再熱蒸汽溫度控制對核電機組運行可靠性的影響

鮑旭東，顏鐵光

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再熱蒸汽溫度控制對核電機組運行可靠性的影響

鮑旭東，顏鐵光

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

某核電百萬等級汽輪機在啟動和停機過程中，發生了多起與汽水分離再熱器（MSR）系統相關的設備故障和非計劃停機運行事件。通過電廠設備運行數據及運行事故過程的分析發現，MSR系統設備的運行操作對汽輪機安全穩定運行有重大影響，需要優化MSR再熱蒸汽溫度控制方式，評估再熱器管板溫度變化超限對設備可靠性的影響。由于高中壓汽缸蒸汽參數的變化過快易引起汽缸熱應力過大甚至變形，在汽輪機設備啟停和低負荷運行期間，需要重點關注MSR再熱蒸汽溫度控制不當可能會引發汽缸變形和動靜碰磨的問題。

汽水分離再熱器；再熱蒸汽溫度；汽輪機；高中壓汽缸；熱膨脹

1 設備概述

某核電廠的2臺百萬千瓦級核電汽輪機組技術采用引進法國ALSTOM半轉速（1 500 r/min）ARABELLE機型，每臺汽輪機由1個高壓缸（HP）、1個中壓缸（IP）和2個雙流低壓缸（LP）組成，配套2臺汽水分離再熱器（MSR）設備。新蒸汽進入汽輪機高壓缸做功后的排汽被引入MSR進行汽水分離，經兩級再熱器加熱后的再熱蒸汽進入中壓缸繼續做功（圖1）。MSR的分離器、一級和二級 再熱器分別設置有獨立的疏水箱及疏排水系統，其中分離器的殼體疏水箱設置有高高液位跳機保護，防止汽輪機進水。

高中壓汽缸缸體為單層的薄壁結構，由高中壓外汽缸（低合金鋼鑄件）與中壓排汽缸（普通碳素鑄鋼鑄件）兩部分組合而成，兩上下汽缸的垂直中分面用螺栓連接成為整個外缸的上下兩半，然后水平中分面用大螺栓緊固為一體[1]。高壓缸為9級通流、中壓缸為4級通流，進汽口位于高中壓汽缸的中部，做功蒸汽在缸體內相向流動，高、中壓排汽分別位于汽缸兩端。采用合缸結構的高中壓汽缸結構尺寸較大且復雜，汽缸內部通流部件的溫度場較為復雜。外汽缸上設有高壓進排汽口、中壓進排汽口、抽汽口等多個大口徑管道接口（圖2）。管道在冷態和熱態時，分別在汽缸接口位置產生作用力，其大小和方向不僅影響汽缸的穩定性，還影響汽缸接口處的強度[2-3]，也會對汽缸熱脹冷縮產生約束。

圖1 高中壓汽缸和MSR系統布置

圖2 高中壓合缸模塊縱向剖面

2 MSR運行方式的影響

2.1 MSR再熱溫度控制的方式

核電機組通過MSR的汽水分離和兩級再熱提升中壓缸或低壓缸入口蒸汽溫度，以提高汽輪機組的循環熱效率，降低排汽濕度，減少汽輪機零部件的腐蝕，提高機組的運行可靠性。由圖1可見：MSR一級再熱器的加熱汽源取自高壓缸抽汽，一級再熱蒸汽閥GSS111VV/112V不進行調節；二級再熱器的加熱汽源取自主蒸汽，再熱蒸汽溫度由壓力控制閥GSS001VV/002VV進行調節。MSR出口的再熱蒸汽溫度控制通過調節二級加熱蒸汽壓力的方式間接實現，將壓力信號作為被調量是因為壓力信號響應時間短。MSR啟動狀態取決于二級再熱器的管板溫度，當管板溫度低于120 ℃時，二級管束需要進行通風和預熱。通過二級再熱壓力控制閥調節蒸汽壓力。隨著管板溫度上升，二級再熱壓力逐漸降低至與暖管要求相適應的最小值（約為200 kPa），二級再熱管板溫度高于140 ℃時預熱自動停止，汽輪機可以啟動[4]，圖3為MSR溫度和壓力參數控制曲線。由圖3可見：在并網升負荷階段，二級再熱蒸汽壓力控制閥根據機組負荷變化逐漸打開，控制二級再熱管板的溫度上升；當機組在70%額定負荷以上時，2個壓力控制閥全開；在降負荷階段，機組降至70%額定負荷以下時，MSR壓力控制閥開始關閉。一級再熱器的加熱蒸汽不進行調節，隨汽輪機啟停自動投入運行。

圖3 MSR溫度和壓力參數控制曲線

依據汽輪機設備運行操作規定，當汽輪機中壓進汽法蘭中間壁金屬溫度低于150℃時，機組為冷態啟動；高于150℃時，機組為熱態啟動。上述MSR啟動過程中，二級再熱蒸汽壓力控制閥根據機組負荷變化逐漸打開，而且二級再熱管板溫度高于140 ℃時停止預熱，并未充分考慮在啟動前進入中壓汽缸進口溫度與汽輪機啟動的冷熱狀態相匹配的問題。某臺引進美國西屋三十萬核電機組，為了確保各種運行工況下進入汽輪機的蒸汽溫度與汽缸狀態相匹配，采用直接測量MSR出口蒸汽溫度進行閉環控制方式，并設置自動控制模式，如將MSR自動控制模式細分為冷態啟動、熱態啟動、滑溫、基本負荷運行、低負荷和脫扣停機等模式以控制MSR出口蒸汽溫度變化速率不超過56℃/h[5]。

2.2 MSR再熱器管板溫度的變化

MSR一、二級再熱器管束都為U型鐵素體不銹鋼翅片換熱管，加熱蒸汽沿著水平U型管束由高向低流動。由于MSR的一級再熱器的加熱汽源無法調節，也未設置預熱系統，在汽輪機沖轉升速至1 500 r/min和并網帶初始負荷過程中，一級再熱蒸汽溫度均出現躍升趨勢，造成一級再熱器管板溫度隨之快速變化。由圖4可見：機組冷態啟動的升速過程中，一級再熱器管板溫度由47.79 ℃上升至87.5 ℃，最大上升速度4.58 ℃/min；機組熱態啟動時，因一級再熱器管板溫度維持較高水平（約125.5 ℃），在沖轉過程中管板溫度出現下降趨勢，而在并網帶初始負荷過程中又從92.28 ℃快速回升，一級再熱器管板溫度瞬時最大上升速率達到了3.84 ℃/min。如果沖轉前或在并網前的一級再熱管板溫度較低，則當汽輪機沖轉升速率或升負荷速率過快時，一級再熱管板溫度的上升速率也較大。查詢某機組多次啟動過程的歷史運行數據，在一次機組并網帶初始負荷過程中一級再熱器管板溫度瞬時最大變化速率達到了5.09 ℃/min。相對而言，由于二級再熱器投入前須進行管束預熱，在沖轉、并網過程中二級再熱器管板溫度變化幅度不大，但如果管板溫度控制偏高，會出現管板溫度先降后升的小幅度變化趨勢。

根據制造廠的設備運行維護要求，MSR的再熱器管板溫度的溫升率控制在4 °C/min內[6]。MSR管板溫度變化的幅度過大或交替變化，會造成材料熱疲勞，同時也會在管束、管板等構件的焊縫處產生交變熱應力，造成構件產生變形甚至焊縫開裂引起泄漏。參照某核電廠百萬汽輪機組的配套設計，MSR的一級再熱器設有新蒸汽后備系統，該系統不僅可用于一級再熱器的預熱，還可用于防止機組負荷小于35%額定負荷且再熱管板溫度高于130℃時傳熱管的過度冷卻[7]。

2.3 MSR殼體及再熱器疏排水系統的可靠性

某核電站二期１號汽輪發電機組的MSR系統調試運行過程中，發現導波雷達液位計質量缺陷、疏水管道布置及疏水調節等設計問題，導致發生多次抽汽再熱器（第一級）、新蒸汽再熱器（第二級）隔離，甚至發生機組跳閘事件，對機組的運行造成了很大的影響[8]。機組在低負荷運行期間，MSR的一、二級再熱器的疏水排放和掃排氣需進行正常管線與緊急管線之間的切換，切換操作會對一、二級再熱疏水箱液位控制產生不穩定的影響，容易引起疏水箱液位連續波動，嚴重時會引發設備故障，危及機組安全穩定運行。對此，操縱員必須特別關注升降至30%功率左右時MSR系統運行參數的變化，避免MSR再熱器排汽和疏水系統異常，引發機組瞬態和不穩定運行。由于在低負荷工況（30%額定負荷）下，MSR二級再熱疏水壓力和焓值較低，同樣的高差下疏水閃蒸比例大。特別是要防止MSR殼體壓力變化快導致殼體疏水箱上部空間出現 蒸汽大量閃蒸現象，以免殼體液位測量受到嚴重干擾[9-10]。

3 MSR對機組安全運行的影響

3.1 汽輪機啟動、升負荷階段的影響

某核電廠的2號機組調停小修后冷態啟動，汽輪機沖轉、并網后，功率以3 MW/min速率升至 330 MW過程中，高中壓汽缸的1、2號軸承振動值出現爬升現象，操縱員降低負荷試圖穩定振動值，但在短暫穩定后振動值仍繼續上升到182 μm，操縱員被迫手動打閘停機（圖5）。經過振動監測數據分析，機組功率升至330 MW左右時，1、2號軸承的、方向一倍頻振動幅值成倍增大，相位也快速變化，由此判斷高中壓轉子發生了動靜碰磨和熱彎曲現象。停機后經過24 h連續盤車，消除 高中壓轉子熱彎曲，再次重新沖轉、并網，以1 MW/min的速率升負荷至滿負荷過程中，2號汽輪機各軸瓦振動正常。由圖5可見：由于汽輪機軸封蒸汽（溫度為188 ℃）通過兩端軸封進入高中壓汽缸，在沖轉前使高、中壓排汽缸溫度分別升高到95、106 ℃左右；在沖轉過程中，高壓排汽缸溫度先下降后隨著進汽流量增加而上升；中壓排汽缸溫度下降趨勢則較慢，直到并網升負荷后，MSR二級再熱器投入，隨著中壓缸進汽蒸汽溫度上升而升高。這主要是由于汽輪機在1 500 r/min空載運轉時，進入高中壓汽缸做功蒸汽較少，受轉子葉片鼓風效應影響，高中壓排汽缸維持較高溫度。并網后隨著進汽流量的增加，汽缸被蒸汽冷卻出現溫度下降的趨勢，這也反映出汽輪機啟動及低負荷運行階段時高中壓汽缸內部流場和溫度場變化的復雜性，其不僅與進入高中壓汽缸的蒸汽流量、溫度參數變化有關，還與MSR高中壓汽缸之間的系統設計布置有關。由于該單層薄壁的高中壓汽缸的結構尺寸較大且復雜、剛性差[11]，當進入汽缸的蒸汽溫度變化過快時，若出現汽缸受力不均或熱膨脹受阻現象，會造成汽缸變形量過大而引起動靜部件徑向間隙消失，在高中壓汽缸的端部及中間軸封部位發生動靜碰磨進而引發機組振動問題。為此，需在機組并網至低負荷運行階段，密切監控MSR再熱蒸汽溫度控制情況，并根據機組振動變化趨勢，及時保持負荷進行充分曖機，以確保汽缸膨脹順暢。

圖5 2號汽輪機冷態啟動過程參數曲線

3.2 汽輪機降負荷、停機階段的影響

某核電廠的1號機組按計劃停機檢修，當汽輪機從30%降負荷時，因MSR的二級再熱疏水箱液位計發生故障，造成疏水箱液位控制失效，觸發MSR二級再熱加熱進汽閥自動關閉。因2臺MSR二級再熱器同時停止加熱，中壓缸進汽溫快速下降，與此同時汽輪機高中壓汽缸前后的1、2號軸承振動值開始上升到高報警值（90mm）。由于中壓缸進汽參數大幅下降的影響，汽缸體金屬溫度與蒸汽溫度的差值較大，產生劇烈的對流換熱，引起低壓缸內壁及通流部件的冷卻收縮。此機組在降負荷過程中發生高中壓汽缸前后軸承振動上升與中壓汽缸進汽溫度快速下降的變化趨勢有相關性。根據文獻[12]的研究分析，由于核電汽輪機的汽缸尺寸大，上下缸同一橫截面的溫差為10 ℃左右，將引起約10%的間隙變化。特別在低負荷運行時，若出現疏水不及時，會出現汽缸受熱不均，造成上下缸溫差變大，極易引起汽缸變形而產生動靜部件碰磨。如果轉軸本身溫度較高，再附加摩擦的熱效應，以及材料隨溫度升高，屈服極限明顯下降，一旦發生轉軸局部動靜摩擦，很容易產生塑性彎曲變形[13-14]。轉子熱彎曲將會加劇轉軸動靜碰磨，必然發生汽輪機軸承振動值快速上升而停機。

4 結論與建議

1）MSR設備及其疏排水系統的可靠運行，對于汽輪機的安全穩定運行至關重要。若MSR再熱器加熱蒸汽溫度控制不當，不僅影響MSR設備自身的可靠性，還會對機組安全運行產生較大影響。特別是在機組啟停和低負荷工況運行時，若MSR出口蒸汽溫度變化過快，會使中壓缸內壁溫度隨蒸汽溫度變化較快，易產生較大的熱變形和熱應力。一旦出現局部動靜碰磨會引起轉子熱彎曲，會導致汽輪機振動劇烈而故障停機，直接威脅到機組的安全運行。

2）通過調節二級加熱蒸汽壓力的方式來間接控制MSR出口的再熱蒸汽溫度，壓力信號控制響應快，且控制邏輯簡單易實現，但是未充分考慮汽輪機的各種運行工況（例如冷態啟動、熱態啟動、低負荷等）。需要優化MSR再熱溫度的自動控制策略，以確保任何情況下進入汽輪機中壓缸的蒸汽溫度與汽缸溫度相匹配。

3）MSR設備實際運行中，在機組啟動沖轉過程和并網帶初始負荷時，一級再熱器管板溫度的瞬時溫升率>4 ℃/min限制值。因MSR管板溫度變化的幅度過大以及出現溫度交替變化，會造成管束、管板等構件材料熱疲勞，甚至焊縫開裂引起泄漏。需評估管板溫度變化率瞬時超限對一級再熱器的影響，重視此問題存在對MSR設備可靠性的影響，必要時可考慮增加一級再熱器預熱。

4）針對機組出現瞬態工況（負荷快速下降）時MSR系統的疏排水箱會發生疏水閃蒸現象，運行操作時要確保疏水箱液位測量和液位調節功能正常，避免發生觸發疏水箱液位高高保護信號誤動作而造成MSR單級再熱器被隔離，甚至導致跳機事件。

5）針對MSR設置在高中壓缸之間的汽輪機組設計特點，在機組啟停和變工況運行過程中，要做好運行操作風險分析和應對措施，密切監視MSR系統運行參數的變化趨勢，以及汽缸膨脹和高中壓汽缸軸承振動變化趨勢。機組并網后升負荷階段要充分暖機，避免汽缸熱脹冷縮過快；在機組降負荷階段，要確保MSR系統設備運行穩定，避免再熱蒸汽溫度變化過快而影響汽輪機的安全運行。

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Effect of reheat steam temperature control on operation reliability of nuclear power units

BAO Xudong, YAN Tieguang

(CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., Haiyan 314300, China)

During the start-up and shutdown process of a 1 000 MW nuclear power unit, multiple equipment failures and unplanned downtime events related to the moisture separator reheater (MSR) system occurred. Analysis on the operating data and operating failures process shows that, the operation of MSR system has great influence on safe and stable operation of the turbine. The reheat steam temperature control mode of the MSR system needs to be optimized and the effect of over-limiting temperature variation of reheat tube plate on equipment reliability need to be evaluated. Because the drastic change of steam parameters is likely to cause deformation of the high/intermediate pressure cylinder body during the unit start/shutdown and low load operation, it is necessary to focus on the problem of cylinder deformation and rubbing caused by improper control of temperature control for MSR reheat steam.

MSR, reheat steam temperature, steam turbine, HIP casing, thermal expansion

TK284.1

B

10.19666/j.rlfd.201810203

鮑旭東, 顏鐵光. 再熱蒸汽溫度控制對核電機組運行可靠性的影響[J]. 熱力發電, 2019, 48(6): 102-107. BAO Xudong, YAN Tieguang. Effect of reheat steam temperature control on operation reliability of nuclear power units[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 102-107.

2018-10-25

鮑旭東(1966—)，男，高級工程師，主要研究方向核電設備可靠性管理，baoxd@cnnp.com.cn。

（責任編輯 劉永強）