某核電廠汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)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(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測值超過設(shè)計(jì)報(bào)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(zhuǎn)子在汽輪機(jī)軸封蒸汽加熱作用下發(fā)生軸向膨脹，且該膨脹量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)時(shí)泊松效應(yīng)造成的軸向收縮量?，F(xiàn)場制定、實(shí)施了解決方案，經(jīng)驗(yàn)證該方案解決了汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測值超過設(shè)計(jì)報(bào)警閾值的問題。

【關(guān)鍵詞】核電廠；汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子；膨脹；報(bào)警；降溫

中圖分類號： TM623.3 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)，該汽輪機(jī)為飽和蒸汽、單軸、四缸、六排汽、中間再熱、沖動凝汽式半轉(zhuǎn)速機(jī)，由1個(gè)高中壓合缸和3個(gè)雙流道、雙排汽低壓汽缸組成。機(jī)組設(shè)置有一個(gè)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測通道（GME315MV）以監(jiān)測3個(gè)低壓轉(zhuǎn)子剛性對接后整體相對汽輪機(jī)軸系死點(diǎn)位置的軸向膨脹量，用于指示低壓汽缸內(nèi)軸向動、靜部件的間隙變化。該核電廠GME315MV設(shè)計(jì)一級報(bào)警（GME313KA）閾值為18.5mm，二級報(bào)警（GME413KA）閾值為19.5mm，其中GME413KA為建議手動停機(jī)報(bào)警信號。報(bào)警觸發(fā)代表低壓汽缸內(nèi)軸向動、靜部件間隙超出設(shè)計(jì)許可范圍，動、靜部件可能因此發(fā)生機(jī)械摩擦，因此汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸向膨脹監(jiān)測值對汽輪機(jī)運(yùn)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(jī)在靜止工況下的監(jiān)測值正常，當(dāng)汽輪機(jī)主盤車啟動，投運(yùn)汽機(jī)軸封系統(tǒng)（CET）和凝汽器真空系統(tǒng)（CVI）后GME315MV監(jiān)測值逐漸增大至22.5mm，因監(jiān)測值超過報(bào)警閾值，系統(tǒng)先后自動觸發(fā)GME313KA和GME413KA。停運(yùn)CET和CVI系統(tǒng)后，GME315MV監(jiān)測值呈逐漸減小趨勢，當(dāng)監(jiān)測值低于一級報(bào)警閾值后報(bào)警信號消失。

1 原因分析

1.1 測量原理

該核電廠汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測原理見圖2。當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向膨脹后，3號低壓轉(zhuǎn)子上的測量凸肩隨之發(fā)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(fā)生位移，水平臂上方的電渦流探測器測量感應(yīng)電壓的變化，測量信號經(jīng)系統(tǒng)處理后輸出汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹值。設(shè)計(jì)定義由低壓轉(zhuǎn)子向發(fā)電機(jī)側(cè)移動所造成的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹值變化方向?yàn)檎?，反之為?fù)向。

1.2 現(xiàn)場檢查

汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測報(bào)警觸發(fā)原因可從兩方面進(jìn)行調(diào)查分析，首先是GME315MV輸出錯(cuò)誤的測量值并超過報(bào)警閾值，其次是汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生真實(shí)的軸向膨脹造成GME315MV監(jiān)測值超過報(bào)警閾值。

1.2.1 低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測通道檢查

該核電廠汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹探測器安裝指導(dǎo)文件要求探測器安裝時(shí)低壓轉(zhuǎn)子軸系的溫度為20℃，探測器實(shí)際安裝過程中記錄的溫度為17℃，經(jīng)汽輪機(jī)廠家計(jì)算分析，因這3℃溫差引起的監(jiān)測值偏差為-0.69mm?，F(xiàn)場監(jiān)測到的數(shù)值比一級報(bào)警閾值大4mm，因此0.69mm的負(fù)向偏差不是正向4mm偏差的來源。若探測器靈敏度設(shè)置錯(cuò)誤會使探測器輸出的測量信號被錯(cuò)誤的偏差增益影響造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。調(diào)試過程中已經(jīng)對該探測器的靈敏度進(jìn)行了檢查，并將現(xiàn)場檢查的靈敏度數(shù)值寫入組態(tài)中，與設(shè)備出廠試驗(yàn)報(bào)告比較后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場檢查獲得的靈敏度和出廠靈敏度一致。低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測通道檢查未發(fā)現(xiàn)足以導(dǎo)致問題發(fā)生的因素。

1.2.2 汽輪機(jī)本體檢查

汽輪機(jī)在啟、停和工況變動時(shí)，設(shè)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(zhì)的不同，其熱膨脹也不盡相同，轉(zhuǎn)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(fā)生變化，因而可能危害汽輪機(jī)的安全[1-2]。現(xiàn)場檢查、對比發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)啟動主盤車，在投運(yùn)CET和CVI系統(tǒng)后低壓轉(zhuǎn)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(yīng)下低壓轉(zhuǎn)子受熱后在軸向發(fā)生膨脹，使得盤車轉(zhuǎn)速（8rpm）下GME315MV監(jiān)測值出現(xiàn)正向增大現(xiàn)象，低壓轉(zhuǎn)子持續(xù)受熱膨脹后就可能因此出現(xiàn)GME315MV監(jiān)測值超過報(bào)警閾值的情況。

根據(jù)其它型號汽輪機(jī)的調(diào)試、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，汽機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹的最高監(jiān)測值往往出現(xiàn)在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，此時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速保持在較低的盤車轉(zhuǎn)速；汽輪機(jī)開始沖轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)速逐漸升高至額定轉(zhuǎn)速的過程中，在泊松效應(yīng)（又稱回轉(zhuǎn)效應(yīng)）影響下，汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子受離心力作用發(fā)生徑向和軸向變形，在離心力作用下變粗變短，低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測值會逐漸減小、直至相對穩(wěn)定的維持在一個(gè)安全范圍內(nèi)[3-5]。因此，在確認(rèn)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測通道安裝、調(diào)試合格前提下，造成引言中描述問題發(fā)生的原因可以鎖定為CET系統(tǒng)投運(yùn)后，因汽輪機(jī)軸封蒸汽對低壓轉(zhuǎn)子的加熱作用使低壓轉(zhuǎn)子在軸向發(fā)生膨脹，該膨脹量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)時(shí)泊松效應(yīng)造成的軸向收縮，最終導(dǎo)致GME315MV監(jiān)測值在正向出現(xiàn)超過其報(bào)警閾值的問題。

2 解決方案

盡管問題發(fā)生在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)啟動前，由于汽輪機(jī)在盤車啟動后仍具有8rpm的低轉(zhuǎn)速，所以在GME315MV監(jiān)測值超過二級報(bào)警閾值后，仍存在低壓汽缸內(nèi)動、靜部件因軸向間隙過小發(fā)生機(jī)械摩擦的風(fēng)險(xiǎn)。解決該問題最直接的方法是對汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子采取合理的降溫措施，以減小低壓轉(zhuǎn)子在軸向的受熱膨脹量。

分析發(fā)現(xiàn)在汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組啟動、停運(yùn)或低負(fù)荷運(yùn)行過程中，蒸汽流量較低時(shí)低壓汽缸排汽不暢，由于汽輪機(jī)摩擦損失及鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的熱量無法被低壓汽缸排汽及時(shí)帶走，使得排汽溫度和末級葉片溫度上升，有可能導(dǎo)致葉片損壞，該型汽輪機(jī)的蒸汽和疏水系統(tǒng)（GPV）設(shè)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)邏輯可知當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)且所帶負(fù)荷低于20%額定負(fù)荷時(shí)，GPV221VL自動打開、噴水降溫；汽機(jī)跳閘后延遲10分鐘，GPV221VL自動關(guān)閉。

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前在盤車轉(zhuǎn)速下CET系統(tǒng)投運(yùn)后軸封蒸汽對3段低壓轉(zhuǎn)子有加熱作用，但此時(shí)低壓汽缸排汽口噴水降溫回路并不投入運(yùn)行。現(xiàn)場調(diào)試部門和汽輪機(jī)制造廠商聯(lián)合分析后決定在此工況下通過投運(yùn)低壓汽缸排汽口噴水降溫回路為低壓轉(zhuǎn)子營造相對低的運(yùn)行環(huán)境溫度，以實(shí)現(xiàn)降低低壓轉(zhuǎn)子溫度、減小低壓轉(zhuǎn)子軸向膨脹量至低于一級報(bào)警閾值的目標(biāo)。現(xiàn)場對GPV221VL閥門控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，在原有控制邏輯的基礎(chǔ)上，新增在汽機(jī)跳閘信號存在且CET蒸汽母管溫度（CET006MT）大于100℃時(shí)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(yōu)化后，對汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測通道的報(bào)警及動作響應(yīng)方案也進(jìn)行了優(yōu)化。即，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于500rpm后其報(bào)警維持原設(shè)計(jì)方案不變；當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不超過500rpm時(shí)，將GME313KA的報(bào)警閾值由18.5mm調(diào)整為23.0mm，GME413KA的報(bào)警閾值由19.5mm調(diào)整為24.0mm，且 GME413KA觸發(fā)后需停運(yùn)CET系統(tǒng)并破壞低壓汽缸真空，以避免低壓轉(zhuǎn)子軸向膨脹值進(jìn)一步增大。

3 應(yīng)用與驗(yàn)證

按照前文給出的解決方案，現(xiàn)場對該核電廠GPV221VL的控制邏輯、組態(tài)進(jìn)行修改， 在設(shè)計(jì)文件和DCS系統(tǒng)報(bào)警卡中補(bǔ)充GME313KA、GME413KA的新增內(nèi)容。電廠DCS系統(tǒng)歷史記錄顯示盤車轉(zhuǎn)速下投運(yùn)CET系統(tǒng)后軸封蒸汽溫度錄得最低值為130.35℃，GPV221VL按照優(yōu)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(fā)揮作用），GME315MV監(jiān)測值在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)開始前及沖轉(zhuǎn)到200rpm并維持在該轉(zhuǎn)速平臺期間無明顯波動，其平均值為12.23mm。汽輪機(jī)升轉(zhuǎn)速至約300rpm后GME315MV監(jiān)測值出現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1500rpm時(shí)GME315MV監(jiān)測值減小為5.75mm，汽輪機(jī)超速試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)速飛升至1622rpm的同時(shí)GME315MV監(jiān)測值錄得最小值為4.48mm，隨后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速自動回調(diào)至額定轉(zhuǎn)速1500rpm，GME315MV監(jiān)測隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降出現(xiàn)增大趨勢；GME315MV監(jiān)測值的變化趨勢印證了前文關(guān)于汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸向膨脹量在高轉(zhuǎn)速下受到泊松效應(yīng)影響的分析。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1500rpm后查詢1小時(shí)內(nèi)GME315MV監(jiān)測值并計(jì)算得出平均值為5.27mm。

4 結(jié)束語

該核電廠在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測值超過二級報(bào)警閾值的問題后，通過分析測量原理及現(xiàn)場檢查，明確了汽輪機(jī)盤車轉(zhuǎn)速下低壓轉(zhuǎn)子受到汽輪機(jī)軸封蒸汽加熱影響發(fā)生軸向膨脹是導(dǎo)致問題發(fā)生的根本原因；現(xiàn)場制定了解決方案，經(jīng)應(yīng)用與驗(yàn)證表明方案成功解決了上述問題，對于同型號汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子膨脹監(jiān)測通道的調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)有直接參考價(jià)值。

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