某600MW等級核電汽輪機啟動分析

王允航

哈爾濱汽輪機廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150090

1 “機跟堆”運行模式

壓水堆核電站內部通常由一回路系統和二回路系統組成，大多采用堆-機功率調節模式，即反應堆熱功率隨汽輪發電機組功率變化而變化：

（1）汽輪機自動控制模式下的堆-機功率調節為閉環控制模式，操作員設置汽輪機目標負荷后，經主調閥進行蒸汽流量調節，使發電機輸出功率和目標值一致。

（2）反應堆功率調節屬于開環控制方式，即反應堆的功率根據二回路的工況、控制模式和方式，在幾個二回路功率需求值中選一個作為跟蹤功率，加上校正因子作為功率整定值，然后將其轉換為棒位調整值，使核電站一、二回路熱功率保持平衡。

某600MW等級核電對常規島的控制要求不同于壓水堆，采用“機跟堆”運行模式，汽輪發電機組的電負荷跟隨堆功率的改變而變化，發出的電送入電網，不參與調頻：

（1）反應堆功率調節系統維持反應堆核功率不變。

（2）堆功率在28%-100%（暫定）之間主蒸汽系統正常運行，汽輪發電機組并網發電。在正常運行期間反應堆和汽輪機采用自動調節，汽輪機功率自動跟蹤反應堆功率。汽輪機旁路系統為核島提供一個人為負荷，平衡反應堆與汽輪機之間的功率差[1]。

該核島的主工藝決定著其基本運行方式為帶基本負荷運行，采用機跟堆的運行模式，控制方式相對簡單:功率調節系統是閉環控制，根據核測系統提供的中子通量密度值（換算成實際功率值）與操作員給定的功率設定值相比較，經過一定運算規則形成調節棒運行速率與方向信號，驅動調節棒的動作，以達到穩定反應堆功率在規定的水平上。一、二回路流量控制系統為操作員手動控制。

2 汽輪機沖轉參數及啟動過程

2.1 啟動狀態和沖轉參數

汽輪機啟動采用高壓缸啟動方式，啟動時應盡可能做到蒸汽參數與金屬溫度相匹配，即蒸汽經過高壓第一級溫降后的汽溫仍高于缸壁或轉子表面溫度，且沖轉蒸汽過熱度不低于50℃。

2.2 典型啟動過程

冷態啟動是各種啟動中溫度變化最大的惡劣啟動工況，在冷態啟動的沖轉、升速、暖機階段中，蒸汽參數低、流量小、放熱系數小，要求并網前轉子應熱透，使轉子排汽處金屬溫度保證超過材料的脆性轉變溫度（FATT），隨后才能較快地升溫升壓及加負荷[2]。

（1）沖轉及升速。汽輪機冷態啟動（長期停機）的過熱器出口蒸汽參數：主蒸汽壓力7MPa（a），溫度342℃，核島堆功率約14%；對應的閥前沖轉蒸汽參數：主蒸汽壓力6.8MPa（a），溫度340℃。①沖轉前，汽輪機已投入電動盤車至少連續24h，完成抽真空，汽水分離系統（MSR）完成預熱，高壓調節閥閥殼已預暖1h，軸封供汽預暖約11h，所有汽輪機輔助設備已運行。②沖轉后高壓主汽閥全開，小量開啟高壓調節閥，按100（r/min）/min的升速率升至500r/min轉速，全關高壓調節閥，摩擦檢查，在此期間，機組轉速不允許低于200r/min。③按100（r/min）/min的升速率繼續升速至1300r/min，在此轉速下低速暖機150min。④按100（r/min）/min的升速率繼續升速至2000r/min，直至高壓排汽口下半內壁金屬溫度達80℃（暫定）。

⑤按100（r/min）/min的升速率繼續升速至3000r/min額定轉速，穩定30min后，核島開始按照本身特性升功率，目標堆功率28%并保持功率不變。

汽輪機升速過程中，應注意機組迅速平穩地通過軸系各階臨界轉速（過臨界轉速時，允許以300（r/min）/min的升速率快速通過臨界轉速±5%轉速區間），通過臨界轉速時軸承振動應在整定值以內，否則打閘停機。

（2）升負荷及堆機匹配。

①核島開始升功率，汽輪發電機組3000r/min額定轉速繼續穩定30min后，在汽輪發電機組作完試驗和檢查完成，通知運行人員允許機組并網。在并網后，由控制系統自動帶上初負荷5%并保持。②核島堆功率達到28%后保持，汽輪發電機組此時仍帶5%初負荷，高壓調節閥開度維持不變，通過旁路閥逐步關閉實現主蒸汽聯箱壓力由6.8MPa（a）升高至13.8MPa（a）。高壓調節閥開度維持不變，主蒸汽聯箱壓力由6.8MPa（a）升高至13.8MPa（a），汽輪發電機組電負荷從5%升至約10%。③主蒸汽聯箱壓力升高至13.8MPa（a）后，旁路閥維持主蒸汽壓力，汽輪機投入功率控制模式，汽輪發電機組電負荷升至約21%時，電負荷與核島堆功率28%匹配，旁路閥關閉，汽輪機由功率控制切換至壓力控制。

3 轉子熱應力及壽命淺析

汽輪機啟停過程中，轉子主要承受離心應力及由于溫度分布不均引起的熱應力，特別是冷態啟動沖轉時，溫度變化最大，轉子表面溫度上升快，受壓應力，轉子中心溫度滯后，受拉應力，轉子內外溫差隨負荷上升而逐漸增大，直至準穩定工況達最大值；停機時則相反。轉子啟停的熱應力及壽命分析是機組安全性和壽命管理的重要因素，本文篇幅有限，針對汽輪機冷態啟動（長期停機）過程，采用ANSYS軟件加載高壓轉子邊界條件，淺析轉子熱應力及疲勞壽命。軸封預暖結束后的溫度場，是應力求解的初始溫度場，根據啟動曲線中的轉子轉速曲線加載離心力，同時在模型各節點上加載瞬態溫度場，進行有限元分析。

4 結語

（1）某600MW等級核電全轉速汽輪機的啟動分為5種:冷態啟動（長期停機）、冷態啟動（停機72h）、溫態啟動、熱態啟動、極熱態啟動。

（2）核島“機跟堆”的運行模式決定汽輪發電機組的電負荷跟隨堆功率的改變而變化。以汽輪機冷態啟動（長期停機）為例，即汽輪機升速并網帶5%負荷后開始升負荷，此時旁路閥維持主蒸汽壓力，汽輪機投入功率控制模式；汽輪發電機組電負荷升至約21%時，電負荷與核島堆功率28%匹配，旁路閥關閉，汽輪機由功率控制切換至壓力控制。功率匹配后，汽輪發電機組電負荷隨核島功率提升，實現“機跟堆”運行。

（3）采用ANSYS軟件進行汽輪機冷態啟動（長期停機）高壓轉子熱應力分析，計算結果表明，啟動中整個轉子應力水平較低，最大Mises應力在輪盤圓角（不包括平衡槽）處，約270MPa，計算壽命大于107次，完全滿足啟動的安全及壽命設計要求。