核電廠汽輪機熱應力控制技術的研究

侯國順

摘 ?要 ?近年來，在社會經濟快速增長的背景下，國家相關部門越來越重視核電發展戰略。其中，核電汽輪機的自動控制技術便受到廣泛關注。筆者在分析核電汽輪機運行特性及汽輪機應力計算現狀的基礎上，進一步對轉子應力控制的實現進行了探究，希望以此為核電廠汽輪機熱應力控制技術的完善提供具有價值性的參考依據。

關鍵詞 ?核電廠;汽輪機;熱應力控制技術

中圖分類號：TK263 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0049-02

核電汽輪機組的特點極具明顯性，包括轉子大、蒸汽流量大以及蒸汽濕度高等[1]。這些特點使轉子所承受的機械應力大，同時也使由腐蝕導致的熱疲勞應力大。基于升、降功率及事故工況下，通常使用機跟堆模式，轉子則承受著較大的熱負荷與負荷變化。由此可見，轉子應力的控制及監測在核電汽輪機當中是非常關鍵的一項技術，它在很大程度上決定了汽輪機組的可靠性。鑒于此，本課題對“核電廠汽輪機熱應力控制技術”進行探討與研究具有尤為深遠的重要意義。

1 ?核電汽輪機運行特性分析

基于核電汽輪機當中的主蒸汽自帶0.25%～0.5%濕度的飽和蒸汽[2]。一般情況下，通流部分各級大多數位于濕蒸汽區。核電汽輪機和常規火電機組比較，核電汽輪機有汽水分離再熱系統增加。由此可見，對于核電汽輪機，其啟動、停止及運行特性不但和本身結構、系統設計及相關布置有關，而且還與汽水分離再熱器的結構存在聯系。

對于核電汽輪機的啟動與停機，通常使用額定參數啟動，調門則起到控制汽輪機加負荷與升速的目的。因所采用的是低參數飽和蒸汽，因此汽輪機在啟動暖機時間方面，要比火電機組汽輪機的啟動時間低，大概可降低1/3。另外，由于核電汽輪機的溫度較低，且汽輪機本體各部件的熱膨脹值較小，所以汽輪機在啟動及運行過程中，所受到的熱膨脹差均要小于火電機組受到的熱膨脹差。

2 ?汽輪機控制系統相關內容分析

對于汽輪機控制系統，包括諸多方面的內容，主要體現在監視系統與調節系統當中。其中，對于監視系統，主要是通過數據采集系統對汽輪機運行過程中的參數進行監視采集，一般歸分為熱工量與機械量。對于調節系統，則包括多方面的控制，具體表現如下。

1）轉速控制。轉速控制能夠使得大范圍內的轉速自動調節得到有效實現，進一步讓汽輪機轉速從盤車轉速慢慢向并網前的轉速上升，如圖1，便是轉速的升速率控制原理圖示。

圖1 ?轉速的升速率控制原理圖示

2）負荷控制。開始時間是從汽輪機啟動升速過程結束及機組完成并網任務之后。主要的功能是以開環或者閉環工作模式為依據，進一步對汽輪機發電機組的負荷實現有效控制。主要目標是讓汽輪機實發功率能夠達到功率給定值。當機組并網發電之后，轉速控制回路的轉速偏差實質上指的是電網實際頻率和額定頻率之間的差值。當發生頻差信號之后，為了電網頻率能夠得到有效調節，可以汽輪機靜態特性曲線為標準，把轉速偏差轉化為功率偏差，進一步利用負荷回路對機組的實際發功率進行調節，以此使機組參與一次調頻當中。

3）主蒸汽壓力控制。對于單元機組當中的負荷控制，主要存在三種模式。其中，汽輪機跟隨鍋爐模式與機爐協調模式的汽輪機控制系統均將機前壓力信號引入，汽輪機承擔了調節主蒸汽壓力的職責[3]。因此，在有些電業調節系統中，具備主蒸汽壓力控制回路設置，以機前壓力的偏差為依據，利用主蒸汽壓力控制回路產生閥門開度指令，最終使主蒸汽壓力能夠得到有效調節。

3 ?轉子應力控制的實現探究

1）轉子熱應力數字模型計算。為了使計算能夠簡化，一般吧汽輪機轉子當作一個圓柱體，并且這個圓柱體是無限長的。同時，在計算方面，只對圓柱體表面與中心空表面的熱應力進行計算。

溫差dT表示熱應力的大小：dT=T1-Tm。

其中，T1表示蒸汽接觸的缸體表面溫度;Tm表示缸體處于50%深度時的平均溫度。為了使熱應力不大于允許限值，可通過限值溫差不大于某一限值來實現。缸體與閥體，溫差限值以平均溫度Tm的函數進行設置，并與升/降速度或者升/降符合相對應，從而形成兩個限值，一個為上限溫差（dTpermu），一個下限溫差（dTperml）。

其中，上限溫度裕量ddTu=dTpermu-dT;下限溫度裕量ddTl=dTperml。

2）應力限制。實際應力和允許應力之間的差值通過汽輪機自啟停控制轉換器進行轉換，主要轉換為負荷目標值及變負荷速率等。進一步通過DEH基本控制功能實現對汽輪升速及變負荷的控制，最終形成一個閉環控制過程。在整個過程當中，需充分保證的是：轉子應力不能大于允許應力值。其中，包括了多個系統，具體表現如下：

①保護系統。其功能是，在汽輪機處于運行狀態，且出現危險的狀況下，保護系統能及時將全部進氣閥門關閉，以此規避重大事故的發生，進而起到保護汽輪機設備安全的目的。

②供油系統。現狀下，汽輪機控制用油使用最多的是高壓抗燃油，代替了之前所采用的汽輪機油。對于電液調節系統供油壓力，大多數選擇12～16MPa[4]。

③電液執行機構。主要組成部分包括油動機、閥位檢測器以及實驗電磁閥等。對于大型機組，通常需十套到十二套執行機構，分別對兩個高壓主氣閥進行控制，同時也對高壓調節閥及中壓主氣閥進行合理控制。液壓缸通常也稱之為油動機，多數使用彈簧服務液壓開啟式結構，液壓缸單側進油，在充油的時候閥門打開，液壓缸充油量決定了門閥打開行程的大小。在液壓泄油的情況下，通過借助彈簧的力量，閥門關閉。

4 ?結束語

在我國核電發展戰略逐漸推進發展的背景下，核電汽輪機的自動控制技術引起了制造商及用戶的高度重視。通過本課題的探究，筆者認為要想使我國核電汽輪機更具應用前景，需要在完善汽輪機熱應力控制技術的基礎上，學習并借鑒國外核電汽輪機先進控制技術，以此使我國核電汽輪機控制技術更具完善性，進一步為我國核電發展戰略的全面強化起到推波助瀾的作用。

參考文獻

[1]石麗國，郝軍紅，樊向松，海陽核電廠汽輪機墊鐵安裝與質量控制技術[J].電力建設，2013（12）：123-126.

[2]祝建飛，姚峻，吳建平.1000MW超超臨界汽輪機熱應力監測及自動控制[J].中國電力，2009（06）：21-24.

[3]廖均利，鄭展友.330MW汽輪機冷態啟動的熱應力控制[J].華北電力技術，2012（07）：28-30.

[4]黃海躍，楊宇，石兆元.核電CPR1000汽輪機啟動程序中熱應力控制策略[J].發電設備，2014（02）：90-93.endprint

摘 ?要 ?近年來，在社會經濟快速增長的背景下，國家相關部門越來越重視核電發展戰略。其中，核電汽輪機的自動控制技術便受到廣泛關注。筆者在分析核電汽輪機運行特性及汽輪機應力計算現狀的基礎上，進一步對轉子應力控制的實現進行了探究，希望以此為核電廠汽輪機熱應力控制技術的完善提供具有價值性的參考依據。

關鍵詞 ?核電廠;汽輪機;熱應力控制技術

中圖分類號：TK263 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0049-02

核電汽輪機組的特點極具明顯性，包括轉子大、蒸汽流量大以及蒸汽濕度高等[1]。這些特點使轉子所承受的機械應力大，同時也使由腐蝕導致的熱疲勞應力大。基于升、降功率及事故工況下，通常使用機跟堆模式，轉子則承受著較大的熱負荷與負荷變化。由此可見，轉子應力的控制及監測在核電汽輪機當中是非常關鍵的一項技術，它在很大程度上決定了汽輪機組的可靠性。鑒于此，本課題對“核電廠汽輪機熱應力控制技術”進行探討與研究具有尤為深遠的重要意義。

1 ?核電汽輪機運行特性分析

基于核電汽輪機當中的主蒸汽自帶0.25%～0.5%濕度的飽和蒸汽[2]。一般情況下，通流部分各級大多數位于濕蒸汽區。核電汽輪機和常規火電機組比較，核電汽輪機有汽水分離再熱系統增加。由此可見，對于核電汽輪機，其啟動、停止及運行特性不但和本身結構、系統設計及相關布置有關，而且還與汽水分離再熱器的結構存在聯系。

對于核電汽輪機的啟動與停機，通常使用額定參數啟動，調門則起到控制汽輪機加負荷與升速的目的。因所采用的是低參數飽和蒸汽，因此汽輪機在啟動暖機時間方面，要比火電機組汽輪機的啟動時間低，大概可降低1/3。另外，由于核電汽輪機的溫度較低，且汽輪機本體各部件的熱膨脹值較小，所以汽輪機在啟動及運行過程中，所受到的熱膨脹差均要小于火電機組受到的熱膨脹差。

2 ?汽輪機控制系統相關內容分析

對于汽輪機控制系統，包括諸多方面的內容，主要體現在監視系統與調節系統當中。其中，對于監視系統，主要是通過數據采集系統對汽輪機運行過程中的參數進行監視采集，一般歸分為熱工量與機械量。對于調節系統，則包括多方面的控制，具體表現如下。

1）轉速控制。轉速控制能夠使得大范圍內的轉速自動調節得到有效實現，進一步讓汽輪機轉速從盤車轉速慢慢向并網前的轉速上升，如圖1，便是轉速的升速率控制原理圖示。

圖1 ?轉速的升速率控制原理圖示

2）負荷控制。開始時間是從汽輪機啟動升速過程結束及機組完成并網任務之后。主要的功能是以開環或者閉環工作模式為依據，進一步對汽輪機發電機組的負荷實現有效控制。主要目標是讓汽輪機實發功率能夠達到功率給定值。當機組并網發電之后，轉速控制回路的轉速偏差實質上指的是電網實際頻率和額定頻率之間的差值。當發生頻差信號之后，為了電網頻率能夠得到有效調節，可以汽輪機靜態特性曲線為標準，把轉速偏差轉化為功率偏差，進一步利用負荷回路對機組的實際發功率進行調節，以此使機組參與一次調頻當中。

3）主蒸汽壓力控制。對于單元機組當中的負荷控制，主要存在三種模式。其中，汽輪機跟隨鍋爐模式與機爐協調模式的汽輪機控制系統均將機前壓力信號引入，汽輪機承擔了調節主蒸汽壓力的職責[3]。因此，在有些電業調節系統中，具備主蒸汽壓力控制回路設置，以機前壓力的偏差為依據，利用主蒸汽壓力控制回路產生閥門開度指令，最終使主蒸汽壓力能夠得到有效調節。

3 ?轉子應力控制的實現探究

1）轉子熱應力數字模型計算。為了使計算能夠簡化，一般吧汽輪機轉子當作一個圓柱體，并且這個圓柱體是無限長的。同時，在計算方面，只對圓柱體表面與中心空表面的熱應力進行計算。

溫差dT表示熱應力的大小：dT=T1-Tm。

其中，T1表示蒸汽接觸的缸體表面溫度;Tm表示缸體處于50%深度時的平均溫度。為了使熱應力不大于允許限值，可通過限值溫差不大于某一限值來實現。缸體與閥體，溫差限值以平均溫度Tm的函數進行設置，并與升/降速度或者升/降符合相對應，從而形成兩個限值，一個為上限溫差（dTpermu），一個下限溫差（dTperml）。

其中，上限溫度裕量ddTu=dTpermu-dT;下限溫度裕量ddTl=dTperml。

2）應力限制。實際應力和允許應力之間的差值通過汽輪機自啟停控制轉換器進行轉換，主要轉換為負荷目標值及變負荷速率等。進一步通過DEH基本控制功能實現對汽輪升速及變負荷的控制，最終形成一個閉環控制過程。在整個過程當中，需充分保證的是：轉子應力不能大于允許應力值。其中，包括了多個系統，具體表現如下：

①保護系統。其功能是，在汽輪機處于運行狀態，且出現危險的狀況下，保護系統能及時將全部進氣閥門關閉，以此規避重大事故的發生，進而起到保護汽輪機設備安全的目的。

②供油系統。現狀下，汽輪機控制用油使用最多的是高壓抗燃油，代替了之前所采用的汽輪機油。對于電液調節系統供油壓力，大多數選擇12～16MPa[4]。

③電液執行機構。主要組成部分包括油動機、閥位檢測器以及實驗電磁閥等。對于大型機組，通常需十套到十二套執行機構，分別對兩個高壓主氣閥進行控制，同時也對高壓調節閥及中壓主氣閥進行合理控制。液壓缸通常也稱之為油動機，多數使用彈簧服務液壓開啟式結構，液壓缸單側進油，在充油的時候閥門打開，液壓缸充油量決定了門閥打開行程的大小。在液壓泄油的情況下，通過借助彈簧的力量，閥門關閉。

4 ?結束語

在我國核電發展戰略逐漸推進發展的背景下，核電汽輪機的自動控制技術引起了制造商及用戶的高度重視。通過本課題的探究，筆者認為要想使我國核電汽輪機更具應用前景，需要在完善汽輪機熱應力控制技術的基礎上，學習并借鑒國外核電汽輪機先進控制技術，以此使我國核電汽輪機控制技術更具完善性，進一步為我國核電發展戰略的全面強化起到推波助瀾的作用。

參考文獻

[1]石麗國，郝軍紅，樊向松，海陽核電廠汽輪機墊鐵安裝與質量控制技術[J].電力建設，2013（12）：123-126.

[2]祝建飛，姚峻，吳建平.1000MW超超臨界汽輪機熱應力監測及自動控制[J].中國電力，2009（06）：21-24.

[3]廖均利，鄭展友.330MW汽輪機冷態啟動的熱應力控制[J].華北電力技術，2012（07）：28-30.

[4]黃海躍，楊宇，石兆元.核電CPR1000汽輪機啟動程序中熱應力控制策略[J].發電設備，2014（02）：90-93.endprint

摘 ?要 ?近年來，在社會經濟快速增長的背景下，國家相關部門越來越重視核電發展戰略。其中，核電汽輪機的自動控制技術便受到廣泛關注。筆者在分析核電汽輪機運行特性及汽輪機應力計算現狀的基礎上，進一步對轉子應力控制的實現進行了探究，希望以此為核電廠汽輪機熱應力控制技術的完善提供具有價值性的參考依據。

關鍵詞 ?核電廠;汽輪機;熱應力控制技術

中圖分類號：TK263 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0049-02

核電汽輪機組的特點極具明顯性，包括轉子大、蒸汽流量大以及蒸汽濕度高等[1]。這些特點使轉子所承受的機械應力大，同時也使由腐蝕導致的熱疲勞應力大。基于升、降功率及事故工況下，通常使用機跟堆模式，轉子則承受著較大的熱負荷與負荷變化。由此可見，轉子應力的控制及監測在核電汽輪機當中是非常關鍵的一項技術，它在很大程度上決定了汽輪機組的可靠性。鑒于此，本課題對“核電廠汽輪機熱應力控制技術”進行探討與研究具有尤為深遠的重要意義。

1 ?核電汽輪機運行特性分析

基于核電汽輪機當中的主蒸汽自帶0.25%～0.5%濕度的飽和蒸汽[2]。一般情況下，通流部分各級大多數位于濕蒸汽區。核電汽輪機和常規火電機組比較，核電汽輪機有汽水分離再熱系統增加。由此可見，對于核電汽輪機，其啟動、停止及運行特性不但和本身結構、系統設計及相關布置有關，而且還與汽水分離再熱器的結構存在聯系。

對于核電汽輪機的啟動與停機，通常使用額定參數啟動，調門則起到控制汽輪機加負荷與升速的目的。因所采用的是低參數飽和蒸汽，因此汽輪機在啟動暖機時間方面，要比火電機組汽輪機的啟動時間低，大概可降低1/3。另外，由于核電汽輪機的溫度較低，且汽輪機本體各部件的熱膨脹值較小，所以汽輪機在啟動及運行過程中，所受到的熱膨脹差均要小于火電機組受到的熱膨脹差。

2 ?汽輪機控制系統相關內容分析

對于汽輪機控制系統，包括諸多方面的內容，主要體現在監視系統與調節系統當中。其中，對于監視系統，主要是通過數據采集系統對汽輪機運行過程中的參數進行監視采集，一般歸分為熱工量與機械量。對于調節系統，則包括多方面的控制，具體表現如下。

1）轉速控制。轉速控制能夠使得大范圍內的轉速自動調節得到有效實現，進一步讓汽輪機轉速從盤車轉速慢慢向并網前的轉速上升，如圖1，便是轉速的升速率控制原理圖示。

圖1 ?轉速的升速率控制原理圖示

2）負荷控制。開始時間是從汽輪機啟動升速過程結束及機組完成并網任務之后。主要的功能是以開環或者閉環工作模式為依據，進一步對汽輪機發電機組的負荷實現有效控制。主要目標是讓汽輪機實發功率能夠達到功率給定值。當機組并網發電之后，轉速控制回路的轉速偏差實質上指的是電網實際頻率和額定頻率之間的差值。當發生頻差信號之后，為了電網頻率能夠得到有效調節，可以汽輪機靜態特性曲線為標準，把轉速偏差轉化為功率偏差，進一步利用負荷回路對機組的實際發功率進行調節，以此使機組參與一次調頻當中。

3）主蒸汽壓力控制。對于單元機組當中的負荷控制，主要存在三種模式。其中，汽輪機跟隨鍋爐模式與機爐協調模式的汽輪機控制系統均將機前壓力信號引入，汽輪機承擔了調節主蒸汽壓力的職責[3]。因此，在有些電業調節系統中，具備主蒸汽壓力控制回路設置，以機前壓力的偏差為依據，利用主蒸汽壓力控制回路產生閥門開度指令，最終使主蒸汽壓力能夠得到有效調節。

3 ?轉子應力控制的實現探究

1）轉子熱應力數字模型計算。為了使計算能夠簡化，一般吧汽輪機轉子當作一個圓柱體，并且這個圓柱體是無限長的。同時，在計算方面，只對圓柱體表面與中心空表面的熱應力進行計算。

溫差dT表示熱應力的大小：dT=T1-Tm。

其中，T1表示蒸汽接觸的缸體表面溫度;Tm表示缸體處于50%深度時的平均溫度。為了使熱應力不大于允許限值，可通過限值溫差不大于某一限值來實現。缸體與閥體，溫差限值以平均溫度Tm的函數進行設置，并與升/降速度或者升/降符合相對應，從而形成兩個限值，一個為上限溫差（dTpermu），一個下限溫差（dTperml）。

其中，上限溫度裕量ddTu=dTpermu-dT;下限溫度裕量ddTl=dTperml。

2）應力限制。實際應力和允許應力之間的差值通過汽輪機自啟停控制轉換器進行轉換，主要轉換為負荷目標值及變負荷速率等。進一步通過DEH基本控制功能實現對汽輪升速及變負荷的控制，最終形成一個閉環控制過程。在整個過程當中，需充分保證的是：轉子應力不能大于允許應力值。其中，包括了多個系統，具體表現如下：

①保護系統。其功能是，在汽輪機處于運行狀態，且出現危險的狀況下，保護系統能及時將全部進氣閥門關閉，以此規避重大事故的發生，進而起到保護汽輪機設備安全的目的。

②供油系統。現狀下，汽輪機控制用油使用最多的是高壓抗燃油，代替了之前所采用的汽輪機油。對于電液調節系統供油壓力，大多數選擇12～16MPa[4]。

③電液執行機構。主要組成部分包括油動機、閥位檢測器以及實驗電磁閥等。對于大型機組，通常需十套到十二套執行機構，分別對兩個高壓主氣閥進行控制，同時也對高壓調節閥及中壓主氣閥進行合理控制。液壓缸通常也稱之為油動機，多數使用彈簧服務液壓開啟式結構，液壓缸單側進油，在充油的時候閥門打開，液壓缸充油量決定了門閥打開行程的大小。在液壓泄油的情況下，通過借助彈簧的力量，閥門關閉。

4 ?結束語

在我國核電發展戰略逐漸推進發展的背景下，核電汽輪機的自動控制技術引起了制造商及用戶的高度重視。通過本課題的探究，筆者認為要想使我國核電汽輪機更具應用前景，需要在完善汽輪機熱應力控制技術的基礎上，學習并借鑒國外核電汽輪機先進控制技術，以此使我國核電汽輪機控制技術更具完善性，進一步為我國核電發展戰略的全面強化起到推波助瀾的作用。

參考文獻

[1]石麗國，郝軍紅，樊向松，海陽核電廠汽輪機墊鐵安裝與質量控制技術[J].電力建設，2013（12）：123-126.

[2]祝建飛，姚峻，吳建平.1000MW超超臨界汽輪機熱應力監測及自動控制[J].中國電力，2009（06）：21-24.

[3]廖均利，鄭展友.330MW汽輪機冷態啟動的熱應力控制[J].華北電力技術，2012（07）：28-30.

[4]黃海躍，楊宇，石兆元.核電CPR1000汽輪機啟動程序中熱應力控制策略[J].發電設備，2014（02）：90-93.endprint