汽輪機調速系統二次油壓波動大的分析及處理

方小峰

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

田灣核電站汽輪機型號為K-1000/60-3000，調速系統為電液調節系統，主要以液調為主、電調相輔的形式。正常運行階段，機組長期處于滿功率運行狀態不參與調峰，調速系統主要維持二回路主蒸汽壓力（機跟堆運行模式）的穩定或電功率（堆跟機運行模式）的正常輸出。從2007 年商運至2018 年，田灣核電站1#、2#機組汽輪機調速系統運行總體穩定，尚未出現過因調速系統故障導致停機的情況。但期間調速系統也出現過一些問題，如二次油壓波動大、附加保安油壓偏低、大修期間靜態試驗部分不合格、系統母管壓力波動等。

1 問題描述

自2019 年6 月下旬開始至9 月中旬，2#機組汽輪機調速系統二次油壓一直處于大幅波動狀態，最高值已達3.65 MPa、已超過運行規程要求的最大限值3.2 MPa，汽輪機高調門開度亦隨之大幅變化，影響機組安全、穩定運行（圖1）。

圖1 二次油壓與調門開度曲線

調速系統二次油壓是汽輪機高壓缸進汽調節閥（高調門）的控制油壓，其大小直接決定高調門的開度。而高調門的開度決定了汽輪機的做功能力，進而決定發電機電功率。因此，二次油壓是汽輪機調速系統中一個非常重要的參數，它的穩定性對機組的正常運行至關重要。

2 原因分析

2.1 調速系統主要部件介紹

（1）同步器滑閥。同步器滑閥是將系統穩定油路的動力油轉化為主汽門控制油和危急遮斷器的掛閘油，運行期間接收來自汽輪機控制器的調節脈沖信號，并通過杠桿原理傳遞給調速器滑閥。同步器滑閥由同步器手輪、同步器電機、減速裝置、活塞以及套筒等組成（圖2）。

圖2 同步器滑閥組示意

（2）調速器滑閥。調速器滑閥是將調速器產生的位移信號以及來自同步器滑閥的調節信號通過一次油壓的變化傳遞給中間滑閥，用于實現機組負荷調節以及超速保護功能，有信號接收和傳遞的作用。調速器滑閥由調速器、隨動滑閥、跟蹤滑閥等組成，為高速機械離心彈性調速器，感受機組的轉速信號，調速塊的位移變化是調速器的輸出信號。

（3）中間滑閥。中間滑閥是將調速器滑閥傳遞過來的液壓信號加以放大并轉換成二次油壓，以控制和調節汽輪機配汽系統各調門的開度，調節機組負荷，必要時可以實現機組限功率運行。它由兩個滑閥組、一個功率限制機構以及反饋連桿等部件組成（圖3）。

圖3 中間滑閥組示意

（4）電液轉換器。電液轉換器主要作用是將來自電調部分的電信號轉變為滑閥的位移，以此改變一次油路排油口大小，再通過中間滑閥的轉換和放大作用改變二次油壓，調節配汽系統各調門開度，控制機組負荷，電液轉換器由一個電磁感應機構和兩個滑閥（1#滑閥和2#滑閥）組成。

2.2 二次油的作用

機組功率運行期間二次油壓直接控制汽輪機4 個高壓調門的開度，直接決定汽輪機的功率輸出，進而決定電功率大小。機組低功率（小于300 MW）階段，二次油通過油壓變化對汽水分離再熱器加熱蒸汽閥開度的控制，以維持流經汽水分離再熱器后的蒸汽溫度；在機組打閘后，二次油將汽輪機高壓缸排汽排放閥打開，把高壓缸、汽水分離再熱器以及蒸汽管道中由于水分閃蒸形成的蒸汽排入凝汽器，防止汽輪機超速。

2.3 二次油壓的調節過程

（1）調節信號的產生：①調速器感知轉速信號，通過調速塊位移的變化產生調節信號；②同步器滑閥接收的調節信號，包括汽輪機控制器自動驅動同步器電機、操作員發出的命令信號驅動同步器電機以及現場同步器手輪動作；③調速系統電調部分發出的調節信號，如電液轉換器。

（2）調節信號的接收和傳遞：①調速器滑閥通過杠桿接收來自同步器滑閥的調節信號，控制滑閥產生位移變化，使一次油壓排油口發生變化；②調速器滑閥通過隨動滑閥接收來自調速器的調節信號，使一次油壓排油口發生變化；③電液轉換器接收電信號后，滑閥動作，也使一次油壓排油口發生變化。一次油壓排油口的變化使中間滑閥內與一次油壓相聯系的組件（一次油壓反饋套筒）發生位移變化，完成信號的傳遞。因此，調節信號的接收、傳遞都是通過一次油壓的變化來實現的。

（3）調節信號的轉換和執行：一次油壓的變化，使中間滑閥內產生二次油壓的油口發生變化，直接改變二次油壓大小，影響高調門開度。

（4）信號反饋：高調門開度的變化使汽輪機轉速、二回路主蒸汽壓力及電功率產生響應的變化，機組將視情況決定是否需要再次向調速系統施加調節信號，重復上述步驟。

2.4 二次油壓波動分析

在正常運行期間田灣核電站機組帶基礎負荷處于滿功率運行狀態，從問題出現的時間段方面分析：出現二次油壓大幅波動的時間段主要集中在夏季，通過系統運行參數可以發現，二次油壓、海水溫度以及凝汽器真空度的峰值都出現在同一時間段（圖4）。

圖4 二次油壓、海水溫度和真空度曲線

參數分析表明，當海水溫度上升時，凝汽器真空度會下降，造成蒸汽的焓下降即汽輪機做功能力下降。為保證電功率不變需要更大的新蒸汽流量即更大的高調門開度。因此，在夏季二次油壓的大小較平時會略有上升屬正常，田灣核電站兩臺機組均有此現象。

通過上述分析，海水溫度不是造成機組夏季工況下二次油壓波動的原因。通過對1#、2#機組2019 年的汽輪機調速系統二次油壓靜態特性進行對比分析，根據二次油壓的靜態特性顯示，特性斜率在第二個拐點后陡增，即當二次油壓值大于第二個拐點對應的壓力值時，二次油壓將變得極不穩定且波動幅度較大。因此，1#、2#機組的二次油壓靜態特性中的出現第二個拐點位置時的二次油壓分別為3.4 MPa 和3.13 MPa，顯然2#機組的二次油壓穩定性較1#機組差。

同時，鑒于往年在相同條件下，2#機組未曾出現過二次油壓大幅度波動的異常現象，因此分析認為造成此現象的可能原因有：①高調門存在空行程；②系統油質造成滑閥異常磨損，影響系統調節性能；③二次油壓靜態特性第二個拐點位置偏低，使油壓不穩定。

2.4.1 汽輪機高調門空行程

田灣核電站汽輪機高壓缸有4 組進汽通道，每組通道的流量都由高壓調門的開度決定。如果高調門存在空行程現象，會影響調門的實際開度，使實際開度減小。而通過反饋及調節，二次油壓勢必要升高，將高調門開度增大，維持機組正常運行。

在T211 大修汽輪機調速系統停機后的靜態試驗中發現，汽輪機3#高調門存在約5 mm 的空行程。高調門閥桿與驅動機構（油動機）之間的連接是通過螺紋連接的，由于高壓調門在機組正常運行中長期處于小幅波動狀態，螺紋磨損、產生間隙，久而久之可能形成空行程。球形部件連接汽門閥桿與驅動機構，球形部件與閥桿的連接方式為螺紋連接。

汽輪機3#高調門的空行程，對二次油壓的大小有一定影響（使油壓上升），但不是造成二次油壓異常波動的根本原因。

2.4.2 系統油質

液壓調速系統對系統油質有著很高的要求，由于調速系統滑閥組件之間的間隙極小，正常情況下部套的間隙在0.05～0.10 mm，任何細微的雜質進入滑閥都有可能影響滑閥的正常動作。

1#機組汽輪機調速系統曾出現過因油質而造成滑閥卡澀的情況，機組運行期間二次油壓對同步器電機的調節信號響應嚴重滯后，不時出現二次油壓突降造成電功率波動的現象，而且在大修中亦發現調速系統滑閥存在一定程度的磨損（圖5～圖6）。

圖5 滑閥上存在的油泥

圖6 油泥造成滑閥的異常磨損和拉痕

在2#機組調速系統滑閥組件解體檢查時，未見明顯的拉痕或磨損，尤其是二次油壓調節過程中所涉及的同步器滑閥、調速器滑閥、中間滑閥、電液轉換器滑閥，均無異常（圖7～圖8）。

圖7 中間滑閥和一次油壓反饋套筒

圖8 調速器滑閥和電液轉換器滑閥

通過運行狀態對比，1#/2#機調速系統二次油壓波動有著明顯的區別：1#機組二次油壓是突降，并有明顯的調節信號累積及動作滯后現象，說明滑閥存在卡滯現象；而2#機二次油壓的變化趨勢連續，無調節信號累積，說明滑閥響應快速、動作靈活。

因此，2#機組汽輪機調速系統二次油壓波動的情況，應不屬于系統油質造成的滑閥卡滯類問題。

2.4.3 二次油壓形成特性

二次油壓的形成是通過調速器滑閥的動作，使其逐漸關小一次油壓排油口，再通過中間滑閥的放大和傳遞來實現。

由于組成二次油壓錯油門的滑閥組中的下部滑閥對應有內外兩組控制彈簧，因此整條二次油壓特性曲線隨行程在不同階段有不同斜率，存在兩個斜率拐點（圖9）：曲線從開始至第一個拐點是外彈簧變形受力；從第一個拐點至第二個拐點之間是內、外彈簧同時變形受力；在第二拐點處下部滑閥的托盤與機械限位頂桿接觸，彈簧不再繼續壓縮，至此二次油壓的變化完全根據上部滑閥的位移變化，下部滑閥行至限位已不具備反饋調節功能，二次油壓的變化斜率將陡增。因此，在第二個拐點以后的壓力區間可定義為非工作區間或不穩定區間。圖9 中，橫坐標為同步器控制滑閥位移量，縱坐標為二次油壓大小值。

圖9 二次油壓理論靜態設計曲線

機組正常運行時，二次油壓大小值應保證小于靜態特性曲線第二個拐點對應的壓力值，如二次油壓進入非工作區間即大于該壓力值，因為斜率陡增，同樣的調節信號，產生的變化量很大，極易產生油壓的波動，使高調門隨之波動。

大修檢查的情況是，T211 大修停機后調速系統靜態試驗顯示，出現第二個拐點時對應的二次油壓值為3.13 MPa。顯然，2#機組調速系統二次油壓在夏季運行時已大于3.13 MPa，二次油壓的工作壓力長期處于靜態特性的不穩定區間，因此當二次油壓參與調節時，易產生較大波動，這就是二次油壓在夏季極易大幅波動的根本原因。

對比1#機組調速系統二次油壓特性曲線，出現第二個拐點時對應的二次油壓為3.4 MPa、遠高于2#機水平，且1#機組調速系統一直未出現2#機組類似情況。

3 處理措施

3.1 調整二次油壓靜態特性曲線

T211 大修中，對汽輪機調速系統二次油壓特性曲線進行了調整，將下部滑閥控制彈簧的限位頂桿進行車削降低高度、車削量為0.5 mm（圖10）。

圖10 彈簧限位頂桿

調整后的二次油壓特性與理論特性擬合度更好，出現第二個拐點時對應的二次油壓為3.3 MPa。

正常工況下，汽輪機調速系統二次油壓力在3.05～3.15 MPa，對其特性曲線中第二個拐點位置的調整，將使二次油壓在機組調節過程中變得更加穩定。

3.2 繼續加強對系統油質的管理

（1）大修期間，清理調速系統主油箱。

（2）檢查系統油質，必要時進行更換。

（3）大修期間，做好調速系統熱油沖洗工作。

（4）運行期間，保持調速系統濾油機連續不間斷運行。

4 運行效果

T211 大修后至2021 年12 月，經過多個夏季高溫天氣的驗證，海水溫度回落，凝汽器真空亦開始好轉，2#機組汽輪機調速系統二次油壓未出現2019 年夏季類似情況，調速系統調節性能良好，二次油壓及高調門開度穩定。

5 結束語

通過T211 大修期間的檢查、處理以及大修后的運行情況分析判斷，2019 年夏季田灣核電站2#機組調速系統二次油壓大幅波動的根本原因是，二次油壓靜態特性曲線中第二拐點值低于夏季極端工況的二次油壓實際值，使系統進入不穩定區。同時由于高調門的空行程提高了二次油壓，使系統更頻繁進入不穩定區，造成油壓的異常波動。