核電站汽輪機提升功率項目管理方法的研究與實踐

熊穎峰

摘 要：文章結合核電站汽輪機提升功率改造的工程實際經驗，針對核電項目與常規火電項目的不同點，闡述了核電站汽輪機提升功率項目的管理方法，包含：原因分析、技術方向、運作模式、執行手段、管理方法及經驗反饋等，涵蓋了可行性分析、設計、采購、制造、監造、運輸、驗收、儲存、安裝調試、維修策略及備件處理等方面的內容，可供核電站類似重大改造項目參考。

關鍵詞：汽輪機；功率；提升；項目管理

一般汽輪機提升功率改造的原因包含：壽期末的更新改造；備件問題；提高發電量；老化后性能下降、提升可靠性。當前，節能減排已上升到國家戰略的高度，推動企業節能技術改造成為一項重要內容。在運核電站在其換料周期和換料數量固定的前提下，如果通過技術改造提高機組的出力，則在核燃料總價不變的情況下增加發電量，可降低單位電價的發電成本、提高收益、增強競爭力。對舊汽輪機進行提升功率改造在國內火電廠已經廣泛實施，但是國內核電領域由于涉及核安全、可靠性等因素，改造經驗較少。文章結合某百萬千瓦級壓水堆核電站汽輪機高壓缸改造項目的工程實踐，歸納項目運作過程中的關鍵步驟，提出核電站汽輪機提升功率改造項目管理的思路和建議。

1 汽輪機提升功率項目的通用步驟及要點

1.1 項目管理過程主要有以下幾個方面

（1）前期準備階段（初步設計）：收集機組運行數據及外部經驗反饋，結合機組實際運行情況及設備檢修情況，完成可行性分析，確定改造的必要性、范圍和目標。（2）采購準備階段：編寫采購技術規范書，完成經濟性分析，完成供應商評審。（3）采購階段：招投標管理，技術澄清，預算控制，合同談判。（4）詳細設計階段：建立組織機構，確定職責分工，至少包含機械、電氣、儀控、運行、核安全專業人員；確定設計基準和驗收標準；分析相關系統的設計裕量及匹配性；完成詳細設計論證；提前考慮安裝空間、運輸、起重、檢修策略、汽輪機監測、專用工具等問題。（5）制造階段：設定質量控制點，按照計劃進行駐廠監造和出廠試驗。（6）設備交貨及驗收階段：提前制定包裝和運輸方案，確定驗收方法和關鍵點，落實現場儲存地點及保養方法。（7）現場安裝階段：要求制造廠進行工廠預裝，以節省現場安裝時間；設計階段完成起重設備的評估，核實安裝程序、人員及工具；針對現場安裝可能出現的尺寸偏差，制定風險預案和質量計劃。（8）改造后的相關工作：完成性能試驗，制定維修策略，舊設備處理。

1.2 項目經理職責

在重大技術改造項目中的作用尤為重要，合格的項目經理應至少履行的職責有：合理利用資源，建立組織機構，完成責任分工；制定工作計劃，制作進度時間表；供應鏈的管理；風險及意外事故的管理；項目費用的管理；項目組的協調和管理；高級管理支持；項目完整性管理；培訓。

2 采購技術規范書的要求

采購技術規范書應詳細地描述改造所需的設計和設備要求，但涉及的面盡量廣泛、通用，以允許更多的供應商投標。

采購技術規范書應至少包含：設計要求、質量要求、改造方案建議、安裝和裝配要求、服務要求、質量控制要求、文件要求、運輸要求、交貨期要求、性能驗收要求等，尤其設計要求部分應重點關注。

3 系統和設備的設計要求

3.1 總體要求

（1）分析改造原因，確定改造目標和技術方向。（2）確定系統運行參數和設計基準，包含：流量、壓力、溫度、接口要求、建筑物要求（基礎、支撐等）、水力部件設計裕量（泵組流量、壓力、流速等）、電源要求（容量、電壓、電纜路徑、絕緣、電機等）。（3）核電站需額外考慮事故工況運行條件、抗震要求、環境要求、安全管理要求、冗余、多樣性和獨立性要求。（4）汽輪機性能要求，包含：核島及常規島儀控系統匹配性、設計和安全功能、機組容量、材料特性、機械性能（振動、應力、撞擊、扭力等）、超速保護機構。（5）汽輪機設備物理特性要求，例如：尺寸、外形、重量、原材料成分、拉伸量、表面粗糙度、平行度、熱傳導性、疲勞特性等。（6）確定需改造的設備清單及備件清單。（7）確定改造設備及系統的接口及分界點。（8）系統設計輸出文件主要包含：計算報告、圖紙、系統手冊、技術規范書和FSAR要求，汽輪機輸出文件主要包含：設備圖紙、維修導則、備件清單、運行導則。（9）設計審查內容包含：設備兼容性、熱平衡等性能特性、運行條件限制、設計參數、扭轉特性、臨界轉速和轉子動平衡、軸承、對輪、原材料、化學特性、安裝和維修程序。（10）項目管理模式要求，例如管理導則、文件控制、制造過程控制等。

3.2 技術關鍵點

（1）改造一般會受到現有設備、系統的接口和參數限制，可能影響最終設計方案。任何設計裕量的改變均需參考原設計的計算報告、圖紙、采購技術規范書、系統手冊、設計基準文件、FSAR等，最重要的包含：發電機的冷卻能力、無功功率、勵磁機性能、主變壓器性能、蒸汽發生器老化、汽輪機排氣濕度、抽汽和疏水能力、凝氣器限制、汽輪機主蒸汽調節閥控制、給水泵和凝結水泵容量、換熱管泄漏或堵管情況、汽輪發電機組軸系扭矩和振動變化。（2）為防止項目執行過程中出現顛覆性的設計變更，造成不可挽回的損失，應在設計初期進行針對性評估，如：飛射物包容性評估、接口系統和設備的運行參數評估、轉子臨界轉速分析、軸系穩定性分析、超速特性評估、葉片應力分析、熱平衡分析等，以此判斷所選技術方向是否正確。（3）核電站反應堆給水控制、R棒控制等核島重要控制和保護系統均以汽輪機高壓缸第一級進汽壓力為標定基準，形成核島熱功率與汽輪機功率的對應關系，實現功率調節。汽輪機提升功率改造后由于第一級進汽壓力的變化，需要對棒控系統相關函數信號發生器重新進行計算和校驗，啟機階段在不同功率平臺驗證核島熱功率與汽輪機功率的匹配性，防止功率控制偏差引起的核安全風險。（4）壓水堆核電站的蒸汽濕度大，隔板靜葉喉部設計的改變會引起高低壓缸各級的蒸汽濕度發生變化，各級的蒸汽濕度必須控制在汽輪機通流部分抗沖刷的范圍之內。（5）分析改造對核電站重要系統的影響，評估在汽輪機升降負荷階段各種工況的安全性。

4 供應商資格審查和選擇

對供應商的工程設計能力、組織機構、制造能力、運行能力、檢修能力、采購能力、質保體系等方面進行評估。例如：供應商的業績；最新的質量認證證書、質保評估報告；供應商的設計和質保能力；投標文件，包含技術澄清、商務澄清。

5 制造要求

（1）在關鍵制造節點和試驗節點設置W點（質量見證點）和H點（停工待檢點）；（2）執行設備監造，包含焊接工藝、裝配、熱處理、加工、試驗、文件等方面的檢查；（3）明確工廠試驗和檢查的范圍及驗收標準：a.子鍛件檢查：超聲波檢查、化學成分分析、機械性能試驗、FATT曲線、最終超聲波檢查、熱穩定性試驗。b.精加工后的轉子檢查：葉片組裝前的磁粉探傷、高速動平衡試驗、超速試驗、超速試驗后檢查。c.動葉和靜葉檢查：化學成分分析、硬度檢查、機械性能試驗、超聲波檢查、磁粉探傷。d.隔板套和分流環檢查：化學成分分析、機械性能試驗、最終磁粉探傷、最終超聲波檢查、涂層滲透檢查。e.隔板檢查：化學成分分析、機械性能試驗（含硬度檢查）、無損檢查、焊縫滲透檢查、喉部尺寸測量。（4）制造文件至少包含：圖紙、程序、采購技術規范書、使用說明書、質量報告、材料鑒定報告、無損檢測報告、人員資質證明、檢查報告、質保規程、性能試驗報告、相關證書、推薦的備件清單等。（5）關注設備清潔度，避免造成核電站水質污染。

6 運輸要求

合適的運輸方式應在設計階段或制造階段進行評估，主要考慮：（1）費用和時間的限制；（2）尺寸、重量和外形的限制（尤其大型部件的運輸方式會有一些限制，應提前考慮）；（3）運輸方式（卡車、鐵路、海運、空運）；（4）運輸過程中設備損壞的風險；（5）出廠包裝方式（應考慮設置檢查視窗，安裝沖擊指示器）；（6）客戶和當地的特殊法律法規要求；（7）吊運工具、吊運方案、交貨地點。

7 到貨驗收要求

該階段的驗收重點在于檢查運輸過程中是否造成設備的損壞，以至于影響設備的結構、安裝和使用。檢查結果一般有：接受、拒絕和保留意見。（1）文件檢查；（2）按提前制定的驗收標準檢查；（3）輔助材料的檢查，包含：備件、工具、安裝輔材（墊片、墊塊等）、耗材（潤滑劑、焊條等）。

8 儲存和分段運輸要求

（1）確定設備的儲存等級；（2）評估現場儲存能力，包含：倉庫容量、照明、電源、防火和壓縮空氣系統；（3）設備保養，包含：定期盤軸、潤滑、防腐、氣體保養等；（4）起重設備的評估；（5）材料管理。

9 安裝要求

（1）成立現場實施組織機構，應包含實施小組和技術決策小組；（2）制定工廠預裝方案；（3）審核不符合項；（4）提前簽訂專家現場技術支持合同；（5）優化安裝步驟：吊運和就位、接口的分離和保護、設計偏離預案、裝配、接口連接、試驗和檢查等；（6）根據新舊設備的吊運順序，合理安排場地及行車；（7）準備輔材和專用工具，提前驗證工具、行車、電源、氣源的可用性；（8）對無損檢測、數據測量、文件記錄和機加工過程進行嚴格質量控制；（9）嚴格執行現場工業安全要求，關注重大部件吊裝風險；（10）編制啟機試驗程序，正式超速試驗前應通過注油試驗使飛錘連續動作多次，使其充分磨合。

10 試驗方法

按照GB 8117-1987《電站汽輪機熱力性能驗收試驗規程》與《ASME PTC6.0》編制試驗程序，改造前后分別進行性能試驗，通過對比試驗結果判斷改造后功率提升值。

11 維修策略要求

作為合同的一部分，供應商應提供新設備的預防性維修及維修周期的建議。項目組應平衡風險和可靠性，主要考慮風險程度、以往故障記錄、供應商建議、預防性維修任務，制定最優化的檢修策略。還應考慮不同類型設備的檢修經驗，制定定期檢修計劃和監測要求。

12 舊設備的處理

按照核電站冗余設計的理念，建議在設計和采購階段就決定戰略備件的管理方法，應向供應商多索取材料、尺寸、公差等信息，并對現有的人力、工具、財力、資質進行評估。主要考慮：（1）制定清洗和長期儲存方案；（2）環境污染的評估：危險化學品、放射性、環境法律法規的限制；（3）評估舊設備是否可以翻新或修補后用于其他電站的改造、科研機構，或出售給第三方；（4）如需包裝運輸，還需考慮包裝、吊運、放射性等問題。

13 結束語

核電站汽輪機提升功率改造后，不僅常規島相關參數會發生變化，而且還影響核島控制系統，其技術難度和核安全風險較高。所以，根據項目研究與實踐過程中的經驗，建議：（1）加大前期可行性研究的投入程度，提高設計論證能力，以確定合適的功率提升幅度；（2）準確核實各種核安全管理限值和設計準則，它們往往是項目成功的主要因素；（3）系統和部件的設計余量可以通過先進的方法充分挖掘和利用，但必須得到核安全局的批準；（4）關注汽輪機本體以外的CI&BOP系統和部件的分析論證，一般是它們限制了功率提升的幅度，一旦在設計階段被忽視，可能需要付出更多的成本來更新或改造。