HTR-PM汽輪發(fā)電機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)技術(shù)研究與應(yīng)用

趙敬鍇，王 磊，馬喜強(qiáng)

(華能山東石島灣核電有限公司，山東 威海 264300)

在裝料前進(jìn)行一次汽輪發(fā)電機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)，提前驗(yàn)證汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、安裝質(zhì)量、檢驗(yàn)沖轉(zhuǎn)過程中汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)、軸瓦溫度、脹差等性能參數(shù)，并可充分利用反應(yīng)堆裝料期間處理解決問題，將可能占用裝料后關(guān)鍵路徑的汽輪發(fā)電機(jī)組問題處理轉(zhuǎn)化到非關(guān)鍵路徑上，有效縮短商運(yùn)前聯(lián)合調(diào)試工期，保證工程節(jié)點(diǎn)目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。

1 非核沖轉(zhuǎn)技術(shù)研究及方案確定

1.1 面臨的挑戰(zhàn)

HTR-PM機(jī)組在裝料前常規(guī)島各系統(tǒng)基本具備沖轉(zhuǎn)條件，但由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)不同于常規(guī)的壓水堆核電設(shè)計(jì)，進(jìn)行非核沖轉(zhuǎn)面臨以下問題：

1)作為全球首臺(tái)高溫氣冷堆，設(shè)計(jì)是獨(dú)一無二的，沒有任何商運(yùn)堆經(jīng)驗(yàn)可供參考，實(shí)施難度大；

2)原有的調(diào)試程序未包含非核沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目，需要對(duì)調(diào)試程序進(jìn)行規(guī)劃；

3)HTR-PM機(jī)組的SG不能像壓水堆一樣利用主泵加熱系統(tǒng)進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，只能依靠輔助電鍋爐提供飽和蒸汽，而汽輪機(jī)需要的是過熱蒸汽；

4)唯一可以提供過熱蒸汽的是新增3 MW的啟動(dòng)過熱器，最高可以把電鍋爐產(chǎn)生的蒸汽加熱到350 ℃，理論上可以保證機(jī)組沖轉(zhuǎn)蒸汽的過熱度，但需要進(jìn)行臨時(shí)管進(jìn)行短接；

5)非核沖轉(zhuǎn)參數(shù)較低,不滿足汽輪機(jī)核沖轉(zhuǎn)的蒸汽參數(shù)要求。

針對(duì)上述的問題，在準(zhǔn)備階段需要通過研究，在保證機(jī)組設(shè)備安全的基礎(chǔ)上，經(jīng)理論計(jì)算及模擬機(jī)演練分析可行性，最大限度的優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)控制策略，減少?zèng)_轉(zhuǎn)期間熱量損失，試驗(yàn)準(zhǔn)備中充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置，高效開展新增非核沖轉(zhuǎn)重要設(shè)備之一——啟動(dòng)過熱器的選型、技改和調(diào)試，用近百天時(shí)間完成了方案編制和現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)備改造。

1.2 非核沖轉(zhuǎn)理論計(jì)算及分析

1.2.1 非核沖轉(zhuǎn)理論計(jì)算

非核沖轉(zhuǎn)是利用啟動(dòng)過熱器和輔助電鍋爐串聯(lián)使用，電鍋爐提供飽和蒸汽，啟動(dòng)過熱器加熱產(chǎn)生過熱蒸汽通過啟停堆回路進(jìn)行沖轉(zhuǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組。其理論計(jì)算熱平衡模型見圖1。

圖1 理論計(jì)算熱平衡模型Fig.1 The theoretical calculation of the heat balance model

1.2.2 非核沖轉(zhuǎn)關(guān)鍵參數(shù)控制策略

(1)關(guān)鍵參數(shù)控制限值

為保證非核沖轉(zhuǎn)過程中汽輪機(jī)組的安全，對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)需要設(shè)定控制限值，并在整個(gè)沖轉(zhuǎn)過程中嚴(yán)格遵守執(zhí)行，對(duì)任何一個(gè)參數(shù)達(dá)到限值須立即打閘停機(jī)，停止試驗(yàn)。關(guān)鍵參數(shù)遵循以下控制限值(見表1)。

表1 非核沖轉(zhuǎn)關(guān)鍵參數(shù)表Table 1 Key parameters of non-nuclear flush

(2)輔助鍋爐控制策略

本次非核沖轉(zhuǎn)首創(chuàng)性通過“小加熱系統(tǒng)”推動(dòng)“大常規(guī)島系統(tǒng)”，試驗(yàn)實(shí)施中使用輔助鍋爐提供能量，依靠輔助鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過啟動(dòng)電加熱器后產(chǎn)生過熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，采取“輔助電鍋爐+啟動(dòng)過熱器+三聯(lián)控調(diào)節(jié)”方式進(jìn)行汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)。輔助鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定與否決定了本次非核沖轉(zhuǎn)的是否成功。本次采用輔助鍋爐控制出口調(diào)閥后壓力，旁路閥控制鍋爐流量，主汽閥控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的模式。

(3)啟動(dòng)過熱器控制策略

由于高溫氣冷堆示范工程常規(guī)島系統(tǒng)運(yùn)行的特殊性，在常規(guī)島側(cè)設(shè)置啟動(dòng)電加熱器。電加熱器采用18組接觸式電加熱器，功率為3 MW。本次非核沖轉(zhuǎn)利用啟動(dòng)電加熱器將輔助鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽，溫度320 ℃、壓力1.25 MPa，過熱度130 ℃。為保證本次沖轉(zhuǎn)蒸汽參數(shù)的要求，電加熱器隨用汽流量增減而自動(dòng)升降負(fù)荷。

1.2.3 非核沖轉(zhuǎn)階段策劃及理論分析結(jié)果

整個(gè)非核沖轉(zhuǎn)過程策劃分為兩個(gè)階段，升速率設(shè)定100 r/min，第一階段升速至400 r/min平臺(tái)進(jìn)行手動(dòng)打閘摩擦檢查；第二階段分別升速至600 r/min、1100 r/min、2700 r/min進(jìn)行暖機(jī)，最終升速至3000 r/min。具體沖轉(zhuǎn)過程階段策劃見圖2。

1.3 非核沖轉(zhuǎn)組織及技術(shù)準(zhǔn)備

(1)試驗(yàn)組織機(jī)構(gòu)

試驗(yàn)組織成員主要包括總指揮、試驗(yàn)負(fù)責(zé)人、當(dāng)班值、現(xiàn)場(chǎng)工作組、專家組、支持廠家等人員，組織機(jī)構(gòu)見圖3。

圖2 非核沖轉(zhuǎn)過程策劃圖Fig.2 Planning of non-nuclear flushing process

圖3 非核沖轉(zhuǎn)組織結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The organization chart of non-nuclear flush

(2)試驗(yàn)人員布置

為了確保試驗(yàn)順利進(jìn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并干預(yù)解決，對(duì)干預(yù)參數(shù)及活動(dòng)安排專人負(fù)責(zé)，同時(shí)保證主控室內(nèi)人員和數(shù)量有序管理，維持工作流程簡(jiǎn)潔有效，對(duì)人員工作位置及信息溝通機(jī)制進(jìn)行了明確，見圖4。

圖4 非核沖轉(zhuǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員布置圖Fig.4 The layout of personnel on the site of non-nuclear flush

(3)技術(shù)文件準(zhǔn)備

技術(shù)準(zhǔn)備方面，在準(zhǔn)備階段編寫了組織管理類、試驗(yàn)操作類、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急類三方面技術(shù)文件，共計(jì)24份。這些文件作為不同階段的執(zhí)行依據(jù)，規(guī)范了試驗(yàn)人員的操作，有效防止了人為事件的發(fā)生，詳細(xì)見表2。

表2 非核沖轉(zhuǎn)文件清單Table 2 Document list of non-nuclear flush

2 非核沖轉(zhuǎn)過程實(shí)施

2.1 非核沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)條件設(shè)置

(1)輔助鍋爐系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置

輔助電鍋爐處于功率控制模式，電鍋爐出口調(diào)閥處于自動(dòng)模式，自動(dòng)控制閥后輔助蒸汽壓力為1.25 MPa，輔助電鍋爐除氧器壓力及液位控制、電鍋爐功率、水質(zhì)控制均在自動(dòng)模式。

輔助電鍋爐及軸封過熱器為汽輪機(jī)提供合格的軸封蒸汽，軸封供汽調(diào)閥、噴水減溫器處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，使軸封母管壓力，溫度運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)常規(guī)島系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置

常規(guī)島各冷源系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)三臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行、開式水系統(tǒng)一臺(tái)泵運(yùn)行、閉式水系統(tǒng)一臺(tái)泵運(yùn)行，凝結(jié)水系統(tǒng)一臺(tái)泵運(yùn)行，凝結(jié)水母管壓力滿足旁路減溫水需求，汽側(cè)抽真空系統(tǒng)兩臺(tái)抽真空泵運(yùn)行，維持凝汽器背壓滿足設(shè)計(jì)要求。

常規(guī)島潤(rùn)滑油系統(tǒng)交流油泵、高壓油泵運(yùn)行，為汽輪機(jī)各軸承提供潤(rùn)滑油及高壓油，各油壓正常，EH油系統(tǒng)一臺(tái)油泵運(yùn)行，系統(tǒng)壓力正常。

常規(guī)島汽回路啟停堆系統(tǒng)兩列運(yùn)行，兩臺(tái)汽水分離器為蒸汽回路提供一定的緩沖量，一臺(tái)旁排閥手動(dòng)控制主汽閥前主蒸汽母管壓力為1.0 MPa。

啟動(dòng)過熱器溫度控制模式，控制主蒸汽母管溫度為320 ℃。

(3)儀控系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置

DCS系統(tǒng)工作正常，各系統(tǒng)邏輯保護(hù)正常，DEH畫面中各測(cè)點(diǎn)正常，汽輪機(jī)相關(guān)保護(hù)投入，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制邏輯運(yùn)行正常。

(4)電氣系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置

HTR-PM電氣系統(tǒng)運(yùn)行正常，相關(guān)系統(tǒng)供電電源正常，兩臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組完成定期啟動(dòng)試驗(yàn)，且機(jī)組處于熱備用狀態(tài)。

發(fā)電機(jī)及相關(guān)保護(hù)處于要求的狀態(tài)：

1)發(fā)電機(jī)保護(hù)A屏關(guān)主汽門”出口壓板已退出；

2)發(fā)電機(jī)保護(hù)B屏 “關(guān)主汽門”出口壓板已退出；

3)主變及高廠變保護(hù)A屏“關(guān)主汽門”出口壓板已退出；

4)主變及高廠變保護(hù)B屏“關(guān)主汽門”出口壓板已退出；

5)主變及高廠變保護(hù)C屏“關(guān)主汽門”出口壓板已退出；

6)發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開；

7)發(fā)電機(jī)出口隔離開關(guān)斷開。

2.2 非核沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)執(zhí)行

2021年8月3日進(jìn)行首次非核沖轉(zhuǎn)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速至400 r/min進(jìn)行摩擦檢查，重新掛閘后目標(biāo)轉(zhuǎn)速600 r/min，并進(jìn)行60 min的低速暖機(jī)，待缸溫、軸向位移、脹差等參數(shù)穩(wěn)定后繼續(xù)升速至1100 r/min進(jìn)行暖機(jī)。機(jī)組振動(dòng)、脹差、軸瓦溫度等均正常，繼續(xù)設(shè)定目標(biāo)2000 r/min，在機(jī)組轉(zhuǎn)速到達(dá)1982 r/min時(shí)機(jī)組主汽閥因輔助電鍋爐供汽不足導(dǎo)致主汽閥指令與閥位反饋偏差>40%，DEH保護(hù)跳機(jī)。非核沖轉(zhuǎn)平臺(tái)示意圖如圖5所示。

圖5 非核沖轉(zhuǎn)平臺(tái)示意圖Fig.5 The schematic of non-nuclear flushing platform

2 h后進(jìn)行了第二次沖轉(zhuǎn)到2280 r/min時(shí)，整個(gè)過程中機(jī)組振動(dòng)比較穩(wěn)定且較小，但軸向位移偏大最大到-0.79 mm。

8月14日第二次非核蒸汽沖轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到2800 r/min，并在2700 r/min穩(wěn)定運(yùn)行半小時(shí)，汽輪機(jī)振動(dòng)、膨脹、溫度等參數(shù)正常，但軸向位移偏大最大到-0.82 mm。

2.3 非核沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前設(shè)定的關(guān)鍵參數(shù)控制限值，在沖轉(zhuǎn)過程中達(dá)到的最劣值見表3。

表3 關(guān)鍵參數(shù)最劣值Table 3 The worst values of key parameters

非核沖轉(zhuǎn)2700 r/min機(jī)組主要參數(shù)及沖轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑油、機(jī)油、主蒸汽參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)如表4、表5所示。

表4 非核沖轉(zhuǎn)2700 r/min機(jī)組主要參數(shù)Table 4 Main parameters of unit at non-nuclear flush 2700 r/min

表5 沖轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑油、EH油、主蒸汽參數(shù)滿足控制標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Parameters of the lubricating oil,EH oil and main steam during flush,which meet the control standard

2.4 非核沖轉(zhuǎn)問題分析及處理

(1)汽輪機(jī)軸向位移偏高

6月份前汽輪機(jī)軸向位移顯示為-0.30 mm，對(duì)軸向位移探頭拆檢回裝后汽輪機(jī)軸向位移增大至-0.62 mm，輪機(jī)沖轉(zhuǎn)后最大增至-0.82 mm，停機(jī)后又緩慢增大至-0.9 mm，軸向位移大報(bào)警出現(xiàn)。第二次沖轉(zhuǎn)前盤車期間，軸向位移緩慢回升至-0.60 mm，沖轉(zhuǎn)時(shí)又升至-0.80 mm，初步分析軸向位移顯示不準(zhǔn)，無法真實(shí)反映汽輪機(jī)軸系的位移情況。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，軸向位移探頭拆檢期間進(jìn)行了汽輪機(jī)盤車，汽輪機(jī)軸系的0點(diǎn)已發(fā)生變化，而在軸向位移探頭安裝時(shí)仍按照拆檢前的零點(diǎn)進(jìn)行了安裝，最終導(dǎo)致軸向位移顯示不準(zhǔn)確。經(jīng)過查看初始安裝記錄和專家會(huì)討論，最終采取利用汽輪機(jī)安裝的L值進(jìn)行軸向位移的零點(diǎn)矯正。

(2)真空泵補(bǔ)水管道濾網(wǎng)堵塞

首次沖轉(zhuǎn)準(zhǔn)備階段，抽真空泵B啟動(dòng)后汽水分離器液位下降后未及時(shí)恢復(fù)，且機(jī)械密封水母管壓力在0～1.0 MPa之間波動(dòng)，停運(yùn)真空泵組檢查補(bǔ)水管理濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)被棉絮及銹泥堵死，清理濾網(wǎng)后重新在線至凝補(bǔ)水系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后運(yùn)行正常。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行人員按照系統(tǒng)啟動(dòng)規(guī)程在線時(shí)，將真空泵組的補(bǔ)水回路切至凝結(jié)水系統(tǒng)供水，由于高溫沖洗初期主蒸汽及凝汽器中大量的銹泥進(jìn)入凝結(jié)水中，隨凝結(jié)水進(jìn)入真空泵組的補(bǔ)水濾網(wǎng)處，導(dǎo)致濾網(wǎng)堵塞。

(3)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油進(jìn)水

2021年8月12日，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前暖管過程中，由于輔助鍋爐壓力不穩(wěn)，汽輪機(jī)軸封壓力波動(dòng)過大，導(dǎo)致軸封蒸汽從汽輪機(jī)軸承處進(jìn)入潤(rùn)滑油系統(tǒng)，汽輪機(jī)潤(rùn)滑油液位出現(xiàn)異常升高。經(jīng)取樣分析潤(rùn)滑油水分443 mg/L，顆粒度正常。油凈化系統(tǒng)運(yùn)行12 h后再次對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油取樣，結(jié)果合格。后期優(yōu)化了軸封供汽調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性，保證了軸封供汽母管壓力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，大大減少輔助電鍋爐的供汽壓力對(duì)軸封系統(tǒng)的干擾。

(4)低排壓力變送器儀表引壓管焊口未滿焊

在進(jìn)行凝汽器抽真空時(shí)，發(fā)現(xiàn)低排壓力變送器1顯示壓力明顯高于凝汽器壓力及低排壓力2顯示，在進(jìn)行在線檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)儀表一次閥下游的焊口處未滿焊，存在明顯的漏氣現(xiàn)象，經(jīng)緊急處理后驗(yàn)證該壓力表顯示正常。

該手閥位置在汽輪機(jī)護(hù)板中，位置隱蔽且人員很難到達(dá)，施工人員遺漏該焊點(diǎn)且業(yè)主及監(jiān)理單位未及時(shí)發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊工作，兩個(gè)壓力變送器顯示保持一致。

(5)主調(diào)閥意外動(dòng)作

在進(jìn)行首次掛閘后，DEH畫面出現(xiàn)了GC4偏差大報(bào)警，隨后GC4突然關(guān)閉后又再次開啟，期間機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，儀控人員在機(jī)柜卡件上進(jìn)行了復(fù)位操作導(dǎo)致GV4先關(guān)閉后又重新開啟。后期對(duì)主調(diào)閥進(jìn)行了PID調(diào)節(jié)優(yōu)化，提高了閥門的相應(yīng)速度，偏差大報(bào)警未再出現(xiàn)，同時(shí)在相關(guān)操作單中增加儀控人員嚴(yán)禁在機(jī)柜卡件上進(jìn)復(fù)位的注意事項(xiàng)。

3 總結(jié)

通過理論計(jì)算和實(shí)踐驗(yàn)證，HTR-PM非核蒸汽沖轉(zhuǎn)技術(shù)方案科學(xué)、合理，非核蒸汽沖轉(zhuǎn)實(shí)施過程組織有效、風(fēng)險(xiǎn)可控，最終首創(chuàng)性通過“小加熱系統(tǒng)”推動(dòng)“大常規(guī)島系統(tǒng)”，采取“輔助電鍋爐+啟動(dòng)過熱器+三聯(lián)控調(diào)節(jié)”方式完成汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)過程中各轉(zhuǎn)速平臺(tái)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，汽輪機(jī)軸振、瓦振、瓦溫等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，各主保護(hù)參數(shù)正常，輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)并解決了軸瓦溫度高等50余項(xiàng)缺陷，全面檢驗(yàn)了常規(guī)島系統(tǒng)設(shè)備和安裝質(zhì)量，驗(yàn)證了常規(guī)島生產(chǎn)管理體系的完整性和有效性，鍛煉了生產(chǎn)技術(shù)人才隊(duì)伍，打通了高溫堆示范工程常規(guī)島全系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為高溫氣冷堆示范工程今年發(fā)出“第一度核電”奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)積累了高溫氣冷堆核電機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)高溫堆機(jī)組推廣意義重大。