鄧曉暉 高宏喜

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 前言

1.1 核電廠滿功率甩廠用電試驗

在核電機組運行時， 如果母線斷路器打開，機組與外電網失去連接， 交流發(fā)電機繼續(xù)向機組廠用設備供電， 該瞬態(tài)稱為甩負荷到廠用電。 在核電廠正常運行瞬態(tài)中， 從100%額定功率甩負荷到廠用電運行是最為嚴重的瞬態(tài)， 所以該試驗安排在很多重要的瞬態(tài)試驗之后。 特別地， 該試驗建立在機組已初步具備綜合運行能力的基礎上，安排在各系統不同功率平臺已進行過穩(wěn)態(tài)試驗、機組部分綜合性試驗之后， 如停機不停堆、 跳堆，50%功率甩廠用電試驗等試驗。

該試驗又稱為孤島運行試驗， 也是滿功率FCB 試驗。 在核電機組中， 該試驗不成功， 意味著廠用電不能自給， 這時會引起核島主泵不能及時供電， 勢必造成核島跳堆。 核電機組的孤島試驗受到很多因素影響， 任何跳機組態(tài)在此瞬態(tài)工況觸發(fā)勢必會引起跳機。 實際上， FCB 孤島試驗工況時， 機組各瞬態(tài)工況參數變化很快， 部分參數偏極端， 可能對各設備也包括汽輪機運行安全產生影響， 一旦觸及或超過跳機保護值， 汽輪機就會跳機， 會失去廠用電， 引起核島非計劃跳堆。

跳機的組態(tài)有幾類， 下面就某百萬核電機組在作滿功率孤島試驗因汽輪機中壓蝶閥導致的試驗失敗進行梳理分析及采取相應的處理方案， 并對為何要采取這樣的處理方案進行詳細分析。

1.2 核電機組中壓蝶閥功能及特點

本文中要討論的百萬千萬級核電汽輪機是由1個高中壓合缸、 2 個雙分流低壓缸依次串聯組成的單軸系機組， 汽輪機左右兩側分別設置一個MSR，高排蒸汽進入每個MSR 前均設置2 組中壓蝶閥，即單臺機組配置4 組中壓蝶閥， 見圖1。

圖1 核電汽輪機中壓蝶閥的配置

每組蝶閥由1 臺主汽閥和1 臺調節(jié)閥串聯為整體結構。 主汽閥為兩位控制， 實現開/關功能，調節(jié)閥為連續(xù)閥位控制， 實現調節(jié)功能。 每臺閥門均由獨立的操縱機構控制。 中壓蝶閥由執(zhí)行機構驅動， 執(zhí)行機構為油壓開啟、 彈簧關閉型式。

中壓蝶閥具有2 個安全功能：

（1）汽輪機打閘后切斷蒸汽快關中壓蝶閥， 避免MSR 及其相關管道的蒸汽繼續(xù)膨脹做功， 以消除汽輪機超速風險；

（2）打開中壓蝶閥， 避免MSR 超壓。

基于以上2 個安全功能， 如中壓蝶閥在要求快關而不能正常開關或者不能正常開啟時就不能達到保護汽輪機和MSR 的目的， 勢必會造成汽輪機超速或者MSR 超壓， 這樣就必須采取預判措施， 汽輪機設計時設置了跳機組態(tài)， 見圖2。

圖2 跳機組態(tài)

即當超過2 個中壓蝶閥在執(zhí)行指令延遲超過10 s 時， 汽輪機跳機。 也就是說， 當指令發(fā)出快關或開啟指令時， 閥位對指令的響應超過10 s 即判斷為閥門不能及時關閉或者開啟， 這時如果超過2 臺閥門同時出現這樣的情況， 為保護汽輪機或MSR， 即要邏輯跳機。

2 事故還原

某核電廠在做滿功率甩負荷至廠用電試驗時，發(fā)生跳機跳堆故障， 調取DCS 曲線記錄如下：

19:09:50 主控操縱員斷開0GEW100KG 試驗開始；

19:09:52 超加速信號觸發(fā)， 高中壓調門正?？焖訇P閉， 轉速先升后降；

19:10:06 轉速達到最低至1 494 r/min， 隨著轉速下降（最低至1 494 r/min）高中壓調門指令增加，高壓調門開啟至約8%， 中壓調門開啟至約28%行程（閥門開啟角度約18°）；

19:10:07 轉速升至1 510 r/min， 蒸汽流量指令由21.42%迅速減小至-6.8%， 出現指令與實際閥位偏差超過10%；

19:10:17 閥位偏差持續(xù)時間達到10 s， 汽機跳閘；

整個過程中， 閥位控制指令正確響應機組轉速偏差， 導致跳機的根本原因是在19:10:07 轉速高于額定轉速， 系統發(fā)出關閥門指令后， GRE 高壓閥門正確響應關閉， 中壓閥門沒有關閉且略微開啟， 且通過趨勢記錄， 4 個中壓調門趨勢一致，在系統中幾乎同時觸發(fā)了閥位反饋與指令偏差大于10%擾動， 導致跳機。 汽機跳閘切至輔變， 導致3 臺主泵均出現轉速低報警1RPR161/162/163KA， 疊加P7 信號， 19:10:33 觸發(fā)反應堆跳堆；進一步檢查油動機油壓指令發(fā)現， 19:10:07 發(fā)出關閥指令后， 中壓調閥伺服卡已經動作， 油缸內的油壓已經降至0 MPa， 正常情況下閥門在彈簧力作用下會快速關閉。 具體見圖3。

圖3 故障還原曲線

簡單地講， 此工況發(fā)生在中壓蝶閥的調節(jié)閥能夠第1 次快速關閉， 在重新開啟后為了避免超速需要第2 次關閉時而不能關閉。

另外， 調取孤島試驗前的甩滿功率至空載試驗情況， 發(fā)現閥門曲線反饋與指令也出現超10%，但只發(fā)生了7 s， 故未造成跳機事故。

3 事故原因定位

甩滿功率至空載試驗的成功前提下， 排除邏輯上的設置不會造成中壓蝶閥不執(zhí)行指令的事實，所以問題應該在閥門本身， 居于以下依據（由圖3上查詢數據可知）：

（1）機組甩負荷后中壓蝶閥的調節(jié)閥首先關閉，在二次開啟過程中開啟油壓異常升高， 中調門油壓0-6.24-9.94-7.61 MPa， 穩(wěn)定后的油壓是靜態(tài)相同閥位（0-1.2-2.8 MPa）對應開啟油壓的數倍；

（2）對于中心軸蝶閥， 在相同載荷下作用下，蝶閥在相同閥位下， 開啟和關閉的軸承摩擦力矩接近；

（3）在機組跳閘， 主汽門快速關閉， 調節(jié)閥前蒸汽作用的載荷減小后， 調節(jié)閥自行關閉。

基于以上分析， 回到閥門本身上來：

（1）中壓蝶閥的機械動作原理

中壓蝶閥在蒸汽環(huán)境動作時， 受油動機的液壓驅動力矩、 彈簧驅動力矩、 閥板偏心安裝的蒸汽力矩和閥板重量力矩、 閥軸轉動軸承/軸封摩擦力矩等作用。 其中油動機的液壓驅動力矩： 是閥門開啟的驅動動力； 彈簧驅動力矩： 是閥門關閉的驅動力矩； 閥板偏心安裝的蒸汽力矩和蝶板重量力矩： 由于閥蝶板轉軸安裝在蒸汽管道中心線上方， 下半蝶板受上游蒸汽壓力大于上半蝶板受到的蒸汽力， 同時蝶板的轉向設計為上半蝶板開啟方向為蒸汽流動方向， 因此該部分的力矩總是促進閥門的關閉（助關）； 而閥軸轉動軸承/軸封摩擦力矩總是阻礙閥門運動（開啟和關閉）。

（2）中壓蝶閥在FCB 工況的工作原理

此工況中壓主汽閥始終保持全開， 中壓調節(jié)閥快關后逐漸開啟以控制汽輪機轉速與負荷。 中壓調節(jié)閥應滿足在最大壓差下重新開啟、 關閉的需要。 甩全負荷至廠用電工況開始時， 中壓調節(jié)閥快關， 下游壓力很快趨近于真空， 但是上游壓力保持不變或略有增加， 閥前壓力最大可達120%額定壓力， 廠用電穩(wěn)定運行時閥前壓力1～2 bar，在中壓調節(jié)閥重新開啟期間， 壓降和閥門開度的關系見圖4。 因此中壓蝶閥的調節(jié)閥在此工況參數變化很快， 調節(jié)閥表現為持續(xù)不斷執(zhí)行開啟和關閉命令， 這樣可以將汽輪機轉速調節(jié)趨近并最終穩(wěn)定于1 500 r/min， 同時保證廠用電所需蒸汽量。

圖4 快關后二次開啟時壓降情況曲線

（3）力學分析

油動機的液力矩滿足設計要求， 同時， 在瞬態(tài)試驗中閥門的重新開啟過程中， 閥門可以開啟，說明液壓驅動符合設計并滿足使用需求； 彈簧驅動力矩有工廠試驗數據表面實際彈簧力矩在各個閥位都大于閥門的設計關閉力矩， 更有利于閥門的關閉； 閥板偏心安裝的蒸汽力矩和閥板重量力矩， 統稱為偏心助關力矩（總是促進閥門的關閉）：由于蝶板的蒸汽壓差和力矩有效力臂都與蝶板的開度角有直接關系， 偏心助關力矩在閥門全開位置（壓差最?。┓浅Ｐ?， 在閥門全關位置（壓差最大）最大， 因而閥軸轉動軸承/軸封摩擦力矩， 統稱為摩擦力矩（總是阻礙閥門開啟和關閉）： 摩擦力矩同蒸汽壓差導致的摩擦壓力有直接關系， 在閥門全開位置， 碟板的蒸汽壓差最小， 摩擦力矩最??； 在閥門全關位置， 蝶板的蒸汽壓差最大， 摩擦力矩最大。

從廠家調閱閥門設計數據， 力矩曲線見圖5，與閥門的機械動作原理分析相符合。

圖5 中壓蝶閥理論力矩曲線

另外， 通過閥門廠家提供的力矩數據發(fā)現在閥門開度18°左右時， 設計余量最小， 特別是冷態(tài)情況下開啟力矩余量只有1.4 左右， 關閉余量3.4。這個與實際情況相符合， 由此可見： 閥門在開度30%（角開度約20 度）前后區(qū)域， 摩擦力矩超過偏心力矩和彈簧力矩， 導致閥門拒動。

4 臨時處理方案及評估

基于以上事實及分析， 基本可以確定閥門開關力矩在閥門小開度的時候余量不足。 但是要在一個月左右（機組小修時間窗口）完成對閥門的最終改造基本不可能， 現場及業(yè)主的情況及要求是本試驗成功后就立刻進入168 試運行并商運， 所以如果能基于現狀進行科學的分析判斷并且采取合適的措施， 那么在保證機組運行安全且不影響機組商運推進的前提下， 將閥門改造的時間改在其他窗口將能為業(yè)主帶來效益， 同時也將驗證機組在其他方面的各項指標。

雖然已經確定是閥門的原因， 但是機組在甩全負荷試驗時都是正常的， 且機組從并網到滿功率運行均沒受到閥門影響， 只在FCB 試驗工況失敗， 所以是否在FCB 工況時閥門處于拒動的臨界狀態(tài)？ 只要實施一定措施， 這個臨界狀態(tài)是可以克服并不會在FCB 工況造成跳機呢？ 再來進一步分析：

（1）故障狀態(tài)的復原結果計算分析：

從FCB 試驗工況調閱數據， 相關現場DCS 實測數據見表1。

表1 從FCB 試驗工況現場實測數據

從該表可知高壓調節(jié)閥關閉后機組繼續(xù)帶廠用電61 MW、 超速至1 515 r/min 運行， 經檢查各壓力測點及變化趨勢， 初步排除逆止閥泄露可能，因此只需分析中壓蝶閥。

從汽輪機的通流計算結果推算， IPV （中壓調節(jié)閥）及HPV（高壓調節(jié)閥）不同開度時， 瞬態(tài)功率分布情況見表2。

表2 中壓蝶閥不同閥位機組對應數據

當時中壓調節(jié)閥開度約28% （閥碟角度約18°）， 維持汽輪機帶廠用電60 MW 運行， 需要約197 kg/s 的蒸汽量， 中壓閥前壓力約0.715 MPa，計算結果和現場數據相當。 然后計算FCB 工況第二次超速過程： 實際過程中， 帶廠用電負荷、 在中壓調節(jié)閥開啟28%時飛升到1 534 r/min， 計算分析可得平均功率值約83 MW，與實際測得的飛升時中壓閥前壓力（約0.915 MPa）吻合。 具體見表3。

表3 FCB 工況二次轉速飛升至1 534 r/min 數據

假定在沒有改善中壓控制的前提下， 從能量平衡估算， 在甩全負荷帶廠用電時中壓閥的開度仍維持28%行程（閥碟角度18°）， 這時在14 s 內汽輪機轉速飛升到1 550 r/min， 需要在加速時間段維持平均功率大于93.78 MW， 見表4。

表4 FCB 工況二次轉速飛升至1 550 r/min 數據

此時的中壓蝶閥前壓力大于0.98 MPa， 對比本次運行的實測值0.89 MPa 可以判斷這種情況不可能出現。

另外， 根據調試部門測定的輸入， MSR 所有疏水箱最大閃蒸水量m約為12 t。 由于二次超速時汽輪機已跳機， 不額外進汽， 則假設閃蒸蒸汽能使得汽輪機二次超速轉速達到1 545 r/min， 此時廠用電63 MW， 按表3～4 的計算， 同理可算得汽輪機平均功率P約為90 MW。 此時按12 t 水總能量Q與平均功率P之間的關系， 即可以計算出運行時間，t=Q/P=m·（h1-h2）/P， 其中h1為高排焓值2 486.59 kJ/kg，h2為低排焓值2 327.92 kJ/kg， 則求得t=21 s， 保守取見取30 s。 即閃蒸蒸汽可維持轉速飛升時間30 s。 如轉速飛升超過1 545 r/min且超過30 s 時手動跳機可保證機組安全。

最后回到試驗時閥門開度對汽輪機的保護措施上來進行評估：

（1）當閥門開度過大， 例如超過50%開度， 說明中壓進汽量會很大（雖然二次開啟實際過程中的情況下不會出現）， 這個時候超速必將繼續(xù)升高，可能超過1 550 r/min。

（2）在二次超速要求關閉的情況下， 高壓調節(jié)閥正常是已經關閉的， 這個時候中壓調節(jié)閥的進汽完全靠MSR 閃蒸蒸汽。 根據前面的分析， 在28%開度飛升到1 550 r/min 已是不可能， 如果中壓調節(jié)閥繼續(xù)開啟＞28%開度,高壓調節(jié)閥勢必開啟， 這個時候MSR 閃蒸將消失， 壓力下降， 汽輪機轉速和功率將由高壓調節(jié)閥主導（中壓調節(jié)閥進汽≤高壓調節(jié)閥進汽）， 按計算中壓調節(jié)閥開度38.33%時， 功率才13 MW； 開度48.3%時， 功率51 MW； 開度57.19%時， 功率76 MW。

綜上兩點， 將邏輯點設置在35%～50%即可，但考慮到調節(jié)時可能閥門有偏差， 最終建議設置在45°。

于是， 將邏輯進行修改， 見圖6。

圖6 跳機組態(tài)邏輯修改

5 臨時處理方案的實際驗證

基于以上的臨時處理方案， 即在不對中壓蝶閥進行改造的前提下， 修改保護邏輯， 由原邏輯改為： 在中壓調節(jié)閥同時滿足“開度指令低于45%” 及“實際閥位低于45%開度以下”， 2 個以上中壓調節(jié)閥出現實際開度與開度指令偏差超過10%時， 不跳機， 同時增加手動干預值： 如FCB試驗時， 二次飛升轉速超過1 545 r/min 且持續(xù)時間超過30 s， 則手動打閘停機。

一切就緒后， 第二次滿功率FCB 試驗按上述邏輯執(zhí)行， 試驗成功， 試驗曲線如圖7 所示。

圖7 FCB 試驗成功時各曲線

從圖7 中的第二次FCB 試驗曲線可以得出以下信息：

（1）汽輪機第二次轉速飛升達到1 534 r/min，低于后面設定的1 545 r/min 跳機轉速， 無需跳機；

（2）4 臺中壓調節(jié)閥均在開度約28%（角度18°） 左右， 在汽輪機二次超速要求關閉時與關閉指令發(fā)生了延遲， 延遲達到14 s， 即超過了10 s，如按原邏輯是要跳機的；

（3）試驗也再次驗證了中壓蝶閥在低開度時拒動（力矩不夠）， 后續(xù)需要整改；

（4）完美地驗證了臨時措施之前的各項分析及對FCB 試驗瞬態(tài)的簡化計算推理。