某核電廠汽輪機低壓轉子膨脹異常分析與處理

王犇　劉東亮　趙書宇

【摘 要】介紹了某核電廠汽輪機低壓轉子膨脹監測值超過設計報警閾值的問題。通過分析和檢查，得出問題的根本原因是低壓轉子在汽輪機軸封蒸汽加熱作用下發生軸向膨脹，且該膨脹量遠大于轉子低速旋轉時泊松效應造成的軸向收縮量。現場制定、實施了解決方案，經驗證該方案解決了汽輪機低壓轉子膨脹監測值超過設計報警閾值的問題。

【關鍵詞】核電廠；汽輪機低壓轉子；膨脹；報警；降溫

中圖分類號： TM623.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0144-003

Analysis and Solutions for Turbine Low-pressure Rotor Abnormal Expansion at a Nuclear Power Plant

WANG Ben LIU Dong-liang ZHAO Shu-yu

（China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd， Guangdong Shenzhen 518124， China）

【Abstract】The paper introduces the problem of turbine low-pressure rotor monitor value was greater than design alarm threshold at a nuclear power plant. Through analysis and inspection， the root cause of the problem is low-pressure rotor under the effect of turbine shaft seal steam heating generate axial expansion， and this expansion value is greater than the axial shrinkage value which caused by Poisson Effect when turbine low-pressure rotor rotates at low speed. Develop and implement solutions for the problem which was solved after verification on site.

【Key words】Nuclear power plant； Turbine low-pressure rotor； Expansion； Alarm； Cooling

0 引言

某核電廠使用HN1119-6.43/280/269-H型汽輪機，該汽輪機為飽和蒸汽、單軸、四缸、六排汽、中間再熱、沖動凝汽式半轉速機，由1個高中壓合缸和3個雙流道、雙排汽低壓汽缸組成。機組設置有一個汽輪機低壓轉子膨脹監測通道（GME315MV）以監測3個低壓轉子剛性對接后整體相對汽輪機軸系死點位置的軸向膨脹量，用于指示低壓汽缸內軸向動、靜部件的間隙變化。該核電廠GME315MV設計一級報警（GME313KA）閾值為18.5mm，二級報警（GME413KA）閾值為19.5mm，其中GME413KA為建議手動停機報警信號。報警觸發代表低壓汽缸內軸向動、靜部件間隙超出設計許可范圍，動、靜部件可能因此發生機械摩擦，因此汽輪機低壓轉子軸向膨脹監測值對汽輪機運行安全而言有重要指示作用[1-2]。

該核電廠GME315MV安裝完成后在汽輪機在靜止工況下的監測值正常，當汽輪機主盤車啟動，投運汽機軸封系統（CET）和凝汽器真空系統（CVI）后GME315MV監測值逐漸增大至22.5mm，因監測值超過報警閾值，系統先后自動觸發GME313KA和GME413KA。停運CET和CVI系統后，GME315MV監測值呈逐漸減小趨勢，當監測值低于一級報警閾值后報警信號消失。

1 原因分析

1.1 測量原理

該核電廠汽輪機低壓轉子膨脹監測原理見圖2。當低壓轉子產生軸向膨脹后，3號低壓轉子上的測量凸肩隨之發生軸向移動，垂直臂的磁腳在磁力作用下跟隨凸肩移動使水平臂在垂直方向發生位移，水平臂上方的電渦流探測器測量感應電壓的變化，測量信號經系統處理后輸出汽輪機低壓轉子膨脹值。設計定義由低壓轉子向發電機側移動所造成的汽輪機低壓轉子膨脹值變化方向為正，反之為負向。

1.2 現場檢查

汽輪機低壓轉子膨脹監測報警觸發原因可從兩方面進行調查分析，首先是GME315MV輸出錯誤的測量值并超過報警閾值，其次是汽輪機低壓轉子發生真實的軸向膨脹造成GME315MV監測值超過報警閾值。

1.2.1 低壓轉子膨脹監測通道檢查

該核電廠汽輪機低壓轉子膨脹探測器安裝指導文件要求探測器安裝時低壓轉子軸系的溫度為20℃，探測器實際安裝過程中記錄的溫度為17℃，經汽輪機廠家計算分析，因這3℃溫差引起的監測值偏差為-0.69mm。現場監測到的數值比一級報警閾值大4mm，因此0.69mm的負向偏差不是正向4mm偏差的來源。若探測器靈敏度設置錯誤會使探測器輸出的測量信號被錯誤的偏差增益影響造成測量結果不準確。調試過程中已經對該探測器的靈敏度進行了檢查，并將現場檢查的靈敏度數值寫入組態中，與設備出廠試驗報告比較后發現現場檢查獲得的靈敏度和出廠靈敏度一致。低壓轉子膨脹監測通道檢查未發現足以導致問題發生的因素。

1.2.2 汽輪機本體檢查

汽輪機在啟、停和工況變動時，設備零部件將存在明顯的溫差，由于零部件的幾何尺寸及材質的不同，其熱膨脹也不盡相同，轉動部分的零部件膨脹要比靜止部分大，故動靜部分的間隙發生變化，因而可能危害汽輪機的安全[1-2]。現場檢查、對比發現，汽輪機啟動主盤車，在投運CET和CVI系統后低壓轉子受到軸封蒸汽加熱影響，其表面溫度開始升高，在熱脹冷縮效應下低壓轉子受熱后在軸向發生膨脹，使得盤車轉速（8rpm）下GME315MV監測值出現正向增大現象，低壓轉子持續受熱膨脹后就可能因此出現GME315MV監測值超過報警閾值的情況。

根據其它型號汽輪機的調試、運行經驗，汽機低壓轉子膨脹的最高監測值往往出現在汽輪機沖轉前，此時汽輪機轉速保持在較低的盤車轉速；汽輪機開始沖轉后，轉速逐漸升高至額定轉速的過程中，在泊松效應（又稱回轉效應）影響下，汽輪機低壓轉子受離心力作用發生徑向和軸向變形，在離心力作用下變粗變短，低壓轉子膨脹監測值會逐漸減小、直至相對穩定的維持在一個安全范圍內[3-5]。因此，在確認汽輪機低壓轉子膨脹監測通道安裝、調試合格前提下，造成引言中描述問題發生的原因可以鎖定為CET系統投運后，因汽輪機軸封蒸汽對低壓轉子的加熱作用使低壓轉子在軸向發生膨脹，該膨脹量遠大于轉子低速旋轉時泊松效應造成的軸向收縮，最終導致GME315MV監測值在正向出現超過其報警閾值的問題。

2 解決方案

盡管問題發生在汽輪機沖轉啟動前，由于汽輪機在盤車啟動后仍具有8rpm的低轉速，所以在GME315MV監測值超過二級報警閾值后，仍存在低壓汽缸內動、靜部件因軸向間隙過小發生機械摩擦的風險。解決該問題最直接的方法是對汽輪機低壓轉子采取合理的降溫措施，以減小低壓轉子在軸向的受熱膨脹量。

分析發現在汽輪機發電機組啟動、停運或低負荷運行過程中，蒸汽流量較低時低壓汽缸排汽不暢，由于汽輪機摩擦損失及鼓風損失產生的熱量無法被低壓汽缸排汽及時帶走，使得排汽溫度和末級葉片溫度上升，有可能導致葉片損壞，該型汽輪機的蒸汽和疏水系統（GPV）設置有低壓汽缸排汽口噴水降溫回路，用于防止低壓汽缸排汽口溫度超過限值。系統設計低壓汽缸排汽口噴淋閥（GPV221VL）用于控制低壓汽缸排汽口噴水降溫回路的投、退。分析設計邏輯可知當汽輪發電機組并網且所帶負荷低于20%額定負荷時，GPV221VL自動打開、噴水降溫；汽機跳閘后延遲10分鐘，GPV221VL自動關閉。

汽輪機沖轉前在盤車轉速下CET系統投運后軸封蒸汽對3段低壓轉子有加熱作用，但此時低壓汽缸排汽口噴水降溫回路并不投入運行。現場調試部門和汽輪機制造廠商聯合分析后決定在此工況下通過投運低壓汽缸排汽口噴水降溫回路為低壓轉子營造相對低的運行環境溫度，以實現降低低壓轉子溫度、減小低壓轉子軸向膨脹量至低于一級報警閾值的目標。現場對GPV221VL閥門控制邏輯進行優化，在原有控制邏輯的基礎上，新增在汽機跳閘信號存在且CET蒸汽母管溫度（CET006MT）大于100℃時自動開啟GPV221VL的控制邏輯

基于保守的安全原則，在GPV221VL控制邏輯優化后，對汽輪機低壓轉子膨脹監測通道的報警及動作響應方案也進行了優化。即，在汽輪機轉速大于500rpm后其報警維持原設計方案不變；當汽輪機轉速不超過500rpm時，將GME313KA的報警閾值由18.5mm調整為23.0mm，GME413KA的報警閾值由19.5mm調整為24.0mm，且 GME413KA觸發后需停運CET系統并破壞低壓汽缸真空，以避免低壓轉子軸向膨脹值進一步增大。

3 應用與驗證

按照前文給出的解決方案，現場對該核電廠GPV221VL的控制邏輯、組態進行修改， 在設計文件和DCS系統報警卡中補充GME313KA、GME413KA的新增內容。電廠DCS系統歷史記錄顯示盤車轉速下投運CET系統后軸封蒸汽溫度錄得最低值為130.35℃，GPV221VL按照優化后的控制邏輯自動開啟（低壓汽缸排汽口噴水降溫回路開始發揮作用），GME315MV監測值在汽輪機沖轉開始前及沖轉到200rpm并維持在該轉速平臺期間無明顯波動，其平均值為12.23mm。汽輪機升轉速至約300rpm后GME315MV監測值出現減小趨勢，當汽輪機轉速達到1500rpm時GME315MV監測值減小為5.75mm，汽輪機超速試驗過程中轉速飛升至1622rpm的同時GME315MV監測值錄得最小值為4.48mm，隨后汽輪機轉速自動回調至額定轉速1500rpm，GME315MV監測隨汽輪機轉速下降出現增大趨勢；GME315MV監測值的變化趨勢印證了前文關于汽輪機低壓轉子軸向膨脹量在高轉速下受到泊松效應影響的分析。汽輪機轉速穩定在1500rpm后查詢1小時內GME315MV監測值并計算得出平均值為5.27mm。

4 結束語

該核電廠在汽輪機沖轉前發現低壓轉子膨脹監測值超過二級報警閾值的問題后，通過分析測量原理及現場檢查，明確了汽輪機盤車轉速下低壓轉子受到汽輪機軸封蒸汽加熱影響發生軸向膨脹是導致問題發生的根本原因；現場制定了解決方案，經應用與驗證表明方案成功解決了上述問題，對于同型號汽輪機低壓轉子膨脹監測通道的調試和運行維護有直接參考價值。

【參考文獻】

[1]靳智平，王毅林.電廠汽輪機原理及系統[M].北京：中國電力出版社，2006：251-259.

[2]陳汝慶.汽輪機原理及運行[M].北京：中國電力出版社，2000：157-162.

[3]劉治國，李東峰.大型汽輪機轉子泊松效應對脹差影響淺析[J].機械工程師，2010（4）：151-152.

[4]郭鈺鋒，武志文，于達仁.200MW汽輪機轉子泊松效應的參數識別[J].汽輪機技術，2001，43（1）：32-34.

[5]宋偉.330MW汽輪機冷態啟動低壓差脹超限原因分析與處理[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2014（12）：153-154.