鮑旭東

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

1 089 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的實踐

鮑旭東

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

介紹某核電工程汽輪發(fā)電機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的試驗過程，重點分析試驗中汽輪機(jī)缸差、軸系和臨界轉(zhuǎn)速等參數(shù)，針對汽輪發(fā)電機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程中的軸承燒瓦事故進(jìn)行了分析，對沖轉(zhuǎn)檢查的最低轉(zhuǎn)速提出了相應(yīng)建議。

非核蒸汽；汽輪發(fā)電機(jī)組；沖轉(zhuǎn)試驗

非核蒸汽沖轉(zhuǎn)是指在反應(yīng)堆裝料前的核島熱態(tài)試驗階段，利用反應(yīng)堆冷卻劑泵和穩(wěn)壓器電加熱器提供的能量使主系統(tǒng)升溫升壓，通過蒸汽發(fā)生器將一回路主系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換成二回路主蒸汽熱能，進(jìn)行汽輪發(fā)電機(jī)組沖轉(zhuǎn)的試驗。這一試驗是核島蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)與常規(guī)島汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的一次聯(lián)合調(diào)試，其目的是驗證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制及保護(hù)聯(lián)鎖裝置動作正常，實測汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的臨界轉(zhuǎn)速、各軸承的振動值，以及潤滑油供油等輔助系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，確認(rèn)二回路主輔機(jī)設(shè)備安裝質(zhì)量符合機(jī)組啟動運(yùn)行的要求。

1 非核蒸汽沖轉(zhuǎn)實例

1.1 汽輪發(fā)電機(jī)組概述

某核電站的2臺額定出力為1 089 MW的半速汽輪發(fā)電機(jī)組為引進(jìn)法國ALSTOM技術(shù)設(shè)計制造的，由1個HP/IP（高壓/中壓合缸）和2個LP（雙流低壓缸）組成。主蒸汽通過4組閥門進(jìn)入HP汽缸，在高壓汽缸中膨脹做功后，蒸汽被送往2個并聯(lián)運(yùn)行的汽水分離再熱器中（位于HP/IP汽缸的兩側(cè)），經(jīng)過汽水分離除濕和兩級再熱器加熱后，再進(jìn)入到IP汽缸，其流動方向與在高壓缸中相反。在IP汽缸膨脹作功后，蒸汽進(jìn)入LP汽缸膨脹繼續(xù)做功，直到排汽進(jìn)入凝汽器。該機(jī)組的軸系由1個HIP（高中壓）轉(zhuǎn)子、2個LP1/LP2（低壓）轉(zhuǎn)子和1個發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子（含勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)電樞等）構(gòu)成，整個汽輪機(jī)本體汽缸及軸承定位的滑銷系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 汽機(jī)滑銷系統(tǒng)

1.2 試驗過程

新建核電站的汽輪發(fā)電機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗項目，安排在核島相關(guān)系統(tǒng)完成熱態(tài)功能試驗后進(jìn)行，由于此時二回路大部分系統(tǒng)設(shè)備還未向運(yùn)行移交，汽機(jī)廠房內(nèi)設(shè)備安裝和系統(tǒng)調(diào)試工作交叉進(jìn)行，沖轉(zhuǎn)試驗的組織準(zhǔn)備和協(xié)調(diào)工作較多，且運(yùn)行操作有一定的風(fēng)險和難度。在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)操作過程中，必須嚴(yán)密監(jiān)測一回路平均溫度和溫降速率變化不能超過運(yùn)行限值，連續(xù)監(jiān)視穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器水位及壓力不能超過運(yùn)行限值，參數(shù)一旦出現(xiàn)異常必須立即中斷操作。

在汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)準(zhǔn)備階段，首先要確認(rèn)汽輪機(jī)的控制保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)視儀表及其它輔助系統(tǒng)的調(diào)試已完成，并投用正常；其次是確認(rèn)涉及汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)操作相關(guān)的二回路系統(tǒng)、BOP（外圍設(shè)施）部分相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備單體調(diào)試和系統(tǒng)分部試驗已完成，并投用正常。按照試驗程序檢查汽輪機(jī)控制與保護(hù)系統(tǒng)投入且各測點參數(shù)檢測正常，待蒸汽發(fā)生器二次側(cè)蒸汽參數(shù)達(dá)到非核沖轉(zhuǎn)試驗條件后，先按照汽輪機(jī)主汽門和調(diào)門嚴(yán)密性試驗程序進(jìn)行閥門嚴(yán)密性試驗，并確認(rèn)嚴(yán)密性合格。

某核電站2號汽輪發(fā)電機(jī)組第一次非核蒸汽沖轉(zhuǎn)：10:28首次沖轉(zhuǎn)到100 r/min，隨后打閘進(jìn)行摩擦檢查；11:16再次沖轉(zhuǎn)到100 r/min，進(jìn)行低速暖機(jī)持續(xù)約50 min；12:17升速到500 r/min（速率50 r/min2），在此轉(zhuǎn)速下持續(xù)僅3 min，發(fā)電機(jī)汽側(cè)7號軸承瓦塊一測點溫度從62.5℃快速上升至132℃，打閘停機(jī)，在轉(zhuǎn)子惰走過程中7號軸承瓦塊另一測點溫度從63.8℃上升至144℃。隨后解體檢查7號軸承，發(fā)現(xiàn)有異物進(jìn)入，堵塞軸瓦油路，引起潤滑油量不足，造成軸瓦金屬溫度迅速上升至熔點溫度而發(fā)生軸瓦燒毀事故。

2號汽輪發(fā)電機(jī)更換7號軸承軸瓦后進(jìn)行了第二次非核蒸汽沖轉(zhuǎn)。21:23首次沖轉(zhuǎn)到100 r/min，隨后就地手動打閘進(jìn)行摩擦檢查；21:45再次沖轉(zhuǎn)到100 r/min，低速暖機(jī)持續(xù)30 min左右；22:19升速到500 r/min（速率50 r/min2），暖機(jī)持續(xù)15 min；22:47升速到1 500 r/min（速率125 r/min2），空轉(zhuǎn)維持15 min。23:02主控遠(yuǎn)方手動停機(jī)，0:40轉(zhuǎn)速惰走到盤車投入，汽機(jī)惰走時間為98 min。這次非核沖轉(zhuǎn)試驗操作順利，但是2號低壓缸6號軸承金屬溫度在沖轉(zhuǎn)升速過程中出現(xiàn)了溫差大報警，最大時相差約27℃（測點金屬溫度分別為73.72℃和100.8℃）。對于6號軸承出現(xiàn)下瓦2點金屬溫度差值大報警的問題，只能在停機(jī)后翻瓦檢查。

1.3 非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗結(jié)果

2號汽輪機(jī)第二次非核蒸汽沖轉(zhuǎn)從盤車轉(zhuǎn)速沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速耗時64 min，考慮非核蒸汽供給的汽量有限，在中間轉(zhuǎn)速暖機(jī)停留時間很短，在1 500 r/min額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)約15 min，實測軸系各軸承的軸振值均在40 μm以內(nèi)，軸系動平衡狀態(tài)較好。因進(jìn)入汽缸的蒸汽參數(shù)較低，汽輪機(jī)的高壓缸溫度從55℃上升到107℃，高壓缸體受熱膨脹出約0.35 mm（絕對膨脹從3.1～3.45 mm），可見汽缸本體及轉(zhuǎn)子受熱膨脹有限。受泊松效應(yīng)影響，轉(zhuǎn)速從500 r/min升到1 500 r/min的過程中，轉(zhuǎn)軸在葉片離心力作用下被“拉短”，高中壓轉(zhuǎn)子差脹值從1.46 mm變到-0.04 mm，在轉(zhuǎn)速下降過程中差脹值又從-0.04 mm變到1.07 mm。在升速和降速過程中，低壓轉(zhuǎn)子也同樣出現(xiàn)明顯的縮短和伸長變化現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速從500 r/min升到1 500 r/min的過程中，低壓轉(zhuǎn)子絕對膨脹值最大變化約為3.91 mm（從6.54 mm到2.63 mm）。

實際測試2號汽輪發(fā)電機(jī)組沖轉(zhuǎn)升速過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的軸振動最大為65 μm，降速過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的軸振動最大為92 μm，機(jī)組過臨界轉(zhuǎn)速的振動水平在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值以內(nèi)，但連接成軸系以后的各段轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速特性有了明顯的變化，如表1數(shù)據(jù)所示。

表1 2號機(jī)組軸系各轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速（一階） r/min

在2號汽輪發(fā)電機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的升速過程，保持1臺頂軸油泵運(yùn)行，并由交流輔助潤滑油泵連續(xù)提供軸承潤滑油。隨著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速增加，主油泵開始從油箱吸油向系統(tǒng)供油，出口油量隨轉(zhuǎn)速上升逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min時，主油泵出口壓力為0.25 MPa；轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min時，主油泵出口壓力為0.38 MPa，主油泵工作正常，停止交流輔助潤滑油泵運(yùn)行。

在整個試驗的升降轉(zhuǎn)過程中潤滑油總管壓力控制在約0.21 MPa，軸承進(jìn)油溫度維持在35～45℃，各個軸承回油溫度都低于50℃，頂軸油泵和電動盤車裝置自啟停功能正常，證明汽輪機(jī)潤滑供油系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。由于本次沖轉(zhuǎn)在1 500 r/min上停留時間很短，各個軸承的金屬溫度還未上升到穩(wěn)定值，不能完全反映各個軸承工作情況。

2 問題與分析

2.1 試驗的局限性

2次非核蒸汽的試驗過程及結(jié)果表明，軸系各軸承的實測軸振值均在優(yōu)良水平，機(jī)組軸系動平衡狀態(tài)較好。由于非核蒸汽供給的汽量有限，非核沖轉(zhuǎn)汽機(jī)升速過程和中間轉(zhuǎn)速暖機(jī)停留時間很短，且汽缸進(jìn)蒸汽參數(shù)較低，使得汽缸和轉(zhuǎn)子都沒有得到充分加熱，因此不能推斷機(jī)組在并網(wǎng)和升降負(fù)荷過程中，汽輪機(jī)本體的受熱膨脹變化情況。

在反應(yīng)堆裝料后，2號汽輪機(jī)在首次核蒸汽沖轉(zhuǎn)達(dá)到1 500 r/min時，2號低壓缸前軸承5號軸振幅持續(xù)緩慢爬升，空載運(yùn)行約6 h，振動值達(dá)到119 μm時，操縱員脫扣汽輪機(jī)停機(jī)。初步分析振動是由低壓缸汽封或軸承油擋等處動靜部件碰摩所致，這類問題在新裝汽輪機(jī)的啟停過程中較為常見，通過“磨合”的方法進(jìn)行處理。再次沖轉(zhuǎn)到1 500 r/min后，重復(fù)出現(xiàn)汽輪機(jī)5號軸瓦振動持續(xù)上升的異常情況，再次打閘，進(jìn)行機(jī)組停機(jī)小修，對2號低壓缸前后軸端汽封間隙進(jìn)行修改，并解體5號、6號軸承進(jìn)行檢查。該汽輪發(fā)電機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗一次成功，但在后續(xù)的機(jī)組啟動過程中未能避免發(fā)生動靜部件摩擦問題，是事前沒有預(yù)料到的。

另外，在1號機(jī)組50%功率甩負(fù)荷試驗過程中，發(fā)生了汽輪機(jī)軸向位移高信號跳機(jī)，并引發(fā)反應(yīng)堆自動緊急停堆事件。經(jīng)過深入的事故分析，確定軸向位移測量信號的實際零設(shè)置與主控顯示零位偏差+0.20 mm是此次運(yùn)行停機(jī)事件的原因。

上述2件事例反映出，由于受到機(jī)組運(yùn)行工況條件的限制，非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗還不能全面檢驗汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備安裝調(diào)試的質(zhì)量，無法精準(zhǔn)預(yù)測機(jī)組在熱態(tài)工況條件下的運(yùn)行狀況。

2.2 軸承燒瓦事故的原因

在2號汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行第一次非核蒸汽沖轉(zhuǎn)到500 r/min時，發(fā)電機(jī)一側(cè)軸承發(fā)生了燒瓦事故。通過運(yùn)行數(shù)據(jù)分析排除了振動和油溫變化等因素，判斷軸承燒瓦的原因是缺油或局部斷油，使軸頸與軸瓦發(fā)生非正常的接觸。在軸承解體檢查中發(fā)現(xiàn)該軸承側(cè)瓦塊的潤滑油出口油道中有塑料包裝物，且在燒毀的瓦塊烏金中發(fā)現(xiàn)有纖維狀棕色物體。最終確定該軸承因異物進(jìn)入，堵塞軸瓦油路，引起潤滑油量不足，軸承下瓦與軸頸在缺油或油膜破裂的狀態(tài)下直接接觸，使軸瓦金屬溫度迅速上升至熔點溫度，軸瓦烏金材料與軸頸發(fā)生咬黏（膠合），導(dǎo)致軸承下軸瓦被碾壓磨損。

在汽輪發(fā)電機(jī)組的首次啟動和大修后啟動的沖轉(zhuǎn)操作過程中，最容易發(fā)生軸承燒瓦事故，其中因異物進(jìn)入軸承造成燒瓦的情況時有發(fā)生。引起設(shè)備事故的主要原因是未做好安裝過程中的清潔度控制，防異物管理措施失效。因此，全面和嚴(yán)格的現(xiàn)場設(shè)備安裝質(zhì)量控制是防止發(fā)生此類設(shè)備事故的有效措施。與此同時還需在機(jī)組調(diào)試方案和運(yùn)行操作中，考慮以下2個對汽輪發(fā)電機(jī)軸承安全穩(wěn)定運(yùn)行有影響問題。

2.3 可傾瓦軸承檢修工藝

該汽輪發(fā)電機(jī)組整個軸系的徑向軸承都采用了可傾瓦軸承，與橢圓瓦或圓柱瓦軸承的工作特性不同，可傾瓦軸承的每個瓦塊隨運(yùn)行參數(shù)（負(fù)載、轉(zhuǎn)速、潤滑油粘度等）改變時可以繞支點作微量擺動，瓦塊傾斜角度自動調(diào)整與轉(zhuǎn)子軸頸形成油膜厚度以適應(yīng)載荷的變化。為保證在運(yùn)行中每個瓦塊具有良好的隨動性，可傾瓦軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，對設(shè)備的制造質(zhì)量和檢修工藝要求較高。

如果設(shè)備現(xiàn)場檢修安裝不當(dāng)，可能造成軸承自動調(diào)整能力變差，也會出現(xiàn)軸承溫度異?；蜉S承潤滑失效的問題。例如：2號汽輪發(fā)電機(jī)組雖經(jīng)過停機(jī)翻瓦檢查，但仍存在6號軸承下瓦左右2點金屬溫度差值大報警的情況，某核電站反映出的同型號機(jī)組發(fā)電機(jī)兩側(cè)軸承軸瓦平行度超標(biāo)頻繁出現(xiàn)的問題[1]，都提醒在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作中，檢修人員要高度重視可傾瓦軸承安裝工藝和檢修工作的質(zhì)量，運(yùn)行人員要熟知設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，在汽輪發(fā)電機(jī)組啟停運(yùn)行操作過程中要嚴(yán)密監(jiān)測軸承運(yùn)行狀態(tài)變化。

2.4 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)檢查的最低轉(zhuǎn)速

2號機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗操作選擇在100r/min進(jìn)行低轉(zhuǎn)速檢查，主要是考慮用于非核沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)的蒸汽供量有限。通過觀察2號機(jī)組非核沖轉(zhuǎn)過程的軸承運(yùn)行參數(shù)變化情況，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸從盤車轉(zhuǎn)速到100 r/min低轉(zhuǎn)速時，汽輪發(fā)電機(jī)組各徑向軸承的軸瓦溫度僅上升約1℃，說明此低轉(zhuǎn)速條件下轉(zhuǎn)軸動載荷較小，軸瓦同軸頸間可能還未形成楔形油膜區(qū)域，軸頸的潤滑主要是依靠頂軸油泵注入各軸承的少量潤滑油。而繼續(xù)升速到500 r/min（速率50 r/min2）過程中軸承金屬溫度隨轉(zhuǎn)速上升而升高，這一現(xiàn)象說明在升速過程中油膜溫度和厚度發(fā)生了快速變化。

對于大型汽輪發(fā)電機(jī)組的徑向滑動軸承，隨轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速升高，被帶進(jìn)軸承的潤滑油增多，形成潤滑油膜的厚度增大，承受的負(fù)荷也就增大，同時因潤滑油的摩擦功耗增加，軸承工作溫度也會隨著轉(zhuǎn)速增高而升高，如果轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速過低，不利于徑向軸承潤滑油膜的形成。

當(dāng)軸承出現(xiàn)某種異常狀況時，例如轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速瞬間突升或突降、軸承瓦面平行度改變、軸承進(jìn)油量減少等瞬態(tài)變化過程，會引起最小油膜厚度減小或油膜溫度異常升高，嚴(yán)重時會造成軸承潤滑失效，進(jìn)而導(dǎo)致軸承發(fā)生故障。按照制造廠的汽輪機(jī)升轉(zhuǎn)速試驗程序規(guī)定，汽輪機(jī)需在多個轉(zhuǎn)速下停留一段時間，以檢查汽機(jī)所有的運(yùn)行參數(shù)正常，其中200 r/min為最低檢查轉(zhuǎn)速。因此對于半速核電汽輪發(fā)電機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程的低速檢查，應(yīng)選擇在200 r/min以上運(yùn)行轉(zhuǎn)速平臺進(jìn)行，以利于機(jī)組的軸承部件的正常工作和充分磨合，并可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的安裝缺陷。

3 結(jié)語

汽輪發(fā)電機(jī)組非核蒸汽沖轉(zhuǎn)是對核電站設(shè)備設(shè)計、制造、安裝和調(diào)試質(zhì)量進(jìn)行檢驗，可以盡早地暴露設(shè)備缺陷并及時安排處理。由于非核蒸汽沖轉(zhuǎn)汽機(jī)過程太短，汽缸和轉(zhuǎn)子沒有充分受熱，非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗工況下監(jiān)測到的汽輪機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)會有很大的不確定性，因而還不能通過這類沖轉(zhuǎn)試驗，全面預(yù)測和準(zhǔn)確分析此后機(jī)組的核蒸汽啟動、并網(wǎng)及帶負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)變化的趨勢。

因此，新裝機(jī)組只有加強(qiáng)設(shè)備安裝調(diào)試過程的質(zhì)量控制和管理，同時針對汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備特點做好運(yùn)行操作風(fēng)險分析和應(yīng)對措施，才能避免出現(xiàn)重大設(shè)備缺陷而嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行，確保反應(yīng)堆裝料后的一回路與二回路的聯(lián)合調(diào)試順利進(jìn)行。

[1]孫遠(yuǎn)明.核電廠汽輪發(fā)電機(jī)軸承異常原因分析與處理[J].大亞灣核電，2014（3）:20-22.

（本文編輯：徐 晗）

Startup Practice of Non-nuclear Steam of 1 089 MW Nuclear Turbine Generating Unit

BAO Xudong
（China Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan Zhejiang 314300，China）

This paper introduces an initial startup test of nuclear power generating units with non-nuclear steam in a nuclear power project.The paper mainly analyzes parameters such as cylinder variation，axes and critical rotation speed，and in the meantime proposes suggestions on bearing bush burning and the lowest rotation speed for initial startup test.

non-nuclear steam；steam turbine generating unit；startup test

TK267

B

1007-1881（2016）06-0057-04

2016-03-11

鮑旭東（1966），男，高級工程師，從事核電站設(shè)備管理工作。