核電汽輪機超速影響因素分析

張海軍

【摘 要】文章針對汽輪機超速問題和汽輪機超速保護系統進行介紹，并從閥門關閉延遲、逆止閥、轉子轉動慣量、濕蒸汽以及其他因素等方面來對影響核電汽輪機超速的因素進行分析，并且提出了相應的防止汽輪機超速的預防和控制策略，以供參考。

【關鍵詞】核電汽輪機;超速;影響因素

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）01-0011-003

0 引言

目前在核電站建設規模不斷擴大的形勢下，核電機組建設的首要問題就是保障安全性，這也是對核電汽輪機進行設計時的關鍵問題。而對核電汽輪機的安全性設計中最主要的影響因素以及需要進行考核的重要指標就是汽輪機的超速水平。尤其針對目前我國在核電技術快速發展以及不同地區進行核電站的建設和運行過中出現的典型核電站事故來說，還需要在目前第三代和第四代先進的反應堆基礎上，對核電站進行技術改造來滿足對設備安全性和可靠性提出的更高要求。為了提高核電汽輪機組運行的安全性，就需要從技術手段上來實現機組超速水平的降低以及核電機組關鍵技術指標的提高，實現對我國核電機組國內外市場競爭力水平的提高。

1 汽輪機超速保護系統

核電站運行中在蒸發器中產生的蒸汽通過主汽閥和調節汽閥進入汽輪機之后，就會帶動汽輪機的葉片進行轉動實現熱能向機械動能之間的轉換。但是在此并網發電運行過程中，如果電網出現問題而導致轉子的制動力矩小時，就會在用于發電的蒸汽能力的作用下而出現轉子加速以至于出現轉子超速的問題。

1.1 常規機組的超速保護系統

針對以上轉子超速的問題，汽輪機的控制系統中通常進行兩套保護功能的控制系統的設置，確保將轉速的設計限制控制在額定工作轉速的1.2倍。第一種保護系統就是當汽輪機的運行負荷超出30%時就會出現電機跳閘的現象，此時主要表現為超速保護控制系統的電負荷預測器動作，并且將OPC總管的電磁閥泄油打開實現主蒸汽調門以及再熱蒸汽閥門的快速關閉。第二種保護系統就是在LDA失效而導致轉速繼續上升時，一旦上升到額定工作轉速的110%～112%時就會引發危急遮斷器動作而對危急遮斷油釋放，從而實現所有蒸汽閥門的快速關閉。

1.2 核電汽輪機的電超速保護系統

核電汽輪機的電超速保護系統與上述常規機組的超速保護系統原理類似，也具有兩套保護系統，其中第一個保護系統功能就是如果出現汽輪機功率與負荷不平衡時，閥門收到的指令也會發生變化，并且變化之后與反饋的偏差就會超過25%，此時就會通過此系統中的快速動作控制功能來將調節汽門的快關電磁閥關閉而失電，實現主蒸汽閥門和再熱蒸汽閥門的快速關閉。而第二中保護系統功能就是在轉速繼續上升至額定轉速的1.1倍之后，就是導致有所有油動機的快關電磁閥失電而啟動電子危急遮斷系統，實現將所有蒸汽閥門的快速關閉來避免汽輪機發電機組的轉速超過額定轉速的1.2倍。

2 超速影響因素分析

2.1 閥門延遲和關閉時間

在核電汽輪機中，高壓缸進口之前會進行主汽閥、調閥的設置并且與核電主蒸汽進行連接，實現對進汽進行調節以及保護的作用。此外，在汽水分離再熱器和低壓缸之間的連通管道上會設置有再熱主閥和調節閥，如果機組運行中處于甩負荷的過程，其中的主汽閥就會對來自蒸發器的蒸汽進行切除，而且再熱閥會對來自MSR的蒸汽進行切除來對機組超速的問題進行預防。但是在核電汽輪機運行中根據其超速計算能量的原理，機組超速時閥門的關閉會有一定的延遲，這就會導致其中一小部分的高溫高壓蒸汽會進入汽輪機的高、低壓缸中，而進入的這部分蒸汽就會對轉子旋轉起到加速的作用而導致其轉速上升。而對閥門關閉延遲有影響的因素主要就是閥門的信號延遲時間、進入汽輪機的能量、閥門凈關閉時間以及進入汽輪機的能量等因素。因此在對核電汽輪機中的主汽閥和再熱閥進行選擇時，就需要在滿足管道汽錘工況考核以及充分考慮其經濟性的特點上，盡量選擇具有較短延遲和關閉時間的閥門。

2.2 逆止閥配置

核電汽輪機一旦出現超速的問題容易導致出現進水的問題，這就需要將逆止閥設置在同相給水加熱器或者其他用途的抽汽管道上，一旦出現甩負荷或者汽輪機跳閘的問題就會防止蒸汽從加熱器中向汽輪機中進行倒流。如果此超速問題發生時出現逆止閥失效的問題，就會由于壓差的作用而將蒸汽倒流入汽輪機中，因此也會在此高溫高壓蒸汽下導致轉速上升。通常規定對于百萬級別的核電汽輪機組來說，通常一路逆止閥出現失效問題就會導致其轉速增加大概0.2%左右。因此，為了滿足核電汽輪機組對于超速問題的嚴格控制要求，就需要采用1+1的逆止閥配置，就是在抽汽管道上將執行機構的逆止閥和不帶執行機構的逆止閥進行串聯來布置。如果只在一路抽汽管道中進行一個帶執行機構的逆止閥的配置，就對超速結果的計算提出了較高的要求，而且還要進行一路逆止閥失效時最危險工況的超速值的計算來作為考核的標準之一。此外，逆止閥的布置位置也會對超速結果產生不同的影響，通常是逆止閥在離汽缸抽汽口的位置比較近時就會縮小逆止閥前管道腔室內的容積，因此會減少閥前倒灌如汽輪機中的蒸汽數量。但是在具體位置布置時還需要根據實際抽汽管道設計情況來進行具體的布置。

2.3 轉子轉動慣量

轉子的轉動慣量就是轉子旋轉時的慣性，通常其轉動慣量增大15%就會降低超速值1%左右，而且影響轉子轉動慣量的主要因素就是轉子的質量、跨距以及葉片高度和通流分布等因素，因此在進行轉子轉動慣量的增大來降低超速值時，如果增加轉子的質量就會導致其制造成本的增加還會增加運行風險，這就需要在對機組進行設計和對轉子型號進行選取時，通過多種不同方案的對比來對轉子的結構進行優化，盡量在滿足經濟性以及應用性能的基礎上，提高轉子的轉動慣量來降低機組的超速水平。

2.4 濕蒸汽影響

核電機組通常具有比火電機組更低的參數但是具有較大的濕度，在進行超速計算時需要對腔室內的水分閃蒸能量進行考慮。如果汽輪機處于甩負荷的階段而閥門處于關閉的狀態，此時腔室內的壓力會下降會導致其中積聚的水分發生閃蒸，在一定的溫度壓力下就會導致汽輪機轉速上升的問題。正因為此問題，在核電機組中通常會設置有持環和隔板上的去濕溝和疏水以及除濕系統等，但是葉片和汽缸金屬表面等濕蒸汽區也會形成一定厚度的水膜并造成閃蒸能力等問題，就需要通過空心靜葉的選用并采取末級隔板加熱除濕等措施來將葉片表面的水分帶走。

此外，對超速結果產生影響的其他因素還有機組功率的大小、管道和汽缸等腔室容積的大小以及各腔室的蒸汽參數等，針對核電機組來說，這些數據都與核島堆型以及汽輪機的總體方案有關系，并且是由初始設計來決定的。

3 防止汽輪機超速的策略

針對汽輪機超速保護相關設備開發的針對性的預防性維修項目主要有各轉速探頭定期校驗、轉速卡件功能驗證、伺服閥檢修和伺服閥濾網更換、LVDT定期檢修;在發生超速事故時需要AST母管油壓能快速泄壓，為此需要對隔膜閥定期檢查，并對超速電磁閥（即AST及OPC電磁閥）及卸荷閥定期進行檢修。

定期試驗能夠提前發現能動設備或保護邏輯故障，提早處理，對系統和電站可靠性非常重要。定期試驗開發原則為，在設備可靠性分級后需要對不可見、失效的重要能動設備或邏輯開發定期試驗項目。超速相關的試驗主要包括MOST遠方和就地充油試驗、EOST停機試驗、OPC試驗、機械超速試驗（真實超速）、調速汽閥及抽氣止回閥全關試驗等。

4 結語

在對目前核電汽輪機中的超速保護系統以及對核電汽輪機出現超速問題的影響因素進行分析之后，提出了相應的預防和控制策略，對主汽閥和再熱閥的延遲和關閉時間進行縮短、對逆止閥配置進行優化，并對轉子結構進行優化來對軸系轉動慣量進行提高，還要對高效先進的除濕措施進行充分利用來進一步降低核電機組的超速水平，確保核電機組運行的安全性和可靠性。

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