核電半速機短時低負荷運行的系統設備可靠性分析

大亞灣核電運營管理有限責任公司 陳杰 彭展業 朱才華

引言

近年來，受各種因素影響，對長期帶基礎負荷運行的核電機組也提出了短時間或部分時間降負荷運行的要求，本文不對降負荷運行過程中的機組反應性控制方面情況做更多評價，而只側重從機組的系統設備可靠性方面進行分析,為機組的安全運行提供支持，分析的數據曲線主要來自核電半速機的一次實際運行工況。

本電廠共有4臺全速汽輪機和2臺半速汽輪機投入商業運行。2017年1次臺風來襲，電網要求電廠從運行機組中選擇兩臺機組降負荷至50%負荷，考慮到每臺機組的具體情況以及50%負荷堆芯控制困難，電廠經分析最終選擇1臺半速機從當時已經降到的833MW平臺繼續降至100MW低負荷運行,臺風過后重新升回正常負荷，實際低負荷持續運行時間3.5小時，后面對這個過程進行了參數分析。

1 低負荷下各系統設備運行狀況及影響評估

通過全面檢查100MW低負荷短時運行的主要系統設備狀態和參數情況，對低負荷運行的設備可靠性進行評估分析。

1.1 主汽輪機及其相關系統設備

總體情況：本機組包括1個高中壓缸及兩個低壓缸。短時低負荷運行期間，檢查主汽輪機及其相關系統設備運行正常，參數無異常。低壓缸振動有輕微波動，但幅值不大。各主要參數情況如下：

高中壓缸轉子振動無明顯異常，但升降負荷期間有輕微波動，見下圖：

高中壓缸轉子振動微波動圖

1號、2號低壓缸轉子振動無明顯異常：但升降負荷期間有輕微波動，見下圖：

1號低壓缸轉子振動圖

主汽輪機系統設備相關的其他參數評價：高中壓缸、1號/2號低壓缸、發電機等的軸瓦振動、軸瓦溫度及軸承箱回油溫度等無明顯變化；高中壓缸、低壓缸體膨脹及脹差、推力瓦溫、轉子軸向位移、高中壓缸以及低壓缸的排汽溫度、壓力等隨負荷變化有正常相應變化；低壓缸噴淋水無異常，降負荷至20%負荷自動投運，升負荷至20%負荷后自動退出；高中壓缸的缸體及法蘭溫度在降負荷期間可見下降趨勢。高壓缸調節閥的閥位3.1%，SD=4.3%，中壓缸調節閥位48%，閥門開度平穩。但低負荷情況下高中壓調節閥油壓波動幅度增加，油壓脈沖增加，長期低負荷運行增大了高中壓調節閥動力油進口軟管破裂風險，見下圖：

2號低壓缸轉子振動圖

發電機轉子振動無異常圖

長期低負荷運行軟管破裂風險圖

潤滑油和調節油系統的油壓、油溫、油位、濾網壓差等無異常，未受升降負荷影響。

低負荷下汽水分離再熱器系統設備總體運行無明顯異常，但各疏水罐液位調節波動比滿負荷時略大。另外，由于低負荷下疏水量的不穩定性，疏水的再循環閥開始頻繁的開關調節，進一步增加了混合疏水箱液位調節的難度，增大了疏水泵跳閘的風險。汽水分離再熱器的殼體、再熱器管板的壓力、溫度無異常；疏水箱壓力、溫度、液位等無異常，但可見液位調節波動。

CET軸封壓力、溫度等無異常圖

1.2 給水相關系統設備

總體情況：短時低負荷運行期間，檢查給水相關系統設備運行正常，參數無異常，但給水泵振動明顯上升，因此不建議長期低負荷運行。

低壓加熱器系統設備運行無明顯異常。低負荷運行對低壓加熱器的主要影響參數是抽汽壓力、抽汽流量和給水流量，這些變化都在設計范圍內，對低壓加熱器運行無特別影響。

除氧器系統設備運行無明顯異常。低負荷運行時，除氧器壓力會降低，給水流量會有所變化，但變化都在除氧器設計范圍內，對除氧器運行并無特別影響。

電動給水泵系統設備運行無明顯異常。低負荷運行時，泵組處于低負荷狀態，偏離最佳設計運行工況，壓力級泵振動上升比較明顯，有振動值會超過100μm（正常振動值在20～50μm之間），泵長期處于振動高狀態下運行會導致泵機封泄漏，泵相關小支管泄漏等異常，嚴重情況下會導致泵不可用，因此不建議電動給水泵長期處于低負荷運行。

高壓加熱器系統設備運行無明顯異常。本機組高加的應急疏水閥因為原始設計原因存在開啟時易卡澀問題，但最近幾年停機在低負荷時閥門開啟后能正常調節，此情況暫對高加可用性沒有影響。低負荷時高加抽汽壓力、抽汽流量、給水流量等會有相應的變化，這些變化都在高加設計范圍內，對高加運行無特別影響。

1.3 凝汽器及旁路相關系統設備

總體情況：短時低負荷運行期間，檢查凝汽器、凝結水泵、真空泵及旁路相關系統設備運行正常，參數無異常。

1.3.1 凝結水抽取系統設備運行無明顯異常

低負荷下給水調節閥開度減小，再循環閥開啟，凝結水泵出口壓力升高，這些變化均在系統設計范圍內。但實際由于系統設備的布置等因素，再循環閥在大開度運行時振動略微偏大，長期低負荷運行時可能導致氣動頭各儀控部件及儀表供氣管線接頭承受更多的考驗。若需低負荷長期運行，則需在系統配置上作一些調整，停運一臺凝結水泵，維持單臺凝結水泵運行，以降低再循環閥門開度，減少振動影響。

1.3.2 真空抽取系統設備運行無明顯異常

低負荷下凝汽器真空將趨好，凝結水抽取系統氧含量逐漸升高，短期運行對二回路系統設備運行影響較小，但長期運行可能增加二回路腐蝕。本次低負荷運行時，由于海水溫度較高，二回路氧含量最高僅到6ppb左右。凝汽器固有特性決定了當海水溫度較高時氧含量相對較低，故海水溫度較低時氧含量上漲幅度較大，如冬季低負荷運行，則氧含量甚至可能達到20ppb，此時若長期低負荷運行，則可能對二回路設備腐蝕控制方面帶來不良影響。

1.3.3 汽輪機旁路系統設備運行無明顯異常

低負荷下可能需要開啟旁路閥門，通過旁路排放平衡一回路和二回路負荷。低負荷運行狀態屬于系統正常設計范圍，理論上長期低負荷運行對汽輪機旁路系統無影響，但由于本機組的凝汽器設計存在先天性不足，蒸汽流速過大或流場惡化可能改變鈦管的振動形態，增加鈦管斷裂風險。旁路長期蒸汽排放對鈦管的影響難以準確評估，根據電廠運行經驗來看，不建議長期維持旁路排放。另外，低負荷持續運行時可以通過調整反應堆負荷使一、二回路達到匹配。

1.4 循環水及冷卻水相關系統設備

總體情況：短時低負荷運行期間，檢查循環水、循環水過濾系統及冷卻水相關系統設備運行正常，參數無特別異常。

循環水系統設備運行無明顯異常。低負荷不影響循環水量，循環水系統運行不受低負荷影響。

循環水過濾系統設備運行無明顯異常。系統不受負荷變化的影響。

輔助冷卻水系統設備運行無明顯異常。由于流量不變，系統不受負荷變化影響。

常規島閉路冷卻水系統設備運行無明顯異常。低負荷導致用戶閥門開度減小，冷卻水需求量減小，再循環調節閥自動對冷卻水量進行調整，保證泵出口壓力及系統總流量不變。目前，再循環閥在低負荷下的調節裕量足夠，對系統影響較小。

1.5 發電機、發電機輔助系統及變壓器

總體情況：短時低負荷運行期間，檢查發電機、發電機輔助系統及變壓器相關系統設備運行正常，參數無異常。

發電機定子線棒溫度、定子線棒出水溫度、轉子溫度、氫氣溫度都相應降低，發電機轉子振動基本保持穩定，期間所有參數均保持正常范圍。

發電機輔助系統中的定子冷卻水系統、發電機密封油系統、發電機氫氣冷卻系統以及發電機氫氣供應系統中除了定子冷卻水系統的冷卻水調節閥在低負荷下開度小對調節穩定性有影響外，其他無明顯異常。

變壓器在機組低負荷運行期間主廠變頂層油溫、繞組溫度等各項參數均正常，現場未見跑冒滴漏現象。變壓器低負荷運行對變壓器壽命有利。但對于密封材料而言，因受溫度變化影響導致壓縮量的變化，可能會導致變壓器漏油。

1.6 一回路主設備

總體情況：短時低負荷運行期間，檢查一回路主設備相關系統設備運行正常，參數無異常。

1.6.1 主泵運行無明顯異常

降負荷期間，一回路進行多次換水及壓力控制，三臺主泵軸封注入流量增加0.3m3/h左右，一號密封室水溫下降1.3℃左右，三臺主泵一號密封泄漏流量 由520/489/551L/h上 漲 至590/545/640L/h左右，其他主泵參數基本穩定。

主泵設計在一回路壓力25bar以上運行，降負荷與滿負荷運行時一回路壓力均為155bar，因此降負荷運行滿足主泵運行條件。降負荷期間一回路的操作會影響主泵一號密封泄漏流量，當主泵一號密封泄漏流量達到1.2m3/h時報警，達到1.4m3/h時自動停泵，在降負荷后需要加強對主泵一號密封泄漏流量的監視。

1.6.2 穩壓器運行無明顯異常

機組降負荷及升負荷需要投退穩壓器加熱器，此時需要穩壓器噴淋閥自動調節開度來控制一回路壓力，設計上對噴淋閥動作次數沒有明確限制。檢查本次降負荷后噴淋閥開度頻繁變化，一方面可能損壞噴淋閥最小開度限位擋塊，另一方面可能導致噴淋閥盤根泄漏增大導致一回路泄漏率增加。因此，雖然降負荷短期內不會對機組造成影響，但從保證設備長期穩定運行方面考慮，應盡量保持穩定正常負荷運行。

1.6.3 主蒸汽隔離閥運行無明顯異常

查詢降負荷前后閥門各參數均在合格范圍內，降負荷對主蒸汽隔離閥的參數沒有特別影響。

1.6.4 主蒸汽安全閥運行無明顯異常

機組降負荷后，主蒸汽壓力及流量會出現相應的變化，當機組降負荷至100MW平臺時，主蒸汽壓力上升到了7.21MPa，此次降負荷并未發現有主蒸汽安全閥出現前泄的異常，設備運行情況正常。

2 半速汽輪機的設計要求

本半速機低負荷運行是設計要求的工況之一，機組設計應滿足該工況運行要求。

本半速機主汽輪機設計基準及安全準則如下：對沖轉啟動的次數有限制，但對低負荷運行的時間及次數無明顯限制。此外，對負荷快速變化也有次數限制，比如在2小時內100%負荷快速下降至50%負荷或50%負荷快速提升至100%的次數限制為15000次。

機組低負荷運行時，考慮低壓缸末級葉片的鼓風效應，可能導致低壓缸末級葉片超溫，設計要求20%負荷下進行末級葉片噴淋冷卻。同時，在小容積流量下運行時，在葉片根部及頂部產生渦流區，將產生強烈的漩渦損失，使級效率進一步下降，并且會使葉片產生強烈的振動，導致動應力增加，對葉片存在不利影響。

3 本電廠及外部機組運行經驗反饋

機組實際的運行經驗往往是有重要參考價值的，從本電廠兩臺半速機的調試歷史及此前遇到臺風的短時降負荷運行的歷史情況看，機組短時低負荷運行未見即時明顯異常。本電站3、4號機組調試期間，帶廠用電負荷水平連續運行時間超過此次降負荷運行時間。

本電站4號機曾在2016年4月的1次停機降負荷過程中有振動表現異常的情況，在降負荷到150MW左右時開始出現轉子振動上升趨勢，導致解列后機組比計劃提前打閘。大修中進行針對性檢查、測量及分析，并對汽缸位置進行了調整，大修啟機振動良好，后續啟機及停機均未見異常。

其他電廠的半速機也有振動高問題的類似反饋，原因基本是比較清楚的，有一些是系統控制問題，有一些是瞬態對設備狀態產生影響沒有及時消除導致后果擴大問題，但總體講比本電廠全速機的低負荷運行表現要穩定。

4 總體評價

從本次核電半速機的短時低負荷運行實際表現、設計要求以及內外部的經驗反饋情況來看，機組系統設備的調節性能及反應總體是良好的，是滿足短時低負荷運行要求的，各系統設備參數變化總體上都在可接受范圍內。

但從機組系統設備特性來說，部分系統設備長期低負荷運行時性能可能受到影響，部分系統設備可能需要調整運行方式以改善設備的運行狀態。比如，低負荷情況下高中壓調節閥油壓波動增加，油壓脈沖增加，長期低負荷運行可能增大高中壓調節閥動力油進口軟管破裂風險；電動給水泵組處于低負荷狀態，偏離最佳設計運行工況，壓力級泵有振動上升問題；穩壓器噴淋閥頻繁動作，可能損壞噴淋閥最小開度限位擋塊和導致噴淋閥盤根泄漏增大問題等。

在低負荷運行中需要重點考慮主汽輪機的振動問題。從理論上講，半速機轉子較全速機轉子更重，轉動慣量更大，更不易于被激起振動；從機組運行經驗來看也是如此，半速機低負荷振動性能表現較全速機優良。但實踐也證明，半速機振動一旦被激起則干預起來較全速機要困難。半速機組振動高問題出現后，較難通過運行方式調整等非停機檢修手段進行干預消除。從實際運行數據來看，短時低負荷運行機組總體振動情況良好。

在低負荷運行中也需要重點考慮低壓缸末級葉片的影響。低負荷運行時蒸汽參數偏離設計值，流量變小，在末級葉片的根部易出現汽流脫離，形成渦流區，汽流反向沖擊葉片根部部分，因半速機末級葉片較長，低負荷運行時其汽流分離的相對高度大, 形成的渦流區也較大。

另外，低負荷運行時，末級動葉片根部區域的渦流形成的激振頻率極可能倍數于某一末級葉片的固有頻率, 形成共振，使葉片出現自激振動而動應力突增, 造成葉片的破壞。實際運行暫未見異常，但因存在時間累積效應，故影響較難定量分析。

5 小結及建議

從短時低負荷運行系統設備運行情況看，機組系統設備未見即時明顯異常，短時間低負荷運行是允許的。但考慮低負荷運行期間，常規島系統的調節不穩定以及低負荷運行期間蒸汽特性對汽輪機末級葉片的不利影響，對核島一些設備狀態的影響，以及本文沒有分析的對反應性控制方面的不利影響等方面因素，不建議機組經常低負荷運行及長時間低負荷運行。

在特殊情況下，考慮機組保持低負荷運行還是解列重新并網甚至汽機打閘重新沖轉并網時，鑒于解列重新啟動并網對系統設備的考驗及影響，則建議盡量選擇短時低負荷運行。在臺風等惡劣氣候下，保證機組的電源可靠性將至關重要，在配合電網調整負荷時，還需要兼顧機組的安全性、重大設備的可靠性和控制方式的靈活性。

綜合各方面考慮，建議今后在遇到臺風等惡劣天氣時，當電網要求電站進行深度降負荷而沒有其它機組負荷適合調整時，可考慮將半速機短時降功率至對外界異常進行響應的低負荷狀態運行，再根據臺風過后的天氣狀況及電網負荷需求及時進行機組控制方式的調整，盡早恢復機組的正常運行狀態。