徐鳳煜，王 磊，呂 凱

（1．中廣核工程有限公司，廣東深圳518031；2．重慶電力高等專科學(xué)校，重慶400053）

核電廠機(jī)組甩廠用電失敗事件分析及處理

徐鳳煜1，王 磊2，呂 凱1

（1．中廣核工程有限公司，廣東深圳518031；2．重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶400053）

對某核電廠3號(hào)機(jī)組快速甩負(fù)荷（FCB）甩廠用電試驗(yàn)失敗進(jìn)行案例分析，從汽輪機(jī)再熱進(jìn)汽門的控制原理出發(fā)，對該事件的故障排查過程、故障原因分析、故障處理方案及改進(jìn)措施進(jìn)行了系統(tǒng)論述。再次執(zhí)行FCB甩廠用電試驗(yàn)順利成功，可為同類型機(jī)組處理相似問題提供參考。

核電廠；快速甩負(fù)荷；帶廠用電；汽輪機(jī)；再熱汽門

快速甩負(fù)荷（FCB）是指并網(wǎng)機(jī)組在電網(wǎng)或并網(wǎng)接入線路發(fā)生故障時(shí)與電網(wǎng)解列，機(jī)組快速甩負(fù)荷但汽輪發(fā)電機(jī)組仍然保持運(yùn)行的一種特殊工況［1］。甩負(fù)荷至帶廠用電運(yùn)行屬于FCB的一種方式，即事先不切換廠用電，機(jī)組甩負(fù)荷之后迅速穩(wěn)定運(yùn)行且順利自帶廠用電負(fù)荷。這種方式對于外部故障消除之后，快速恢復(fù)電網(wǎng)供電能力具有重要作用。

某核電廠機(jī)組是上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的反動(dòng)凝汽式半速汽輪機(jī)組，額定功率為1 086 MW，有1個(gè)高壓缸，2個(gè)低壓缸，共計(jì)3個(gè)汽缸，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采用的是西門子T2000系統(tǒng)［2］。該機(jī)組在基建設(shè)計(jì)階段即考慮設(shè)計(jì)了FCB功能。

2015年12月9日，某核電廠3＃機(jī)組在100%功率平臺(tái)執(zhí)行甩負(fù)荷至廠用電試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中汽輪機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)1 651 r／min，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（GSE）超速保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)汽輪機(jī)跳機(jī)，F(xiàn)CB試驗(yàn)失敗。

1 FCB的控制策略設(shè)計(jì)

該核電機(jī)組FCB包括甩負(fù)荷及輔機(jī)故障甩負(fù)荷［3］。其中，RB功能包括反應(yīng)堆RB、發(fā)電機(jī)故障RB、給水泵RB、同側(cè)低壓缸閥門故障RB、BUP控制室后備盤按鈕RB。

總體思路是：電氣系統(tǒng)通過邏輯判斷觸發(fā)FCB動(dòng)作信號(hào)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（GRE）接收FCB觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)切換至轉(zhuǎn)速控制方式；RB回路動(dòng)作，反應(yīng)堆功率目標(biāo)負(fù)荷按帶50 MW快速下降，蒸汽旁路系統(tǒng)打開，GRE將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)入帶負(fù)荷的轉(zhuǎn)速控制方式、帶自身廠用電運(yùn)行。

在FCB觸發(fā)瞬間，汽輪機(jī)高低壓缸的調(diào)節(jié)汽門迅速關(guān)閉。由于調(diào)門關(guān)閉與發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)解列甩負(fù)荷速度上存在時(shí)間差，在FCB觸發(fā)動(dòng)作初期汽輪機(jī)會(huì)存在一個(gè)瞬間的轉(zhuǎn)速飛升過程。由于機(jī)組仍維持自帶廠用電的方式，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升幅度也相對甩100%負(fù)荷要小一些。在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速回降時(shí)，調(diào)門重新開啟，維持汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在合理穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

2 原因分析及故障排查

2．1 直接跳機(jī)原因

根據(jù)采集數(shù)據(jù)曲線（圖1）顯示，在收到發(fā)電機(jī)斷開超高壓斷路器斷開信號(hào)后，4個(gè)高壓調(diào)節(jié)汽門和GRE1151／1251VV／2251VV3個(gè)低壓調(diào)節(jié)汽門快速關(guān)閉。而GRE2151VV閥門持續(xù)卡澀在98%左右開度，導(dǎo)致殘留在汽水分離再熱器和低壓進(jìn)汽管道內(nèi)的蒸汽繼續(xù)進(jìn)入低壓缸，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升至1 651 r／min，超過GSE汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)超速保護(hù)閾值，導(dǎo)致超速保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)并最終導(dǎo)致反應(yīng)堆跳堆。

圖1 甩廠用電過程進(jìn)汽閥門動(dòng)作曲線

根據(jù)控制邏輯，在收到甩廠用電信號(hào)后，所有汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門需快關(guān)1 s，之后根據(jù)汽機(jī)轉(zhuǎn)速偏差計(jì)算出的蒸汽需求量控制閥門開度。而此試驗(yàn)過程中，低壓調(diào)門GRE2151VV開度由100%降至98%之后始終未關(guān)閉，這不符合邏輯要求。

綜上所述，確認(rèn)了此次100%功率甩廠用電失敗跳機(jī)的直接原因是GRE2151VV汽輪機(jī)低壓再熱汽門未關(guān)閉。

2．2 閥門卡澀原因分析

2．2．1 汽輪機(jī)再熱調(diào)門控制原理

汽輪機(jī)再熱調(diào)門由ADAMS廠生產(chǎn)，閥門形式為蝶閥。油動(dòng)機(jī)內(nèi)高壓油驅(qū)動(dòng)閥桿旋轉(zhuǎn)90°打開閥門，油動(dòng)機(jī)電磁閥打開泄油后，碟簧彈力驅(qū)動(dòng)閥桿回轉(zhuǎn)90°關(guān)閉閥門［4］。閥門驅(qū)動(dòng)端閥桿使用供汽、抽汽兩級(jí)密封裝置。其中，門桿抽汽為負(fù)壓，門桿供汽為正壓。

如圖2的低壓調(diào)閥工作原理簡圖所示，低壓調(diào)節(jié)閥門工作回路主要由閥門本體、油動(dòng)機(jī)、2個(gè)跳機(jī)電磁閥、伺服閥、油管線等設(shè)備組成。以GRE2151VV為例，正常工作狀態(tài)下，兩個(gè)跳機(jī)電磁閥GSE2144EL／GSE2143EL帶電，來自低壓模塊母管的抗燃油進(jìn)入伺服閥，通過伺服閥指令調(diào)節(jié)P口進(jìn)入油動(dòng)機(jī)油量的大小，從而調(diào)節(jié)閥門開度［5］。

圖2 低壓調(diào)閥工作原理簡圖

甩廠用電快關(guān)過程：跳機(jī)電磁閥收到失電指令，GSE2154VH插裝閥彈簧同側(cè)的油壓通過跳機(jī)電磁閥卸載流回油箱，如圖2中的實(shí)心三角箭頭所示。GSE2154VH在來自油動(dòng)機(jī)進(jìn)油的油壓作用下打開，使插裝閥下部與上部連通，油動(dòng)機(jī)進(jìn)油卸載回油箱，如圖2中的空心三角箭頭所示。油動(dòng)機(jī)在彈簧力的作用下帶動(dòng)閥門快速關(guān)閉［6］。

2．2．2 控制及液壓回路檢查

1）控制回路檢查

根據(jù)控制邏輯，針對控制回路的檢查主要是確認(rèn)甩廠用電過程及超速跳機(jī)后跳機(jī)電磁閥動(dòng)作響應(yīng)正確、卡件輸出信號(hào)正確。通過查詢系統(tǒng)日志可知，在甩廠用電及超速跳機(jī)的過程中，GRE2151VV相關(guān)跳機(jī)電磁閥均動(dòng)作正確。另外，跳機(jī)之后再就地測量跳機(jī)電磁閥、伺服閥指令信號(hào)，均與控制邏輯一致，證明了控制回路部分響應(yīng)正確，不存在問題。

2）液壓回路檢查

現(xiàn)場通過油動(dòng)機(jī)內(nèi)部油壓測量、油動(dòng)機(jī)排氣、電磁閥檢查、伺服閥檢查、油動(dòng)機(jī)進(jìn)油濾網(wǎng)檢查等工作完成油動(dòng)機(jī)油路排查，未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致閥門卡澀的故障。液壓回路檢查記錄表如表1所示。

表1 液壓回路檢查記錄表

3）機(jī)械回路檢查

根據(jù)低壓再熱調(diào)節(jié)閥門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理，機(jī)械部分導(dǎo)致閥門卡澀的部分可分為油動(dòng)機(jī)內(nèi)部（驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）、閥門本體。由閥門結(jié)構(gòu)可知，可能導(dǎo)致閥門卡澀的部位有軸封、驅(qū)動(dòng)端軸承、非驅(qū)動(dòng)端軸承［7－8］。因此，機(jī)械回路的檢查首先要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與閥門本體的分離，從而確定卡澀位置。拆檢步驟順序如圖3所示。

圖3 閥門機(jī)械回路檢查步驟順序簡圖

閥體拆檢至軸封壓蓋時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸封壓蓋和閥軸之間存在金屬異物。用塞尺對間隙進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)間隙不均勻，部分位置因有明顯凸起，塞尺無法進(jìn)入。

圖4為低壓閥門結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此位置理論間隙應(yīng)為1 mm。

軸封壓蓋拆卸后，發(fā)現(xiàn)閥軸1點(diǎn)鐘至3點(diǎn)鐘方向存在嚴(yán)重磨拉傷，軸封壓蓋內(nèi)環(huán)也有嚴(yán)重磨損，閥軸與軸封壓蓋磨損圖如圖5所示。對缺陷部位進(jìn)行缺陷復(fù)型拓模試驗(yàn)后得出的結(jié)論是：閥軸拉傷導(dǎo)致凸起最大高度為0．888 mm，凹陷最大深度為1．939 mm；壓蓋拉傷凸起最大高度1．938 mm，凹陷最大深度為1．928 mm。

根據(jù)此現(xiàn)象，基本確定導(dǎo)致閥門卡澀的位置即此處。為了確保閥門及軸封不受損傷，現(xiàn)場對閥軸進(jìn)行輕微盤動(dòng)，閥門本體開度歸為零位。同時(shí)，將軸封拉出檢查并更換密封墊片，確認(rèn)軸封完好后重新回裝。由此得出結(jié)論，導(dǎo)致閥門卡澀的原因是閥軸與軸封壓蓋磨損卡死。

圖4 低壓閥門結(jié)構(gòu)圖

圖5 閥軸與軸封壓蓋磨損圖

2．2．3 軸封壓蓋與閥軸之間異物分析

材料磨損失效形式分為磨粒磨損、粘著磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損等6種形式［9－11］。

觀察目前閥軸與軸封壓蓋損傷的形式后得知，發(fā)生的是粘著磨損，見圖6。當(dāng)閥軸損傷高點(diǎn)與軸封壓蓋損傷高點(diǎn)接觸后產(chǎn)生粘附效應(yīng)，隨后在閥門動(dòng)作期間，粘附部位隨著閥軸旋轉(zhuǎn)將軸封壓蓋表面卷起并堆積成為高點(diǎn)，最終閥軸與軸封壓蓋抱死。

圖6 粘著磨損示意圖

由于閥軸與軸封壓蓋間隙合格且未發(fā)生碰磨，所以發(fā)生黏著磨損的原因是異物進(jìn)入，觸發(fā)磨粒磨損（硬顆粒或硬突起使摩擦表面破損而分離出磨屑或形成劃傷的磨損，見圖7。），隨后閥門動(dòng)作期間損傷逐漸擴(kuò)大，直至發(fā)生粘著磨損。

圖7 磨粒損傷示意圖

綜上所述，GRE2151VV閥門引入的異物進(jìn)入軸封壓蓋與閥軸間隙處，導(dǎo)致閥軸與軸封壓蓋發(fā)生材料磨損。在甩廠用電過程中，閥門卡死導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升，系統(tǒng)超速保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

3 處理方案及改進(jìn)措施

1）對GRE2151VV進(jìn)行打磨處理。由于損傷位置對軸間密封無影響，缺陷處理方案為對閥軸進(jìn)行打磨修復(fù)，軸封壓蓋更換新備件。修復(fù)后閥軸表面無凸起，原凹陷位置打磨光滑無毛刺。

2）對其他低壓進(jìn)汽閥門軸封壓蓋間隙進(jìn)行檢查。針對目前未解體的其他閥門，使用0．5 mm塞尺對軸封壓蓋與閥軸之間間隙重新進(jìn)行檢查。其結(jié)果見表2，間隙值均已合格。

3）閥門回裝后的再鑒定。包括5點(diǎn)：①閥位零滿位電流調(diào)整標(biāo)定；②閥門工作點(diǎn)電流AP值整定；③閥門指令46%－54%－46%階躍試驗(yàn)；④指令開關(guān)試驗(yàn)；⑤跳機(jī)電磁閥快關(guān)試驗(yàn)，兩跳機(jī)電磁閥各進(jìn)行1次。根據(jù)測試結(jié)果，閥門卡澀故障處理后滿足設(shè)計(jì)要求。閥門再鑒定記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 閥門再鑒定記錄表

4）對低壓再熱汽門增加異物防護(hù)措施。在工程建設(shè)期間對閥軸與軸封壓蓋處采用雙重防護(hù)措施，避免異物進(jìn)入。在功率運(yùn)行期間，增加防護(hù)篩網(wǎng)，同時(shí)兼顧散熱與防護(hù)效果。

4 處理后的效果

重新執(zhí)行100%負(fù)荷甩廠用電試驗(yàn)，結(jié)果合格。圖8為甩廠用電過程汽輪機(jī)再熱汽門的動(dòng)作曲線。

圖8 甩廠用電再次試驗(yàn)曲線

通過圖8可以看出，汽機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1 582 r／min，低壓調(diào)門動(dòng)作響應(yīng)正確，閥門動(dòng)作符合預(yù)期，無卡澀現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

本文從汽輪機(jī)再熱汽門的控制原理出發(fā)，用實(shí)證分析、再驗(yàn)證分析的方法，對某核電廠3＃機(jī)組FCB甩廠用電失敗事件進(jìn)行了詳細(xì)分析。

發(fā)現(xiàn)了低壓進(jìn)汽閥門卡澀是引起試驗(yàn)失敗的主要原因，明確了異物防護(hù)工作對汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門可靠運(yùn)行的重要性，要及時(shí)消除解決閥門卡澀磨損的缺陷。閥門卡澀原因分析檢查項(xiàng)目匯總表如表4所示。

表4 閥門卡澀原因分析檢查項(xiàng)目匯總表

該案例的分析處理過程可為同類型機(jī)組處理問題提供參考。再次執(zhí)行FCB甩廠用電試驗(yàn)的成功證明，該問題的處理方法正確，汽機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1 582 r／min，低壓調(diào)門動(dòng)作響應(yīng)正確，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了優(yōu)良水平。

［1］ 伍小林，羅云，李彥軍．660MW機(jī)組FCB試驗(yàn)轉(zhuǎn)速飛升異常分析及處理［J］．中國電力，2014（6）：80－81．

［2］ 上海汽輪機(jī)廠．汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)邏輯圖［M］．上海：上海電氣電站設(shè)備有限公司，2015．

［3］ 上海汽輪機(jī)廠．汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)邏輯圖［M］．上海：上海電氣電站設(shè)備有限公司，2015．

［4］ 上海汽輪機(jī)廠．再熱門運(yùn)行維護(hù)手冊［M］．上海：上海電氣電站設(shè)備有限公司，2014．

［5］ 上海汽輪機(jī)廠．再熱主汽門油動(dòng)機(jī)系統(tǒng)流程圖［M］．上海：上海電氣電站設(shè)備有限公司，2012．

［6］ 徐貞禧．汽輪機(jī)設(shè)備故障診斷與預(yù)防［M］．北京：中國電力出版社，2011．

［7］ 李光耀，殷立寶．大容量火力發(fā)電機(jī)組快速切負(fù)荷功能應(yīng)用分析［J］．廣東電力，2012（5）：108－109．

［8］ 林敏杜，朱亞清．一起1000 MW汽輪機(jī)控制異常的分析［J］．廣東電力，2012（2）：108－110．

［9］ 于風(fēng)春．淺析金屬材料的磨損失效及防護(hù)措施［J］．硅谷．，2011（10）：123．

［10］袁興棟，郭曉斐．金屬材料磨損原理［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014．

［11］左帥，張志挺，代洪軍，陳念軍．西門子1000MW汽輪機(jī)閥門活動(dòng)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控策略及實(shí)例分析［J］．中國電力，2015（5）：17－19．

Analysis of the Failure of the Load Rejection to Auxiliary Load of the Unit of A Nuclear Power Plant and Relevant

XU Fengyu1，WANG Lei2，LV Kai1
1．China Nuclear Power Engineering Co．，Ltd．，Shenzhen Guangdong 518031，P．R．China；2．Chongqing Electric Power College，Chongqing 400053，P．R．China）

By analyzing the failure of the FCB experiment on the load rejection to auxiliary load of3＃unitof a nucle ar power plant，based on the control principle of the reheat inlet valve of the steam turbine，this paper systematically expounds the troubleshooting process of the fault，the cause analysis，the handling schemes and themeasures of im provement．The subsequent FCB experiment on the load rejection to auxiliary load turned out successful，which can provide reference for similar cases．

nuclear power plant；FCB；auxiliary load；steam turbine；reheat valve

TK267

A

1008 8032（2017）03 0041 05

2016－12－29

徐鳳煜（1988－），工程師，主要從事核電廠汽輪機(jī)儀控系統(tǒng)調(diào)試工作。