田湾核电站汽轮机启动过程的功能优化与探讨

2014-04-21廖江龙

新媒体研究 2014年5期

摘要文章描述了百万千瓦核电机组田湾核电站汽轮机控制与保护系统的特点，结合汽轮机的启动过程存在的一些问题，从优化汽轮机工艺参数控制与防人因失误的角度，对汽轮机启动过程进行探讨与分析，提出改进汽轮机预热与暖机程序的具体方法。

关键词汽轮机；启动；预热；功能优化

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0156-03

随着国民经济的发展，能源需求不断增加，在市场与环境的双重压力的驱使下，我国的核电行业得到了较快的发展，核电站的单机容量也在不断扩大。汽轮机作为核电厂重要设备之一，其运行不仅关系到核电厂能否高效发电，更关系到核电厂能否安全、稳定运行。因此对汽轮机的控制与保护的就显得尤为重要了。

本文结合田湾核电站汽轮机启动过程的特点以及出现的问题，针对汽轮机预热速率的控制以及暖机程序的优化，提出了一些改进措施，对提高汽轮机安全、稳定、可靠运行具有重要意义。

1 田湾核电站汽轮机控制与保护系统的组成

田湾核电站1、2号机组汽轮机为K-1000-60/3000型汽轮机，由俄罗斯列宁格勒金属工厂制造。此汽轮机成对称布置，共有五个汽缸，包括一个高压缸和四个低压缸，高压缸在中间，两边分别对称布置有两个低压缸，如图1所示。

田湾核电站正常运行过程系统采用德国西门子TELEPERM-XP过程控制系统，为典型的集散控制系统。包括操作监视及管理OM690系统、功能分散自动控制AS620B/AS620T系统、ES/DS诊断工具系统、接口系统以及相应通讯总线系统等。

田湾核电站汽轮机控制系统与保护通过正常运行过程系统TXP平台来实现。其包括两个部分，即汽轮机电液调节系统DEH和汽轮机保护控制系统AS620B。其中，汽轮机电液调节系统DEH采用德国西门子公司提供的Simadyn-D数字控制系统，即AS620T，其实现对汽轮机的转速控制、功率调节、主蒸汽管线压力控制、低压缸进汽温度控制、一次调频频率修正、最小压力控制、甩负荷、超速预保护、手动控制、负荷限制等功能。汽轮机保护控制系统则采用AS620B控制系统构成的危机跳闸系统（ETS），为了安全可靠运行，该系统设置了3对AP（AP621、AP622、AP623），采用3取2的控制方式，以保证汽轮机保护系统不拒动、不误动。在AS620B的AP624中，还专门设计了一个控制程序，用于汽轮机预热、冲转，即汽轮机启动控制程序MYA00EC001。总之，由AS620B、AS620T以及OM690等系统共同实现了对汽轮机的监测、控制与保护。

2 田湾核电站汽轮机启动过程简介

田湾核电站汽轮机从盘车状态到额定转速的全过程由启动控制程序MYA00EC001通过自动控制、人为断点辅助判断相结合的方式来实现。其启动流程为：暖阀、冲转至暖机转速、暖机、继续冲转至额定转速，具体任务可分为以下三个阶段。

第一阶段任务：汽轮机高压阀组的预热

1）开启主蒸汽管线上的电动疏水阀门，同时提醒操纵员确认现场手动疏水阀门状态。

2）切除释放点控制程序MYA00EE001。

3）向同步器发1sec“开”脉冲，开启汽轮机高、低压主汽门。

4）投入汽轮机高压阀组预热阀门控制程序LBA00EE005，同时开启预热阀门LBA25、45AA101。

5）将汽轮机高压阀组预热调节阀门LBA25、45AA201投自动控制，开始预热汽轮机高压阀组。

6）当汽轮机高压阀组壳体温度大于220℃，预热调节阀门LBA25、45AA201处于自动控制状态，则全开预热阀门LBA25、45AA201，同时将主蒸汽管线疏水调节阀全开并置于手动控制。

7）开启电动主汽门LBA10～40AA103。

8）开启汽水分离再热系统预热阀门LBB00AA102。

9）当满足下列条件，则发出“汽机准备好冲转”信号。

LBB00AA102开启；

汽机热力参数正常；

凝汽器真空小于-70 kPa；

发电机准备好启动；

蒸汽发生器总蒸汽流量大于500 kg/s（堆功率约为40%N额定）；

高压缸进汽短管温度大于60℃；

汽机胀差正常。

第二阶段任务：冲转汽轮机至1100rpm

1）切除释放点控制程序MYA00EE001，设定汽轮机转速调节器目标转速定值为1100rpm。

2）在OM画面上显示“Turb waiting time”，在1100rpm转速平台等待10 min。

第三阶段任务：冲转汽轮机至3000rpm

1）切除释放点控制程序MYA00EE001，设定目标转速定值为3000rpm。

2）等待转速达到2940rpm。

3）等待5 min。

4）开启汽水分离再热系统阀门LBB00AA101。

5）启动汽轮机自动加载顺控MAA01EC002，关闭预热阀门LBB00AA102。

6）发出提示信号：汽机处于“空转”、汽轮机启动控制程序MYA00EC001已执行完毕。

3 汽轮机冲转过程的优化改进

汽轮机启动的关键在于对于汽轮机通流部分热应力的控制是否合理，即启动过程应避免不符合要求的蒸汽进入汽轮机，不发生因为热应力超限而导致汽轮机设备损坏。热应力自动控制的主要目的是控制汽轮机热应力在允许范围内，这已成为汽轮机组安全运行的主要因素。汽轮机在冲转、升速、暖机、过临界、并网等一系列过程中的热应力处于最佳状态，也就是使上述一系列过程中的机组寿命损耗降低到最小。这就必须控制机组在启动、停机以及负荷大幅度变化等过程中的温度变化率，过大的温度变化率会使转子产生较大的温度梯度并由此而产生热应力，大容量机组的热应力控制归结到底也就是汽轮机转子的热应力控制。在机组的启、停时，蒸汽和金属温度的最佳匹配是减少对金属部件的热冲击和寿命消耗的重要措施。因此，在机组启动时，应合理选择汽轮机的冲转参数初负荷值、温升率以及升负荷率。而在冷、温态启动时，合理安排中速暖机是预防转子低温脆性损伤的有效方法。下面，分别针对田湾核电站汽轮机启动过程中，汽轮机高压阀组的预热与中速暖机过程中出现的一些问题，提出相应改进措施，以保证汽轮机在启动过程中热应力在运行限值范围之内。endprint

3.1 汽轮机高压阀组预热速率的优化

基于上述田湾核电站汽轮机启动过程，汽轮机启动程序MYA00EC001在第5步将汽轮机高压阀组预热调节阀门LBA25、45AA201投入自动控制方式，并且要求其预热速率不大于4℃/h。在汽轮机高压阀组实际预热时，往往其预热速率超过运行限值，而操纵员对此却不能有效干预。这是因为汽轮机启动程序MYA00EC001直接控制预热阀门，操纵员想要干预预热调节阀门，必须切除汽轮机启动程序MYA00EC001；而程序MYA00EC001又是后续发电机并网前的励磁条件之一，因此，汽轮机启动程序MYA00EC001不能中途退出。基于此缘故，当汽轮机高压阀组预热速度超限时，主控室操纵员无法实现对汽轮机高压阀组预热调节阀门的手动控制。因此，为了不影响后续发电机的励磁，同时又能满足预热汽轮机高压阀组时有手动干预的条件，在预热阀门的控制上可做一定优化处理。

方法一：

在汽轮机启动程序MYA00EC001与高压阀组预热调节阀门LBA25、45AA201之间设置一道控制程序，如LBA25、45EE001。使汽轮机启动程序不直接控制预热阀门LBA25、45AA201，如图3所示。这样，当汽轮机高压阀组的预热速率超过其运行限值时，操纵员可以通过切除预热调节阀门的控制程序来实现对汽轮机高压阀组预热的手动控制，从而保证汽轮机热力机械参数在其运行限制范围之内。

方法二：

将汽轮机启动程序MYA00EC001对预热调节阀门LBA25、45AA201的控制方式由“高电平”改为“脉冲”控制，如5秒脉冲（如图4所示）。即MYA00EC001发5秒脉冲将预热调节阀门LBA25、45AA201投入自动控制方式，当5秒脉冲控制命令结束后，主控室操纵员可以将预热阀门LBA25、45AA201切为手动控制，从而实现必要时汽轮机高压阀组的预热手动干预，进而保证汽轮机热力机械参数在运行限值内。

3.2 转速1100rpm平台暖机条件的优化

汽轮机规程中要求，汽轮机冲转过程中，当汽轮机转速接近第一个转速平台设定值1100rpm时，如果此时汽轮机高压缸上部缸体温度低于150℃，则需要在1100rpm转速平台停留10 min，以保证汽轮机缸体的充分预热。当满足下列条件时，启动程序MYA00EC001才会继续往下执行：

1）操纵员投入释放点控制程序MYA00EE001，即表示汽轮机可以继续向3000rpm转速平台冲转。

2）1100rpm转速平台等待10 min的暖机信号MAX51DS221消失。

3）1050rpm<汽轮机转速<1200rpm。

4）汽轮机热力机械参数正常。

5）凝汽器真空小于-92 kPa。

6）汽轮机盘车切除。

7）汽轮机转子胀差正常等。

针对暖机信号MAX51DS221（如图5所示），其触发条件为：

1）汽轮机高压缸上部缸体温度低于150℃。

2）汽轮机转速大于1090rpm。

即第二阶段任务（冲转至1100rpm）向第三阶段任务（冲转至3000rpm）转换的工作条件中，条件2）与3）对汽轮机转速要求不一致。条件2）中为1090rpm，条件3）中为1050rpm。这就带来一个问题，如果操纵员在暖机信号MAX51DS221出现之前，即汽轮机转速大于1090rpm之前，错误的投入了进程释放点控制程序MYA00EE001，当汽轮机转速大于1050rpm后，而此时汽轮机高压缸的上部缸体温度又低于150℃，将导致汽轮机启动程序MYA00EC001满足从第二阶段任务向第三阶段任务转变的工作条件，从而导致汽轮机在1100rpm转速平台不会停留10min，直接向3000rpm转速平台继续冲转。即使此时高压缸上部缸体温度低于限值150℃、暖机信号MAX51DS221触发，也起不到任何闭锁作用，因为汽轮机启动程序MYA00EC001认为第二阶段的任务已经结束并且满足执行第三阶段任务的工作条件。因此，从防人因失误的角度出发，应从根本上消除汽轮机启动程序中的这些不安全因素。因此，针对汽轮机启动程序MYA00EC001中第二阶段任务向第三阶段任务转变的工作条件，可做如下优化：

修改第二阶段任务向第三阶段任务转变的工作条件中对汽轮机转速要求（如图6所示）。保守起见，甚至可以将条件2）与3）中对汽轮机转速的要求互换。即条件2）中对汽轮机转速的要求改为：“1090rpm<汽轮机转速<1200rpm”；条件3）中对汽轮机转速的触发条件改为：“1050rpm<汽轮机转速”。这样，在汽轮机冲转过程中，当汽轮机转速大于1050rpm后，如果汽轮机高压缸上部缸体温度低于150℃，则自动触发在1100rpm转速平台等待10 min暖机信号MAX51DS221。当汽轮机转速到达1090rpm后，即使操纵员误操作，提前将进程释放点控制程序MYA00EE001投入，汽轮机启动程序MYA00EC001也必须在第二阶段任务执行完毕后等待10 min，即汽轮机冲转至1100rpm后如果高压缸上部缸体温度低于150℃，则必须再等待10 min，以保证汽轮机缸体的充分预热。从而大大降低了主控室操纵员出现人因失误的风险，进而保证了汽轮发电机组的安全运行。

4 结论

为了保障百万千瓦核电机组的汽轮发电机组的安全运行，在汽轮机启动过程中，应充分保证汽轮机高压阀组与汽轮机本体的预热。因此，必须有条件、有手段在汽轮机参数出现偏离的情况下做出有效的干预，从而保障汽轮机工艺参数在运行限制范围之内，同时尽量降低人员失误的几率。本文从优化汽轮机过程控制的角度，结合田湾汽轮机启动过程中容易出现的问题，提出了改进汽轮机高压阀组预热速率以及通过优化汽轮机控制程序来降低人因失误的一些观点与建议，对后续优化汽轮机启动提供一定参考与借鉴。

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