核電汽輪機(jī)中壓蝶閥卡澀的超速分析

　　文章利用能量轉(zhuǎn)換定律，建立簡(jiǎn)化模型，定性分析了核電汽輪機(jī)中壓蝶閥一旦出現(xiàn)卡澀時(shí)，各種因素疊加所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子超速問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算出百萬(wàn)等級(jí)核電機(jī)組中壓蝶閥一旦出現(xiàn)不能關(guān)閉的情況下所能預(yù)見(jiàn)的最大超速值。也從側(cè)面計(jì)算出半轉(zhuǎn)速百萬(wàn)級(jí)核電汽輪機(jī)在無(wú)中壓蝶閥下的超速情況。

　　核電汽輪機(jī)組的最大特點(diǎn)是正常運(yùn)行于濕蒸汽區(qū)，由于進(jìn)汽參數(shù)比較低，相應(yīng)有效熱焓降較小，導(dǎo)致進(jìn)汽質(zhì)量流量比較大。比較成熟的百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)核電汽輪機(jī)組和百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)火電機(jī)組后，可以看出其進(jìn)汽流量幾乎相當(dāng)于相同火電機(jī)組的一倍。這也是核電汽輪機(jī)組的尺寸(包括進(jìn)出主管道)比相同功率火電機(jī)組大得多的原因。濕蒸汽汽輪機(jī)一旦甩去全負(fù)荷(或甩負(fù)荷到廠用電及調(diào)試中的甩50%負(fù)荷)后，由于高壓主汽閥的迅速關(guān)閉，使貯存在汽輪機(jī)腔室內(nèi)的凝結(jié)水隨附加的蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)共同做功，所以濕蒸汽汽輪機(jī)在甩負(fù)荷后一般比相同容量的火電機(jī)組所產(chǎn)生的對(duì)轉(zhuǎn)子扭矩要大得多。蒸汽在核電汽輪機(jī)組高壓缸做功后，在蒸汽排入中、低壓缸前，對(duì)高壓缸排汽需要進(jìn)行除濕及再熱，即高、中壓缸之間或高、低壓缸之間設(shè)置汽水分離再熱器(MSR)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，同時(shí)在MSR進(jìn)入中壓缸之前的管道上設(shè)置中壓蝶閥以進(jìn)行快關(guān)和調(diào)節(jié)操作，以避免汽輪機(jī)超速過(guò)高以及避免引起MSR超壓。國(guó)外核電汽輪機(jī)項(xiàng)目中不裝中壓蝶閥的超速情況(計(jì)算值)見(jiàn)表1。

表1國(guó)外核電站不裝中壓蝶閥的超速情況(計(jì)算值)

　　國(guó)外核電站加裝中壓蝶閥后的超速情況(計(jì)算值)見(jiàn)表2。

表2國(guó)外核電站加裝中壓蝶閥的超速比較(計(jì)算值)

　　如上所述，中壓蝶閥在核電機(jī)組中的作用舉足輕重，一旦運(yùn)行中的中壓蝶閥出現(xiàn)卡澀不能關(guān)閉故障，在機(jī)組甩負(fù)荷中勢(shì)必引起汽輪機(jī)組的超速。因而對(duì)中壓蝶閥卡澀時(shí)機(jī)組的分析就很有必要。超速的程度本文將通過(guò)對(duì)某百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)核電汽輪機(jī)機(jī)型的定量計(jì)算來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

1、超速分析模型建立

　　本文中要討論的百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)核電汽輪機(jī)組是由一個(gè)高中壓合缸、兩個(gè)雙分流低壓缸依次串聯(lián)組成的單軸系機(jī)組，汽輪機(jī)左右兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)MSR，高排蒸汽進(jìn)入每個(gè)MSR前均設(shè)置兩組中壓蝶閥，即單臺(tái)機(jī)組配置4組中壓蝶閥。在分析中壓蝶閥卡澀故障導(dǎo)致超速風(fēng)險(xiǎn)分析前，需要先了解幾個(gè)前提。

　　1.1、核電汽輪機(jī)的工作原理

　　核電汽輪機(jī)為常規(guī)島部分最核心的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，微觀一點(diǎn)來(lái)看汽輪機(jī)是由若干個(gè)“級(jí)”組成的，結(jié)構(gòu)上它是由靜葉柵(噴嘴柵)和對(duì)應(yīng)的動(dòng)葉柵組成，通過(guò)多個(gè)級(jí)將工質(zhì)(蒸汽)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠�輪機(jī)機(jī)械能的一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。宏觀上來(lái)看機(jī)組的做功過(guò)程如圖1所示。

圖1機(jī)組做功過(guò)程圖

3、超速的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及結(jié)論

　　通過(guò)第2節(jié)的計(jì)算分析，獲得了機(jī)組在中壓蝶閥全部卡澀不能關(guān)閉，且所有抽汽止回閥不能關(guān)閉時(shí)甩全負(fù)荷的超速程度A為16.915%，即轉(zhuǎn)速最大將達(dá)到1754r/min；同時(shí)考慮到中壓蝶閥卡澀而抽汽止回閥不卡澀時(shí)甩全負(fù)荷超速程度B為13.936%，即轉(zhuǎn)速最大將達(dá)到1709r/min。為了評(píng)估超速對(duì)于機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)隱患，先來(lái)了解一下機(jī)組在轉(zhuǎn)子的壽命期內(nèi)一些承受極限情況：

　　(1)汽輪發(fā)電機(jī)組單根轉(zhuǎn)子出廠時(shí)均進(jìn)行超速試驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)平衡，轉(zhuǎn)速達(dá)額定轉(zhuǎn)速的120%，即1800r/min；

　　(2)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速均大于1800r/min；

　　(3)汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)軸承失穩(wěn)轉(zhuǎn)速均大于2000r/min；

　　(4)該機(jī)組轉(zhuǎn)速超10%時(shí)汽輪機(jī)組邏輯自動(dòng)跳閘，但邏輯命令可手動(dòng)更改。

　　針對(duì)極端情況，超速A達(dá)到1754r/min，在轉(zhuǎn)子的承受范圍之內(nèi)，差不多達(dá)到了極限情況(2)的下限，因而這樣的超速不能超過(guò)2次，總體來(lái)說(shuō)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及軸承和其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在短時(shí)間內(nèi)是可以承受這樣的風(fēng)險(xiǎn)的，一旦轉(zhuǎn)速超10%可提前更改邏輯指令，防止機(jī)組提前跳機(jī)。但是因?yàn)槭呛穗姍C(jī)組，在運(yùn)行時(shí)超速達(dá)到10%對(duì)核反應(yīng)堆負(fù)荷可能有一定影響，故應(yīng)盡量避免。因而在中壓蝶閥卡澀故障沒(méi)有消除之前，在暫時(shí)不考慮停機(jī)的情況下，一定要降低負(fù)荷運(yùn)行，參考計(jì)算值，在實(shí)際中安全運(yùn)行負(fù)荷應(yīng)該在70%額定負(fù)荷以下運(yùn)行(用第2節(jié)同樣的原理可算得70%負(fù)荷下抽汽止回閥正常運(yùn)行時(shí)的超速程度C約9.5%)，這樣即便在這樣的運(yùn)行工況下需要甩全負(fù)荷，超速也不至于過(guò)大，對(duì)汽輪機(jī)安全不會(huì)產(chǎn)生影響。

　　通過(guò)以上的分析計(jì)算，也可得出此半轉(zhuǎn)速百萬(wàn)級(jí)核電機(jī)型在未加裝中壓蝶閥時(shí)的最大超速約為16.915%，比相同等級(jí)(表1，表2中)的機(jī)型要小。