加所導致的轉子超速問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)例計算出百萬(wàn)等級核電機組中壓蝶閥一旦出現不能關(guān)閉的情況下所能預見(jiàn)的最大超速值。也從側面計算出半轉速百萬(wàn)級核電汽輪機在無(wú)中壓蝶閥下的超速情況。

　　核電汽輪機組的最大特點(diǎn)是正常運行于濕蒸汽區，由于進(jìn)汽參數比較低，相應有效熱焓降較小，導致進(jìn)汽質(zhì)量流量比較大。比較成熟的百萬(wàn)千萬(wàn)級核電汽輪機組和百萬(wàn)千萬(wàn)級火電機組后，可以看出其進(jìn)汽流量幾乎相當于相同火電機組的一倍。這也是核電汽輪機組的尺寸(包括進(jìn)出主管道)比相同功率火電機組大得多的原因。濕蒸汽汽輪機一旦甩去全負荷(或甩負荷到廠(chǎng)用電及調試中的甩50%負荷)后，由于高壓主汽閥的迅速關(guān)閉，使貯存在汽輪機腔室內的凝結水隨附加的蒸汽在汽輪機內共同做功，所以濕蒸汽汽輪機在甩負荷后一般比相同容量的火電機組所產(chǎn)生的對轉子扭矩要大得多。蒸汽在核電汽輪機組高壓缸做功后，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、低壓缸之間設置汽水分離再熱器(MSR)來(lái)實(shí)現這個(gè)功能，同時(shí)在MSR進(jìn)入中壓缸之前的管道上設置中壓蝶閥以進(jìn)行快關(guān)和調節操作，以避免汽輪機超速過(guò)高以及避免引起MSR超壓。國外核電汽輪機項目中不裝中壓蝶閥的超速情況(計算值)見(jiàn)表1。

表1國外核電站不裝中壓蝶閥的超速情況(計算值)

　　國外核電站加裝中壓蝶閥后的超速情況(計算值)見(jiàn)表2。

表2國外核電站加裝中壓蝶閥的超速比較(計算值)

　　如上所述，中壓蝶閥在核電機組中的作用舉足輕重，一旦運行中的中壓蝶閥出現卡澀不能關(guān)閉故障，在機組甩負荷中勢必引起汽輪機組的超速。因而對中壓蝶閥卡澀時(shí)機組的分析就很有必要。超速的程度本文將通過(guò)對某百萬(wàn)千萬(wàn)級核電汽輪機機型的定量計算來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

1、超速分析模型建立

　　本文中要討論的百萬(wàn)千萬(wàn)級核電汽輪機組是由一個(gè)高中壓合缸、兩個(gè)雙分流低壓缸依次串聯(lián)組成的單軸系機組，汽輪機左右兩側分別設置一個(gè)MSR，高排蒸汽進(jìn)入每個(gè)MSR前均設置兩組中壓蝶閥，即單臺機組配置4組中壓蝶閥。在分析中壓蝶閥卡澀故障導致超速風(fēng)險分析前，需要先了解幾個(gè)前提。

　　1.1、核電汽輪機的工作原理

　　核電汽輪機為常規島部分最核心的轉動(dòng)機械，微觀(guān)一點(diǎn)來(lái)看汽輪機是由若干個(gè)“級”組成的，結構上它是由靜葉柵(噴嘴柵)和對應的動(dòng)葉柵組成，通過(guò)多個(gè)級將工質(zhì)(蒸汽)的能量轉變?yōu)槠�輪機機械能的一個(gè)能量轉換過(guò)程。宏觀(guān)上來(lái)看機組的做功過(guò)程如圖1所示。

圖1機組做功過(guò)程圖

3、超速的風(fēng)險評估及結論

　　通過(guò)第2節的計算分析，獲得了機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(shí)甩全負荷的超速程度A為16.915%，即轉速最大將達到1754r/min；同時(shí)考慮到中壓蝶閥卡澀而抽汽止回閥不卡澀時(shí)甩全負荷超速程度B為13.936%，即轉速最大將達到1709r/min。為了評估超速對于機組的風(fēng)險隱患，先來(lái)了解一下機組在轉子的壽命期內一些承受極限情況：

　　(1)汽輪發(fā)電機組單根轉子出廠(chǎng)時(shí)均進(jìn)行超速試驗驗證動(dòng)平衡，轉速達額定轉速的120%，即1800r/min；

　　(2)汽輪發(fā)電機組轉子二階臨界轉速均大于1800r/min；

　　(3)汽輪機組設計時(shí)軸承失穩轉速均大于2000r/min；

　　(4)該機組轉速超10%時(shí)汽輪機組邏輯自動(dòng)跳閘，但邏輯命令可手動(dòng)更改。

　　針對極端情況，超速A達到1754r/min，在轉子的承受范圍之內，差不多達到了極限情況(2)的下限，因而這樣的超速不能超過(guò)2次，總體來(lái)說(shuō)汽輪機轉子及軸承和其它結構設計在短時(shí)間內是可以承受這樣的風(fēng)險的，一旦轉速超10%可提前更改邏輯指令，防止機組提前跳機。但是因為是核電機組，在運行時(shí)超速達到10%對核反應堆負荷可能有一定影響，故應盡量避免。因而在中壓蝶閥卡澀故障沒(méi)有消除之前，在暫時(shí)不考慮停機的情況下，一定要降低負荷運行，參考計算值，在實(shí)際中安全運行負荷應該在70%額定負荷以下運行(用第2節同樣的原理可算得70%負荷下抽汽止回閥正常運行時(shí)的超速程度C約9.5%)，這樣即便在這樣的運行工況下需要甩全負荷，超速也不至于過(guò)大，對汽輪機安全不會(huì )產(chǎn)生影響。

　　通過(guò)以上的分析計算，也可得出此半轉速百萬(wàn)級核電機型在未加裝中壓蝶閥時(shí)的最大超速約為16.915%，比相同等級(表1，表2中)的機型要小。