再热蒸汽温度控制对核电机组运行可靠性的影响

鲍旭东，颜铁光



再热蒸汽温度控制对核电机组运行可靠性的影响

鲍旭东，颜铁光

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

某核电百万等级汽轮机在启动和停机过程中，发生了多起与汽水分离再热器（MSR）系统相关的设备故障和非计划停机运行事件。通过电厂设备运行数据及运行事故过程的分析发现，MSR系统设备的运行操作对汽轮机安全稳定运行有重大影响，需要优化MSR再热蒸汽温度控制方式，评估再热器管板温度变化超限对设备可靠性的影响。由于高中压汽缸蒸汽参数的变化过快易引起汽缸热应力过大甚至变形，在汽轮机设备启停和低负荷运行期间，需要重点关注MSR再热蒸汽温度控制不当可能会引发汽缸变形和动静碰磨的问题。

汽水分离再热器；再热蒸汽温度；汽轮机；高中压汽缸；热膨胀

1 设备概述

某核电厂的2台百万千瓦级核电汽轮机组技术采用引进法国ALSTOM半转速（1 500 r/min）ARABELLE机型，每台汽轮机由1个高压缸（HP）、1个中压缸（IP）和2个双流低压缸（LP）组成，配套2台汽水分离再热器（MSR）设备。新蒸汽进入汽轮机高压缸做功后的排汽被引入MSR进行汽水分离，经两级再热器加热后的再热蒸汽进入中压缸继续做功（图1）。MSR的分离器、一级和二级 再热器分别设置有独立的疏水箱及疏排水系统，其中分离器的壳体疏水箱设置有高高液位跳机保护，防止汽轮机进水。

高中压汽缸缸体为单层的薄壁结构，由高中压外汽缸（低合金钢铸件）与中压排汽缸（普通碳素铸钢铸件）两部分组合而成，两上下汽缸的垂直中分面用螺栓连接成为整个外缸的上下两半，然后水平中分面用大螺栓紧固为一体[1]。高压缸为9级通流、中压缸为4级通流，进汽口位于高中压汽缸的中部，做功蒸汽在缸体内相向流动，高、中压排汽分别位于汽缸两端。采用合缸结构的高中压汽缸结构尺寸较大且复杂，汽缸内部通流部件的温度场较为复杂。外汽缸上设有高压进排汽口、中压进排汽口、抽汽口等多个大口径管道接口（图2）。管道在冷态和热态时，分别在汽缸接口位置产生作用力，其大小和方向不仅影响汽缸的稳定性，还影响汽缸接口处的强度[2-3]，也会对汽缸热胀冷缩产生约束。

图1 高中压汽缸和MSR系统布置

图2 高中压合缸模块纵向剖面

2 MSR运行方式的影响

2.1 MSR再热温度控制的方式

核电机组通过MSR的汽水分离和两级再热提升中压缸或低压缸入口蒸汽温度，以提高汽轮机组的循环热效率，降低排汽湿度，减少汽轮机零部件的腐蚀，提高机组的运行可靠性。由图1可见：MSR一级再热器的加热汽源取自高压缸抽汽，一级再热蒸汽阀GSS111VV/112V不进行调节；二级再热器的加热汽源取自主蒸汽，再热蒸汽温度由压力控制阀GSS001VV/002VV进行调节。MSR出口的再热蒸汽温度控制通过调节二级加热蒸汽压力的方式间接实现，将压力信号作为被调量是因为压力信号响应时间短。MSR启动状态取决于二级再热器的管板温度，当管板温度低于120 ℃时，二级管束需要进行通风和预热。通过二级再热压力控制阀调节蒸汽压力。随着管板温度上升，二级再热压力逐渐降低至与暖管要求相适应的最小值（约为200 kPa），二级再热管板温度高于140 ℃时预热自动停止，汽轮机可以启动[4]，图3为MSR温度和压力参数控制曲线。由图3可见：在并网升负荷阶段，二级再热蒸汽压力控制阀根据机组负荷变化逐渐打开，控制二级再热管板的温度上升；当机组在70%额定负荷以上时，2个压力控制阀全开；在降负荷阶段，机组降至70%额定负荷以下时，MSR压力控制阀开始关闭。一级再热器的加热蒸汽不进行调节，随汽轮机启停自动投入运行。

图3 MSR温度和压力参数控制曲线

依据汽轮机设备运行操作规定，当汽轮机中压进汽法兰中间壁金属温度低于150℃时，机组为冷态启动；高于150℃时，机组为热态启动。上述MSR启动过程中，二级再热蒸汽压力控制阀根据机组负荷变化逐渐打开，而且二级再热管板温度高于140 ℃时停止预热，并未充分考虑在启动前进入中压汽缸进口温度与汽轮机启动的冷热状态相匹配的问题。某台引进美国西屋三十万核电机组，为了确保各种运行工况下进入汽轮机的蒸汽温度与汽缸状态相匹配，采用直接测量MSR出口蒸汽温度进行闭环控制方式，并设置自动控制模式，如将MSR自动控制模式细分为冷态启动、热态启动、滑温、基本负荷运行、低负荷和脱扣停机等模式以控制MSR出口蒸汽温度变化速率不超过56℃/h[5]。

2.2 MSR再热器管板温度的变化

MSR一、二级再热器管束都为U型铁素体不锈钢翅片换热管，加热蒸汽沿着水平U型管束由高向低流动。由于MSR的一级再热器的加热汽源无法调节，也未设置预热系统，在汽轮机冲转升速至1 500 r/min和并网带初始负荷过程中，一级再热蒸汽温度均出现跃升趋势，造成一级再热器管板温度随之快速变化。由图4可见：机组冷态启动的升速过程中，一级再热器管板温度由47.79 ℃上升至87.5 ℃，最大上升速度4.58 ℃/min；机组热态启动时，因一级再热器管板温度维持较高水平（约125.5 ℃），在冲转过程中管板温度出现下降趋势，而在并网带初始负荷过程中又从92.28 ℃快速回升，一级再热器管板温度瞬时最大上升速率达到了3.84 ℃/min。如果冲转前或在并网前的一级再热管板温度较低，则当汽轮机冲转升速率或升负荷速率过快时，一级再热管板温度的上升速率也较大。查询某机组多次启动过程的历史运行数据，在一次机组并网带初始负荷过程中一级再热器管板温度瞬时最大变化速率达到了5.09 ℃/min。相对而言，由于二级再热器投入前须进行管束预热，在冲转、并网过程中二级再热器管板温度变化幅度不大，但如果管板温度控制偏高，会出现管板温度先降后升的小幅度变化趋势。

根据制造厂的设备运行维护要求，MSR的再热器管板温度的温升率控制在4 °C/min内[6]。MSR管板温度变化的幅度过大或交替变化，会造成材料热疲劳，同时也会在管束、管板等构件的焊缝处产生交变热应力，造成构件产生变形甚至焊缝开裂引起泄漏。参照某核电厂百万汽轮机组的配套设计，MSR的一级再热器设有新蒸汽后备系统，该系统不仅可用于一级再热器的预热，还可用于防止机组负荷小于35%额定负荷且再热管板温度高于130℃时传热管的过度冷却[7]。

2.3 MSR壳体及再热器疏排水系统的可靠性

某核电站二期１号汽轮发电机组的MSR系统调试运行过程中，发现导波雷达液位计质量缺陷、疏水管道布置及疏水调节等设计问题，导致发生多次抽汽再热器（第一级）、新蒸汽再热器（第二级）隔离，甚至发生机组跳闸事件，对机组的运行造成了很大的影响[8]。机组在低负荷运行期间，MSR的一、二级再热器的疏水排放和扫排气需进行正常管线与紧急管线之间的切换，切换操作会对一、二级再热疏水箱液位控制产生不稳定的影响，容易引起疏水箱液位连续波动，严重时会引发设备故障，危及机组安全稳定运行。对此，操纵员必须特别关注升降至30%功率左右时MSR系统运行参数的变化，避免MSR再热器排汽和疏水系统异常，引发机组瞬态和不稳定运行。由于在低负荷工况（30%额定负荷）下，MSR二级再热疏水压力和焓值较低，同样的高差下疏水闪蒸比例大。特别是要防止MSR壳体压力变化快导致壳体疏水箱上部空间出现 蒸汽大量闪蒸现象，以免壳体液位测量受到严重干扰[9-10]。

3 MSR对机组安全运行的影响

3.1 汽轮机启动、升负荷阶段的影响

某核电厂的2号机组调停小修后冷态启动，汽轮机冲转、并网后，功率以3 MW/min速率升至 330 MW过程中，高中压汽缸的1、2号轴承振动值出现爬升现象，操纵员降低负荷试图稳定振动值，但在短暂稳定后振动值仍继续上升到182 μm，操纵员被迫手动打闸停机（图5）。经过振动监测数据分析，机组功率升至330 MW左右时，1、2号轴承的、方向一倍频振动幅值成倍增大，相位也快速变化，由此判断高中压转子发生了动静碰磨和热弯曲现象。停机后经过24 h连续盘车，消除 高中压转子热弯曲，再次重新冲转、并网，以1 MW/min的速率升负荷至满负荷过程中，2号汽轮机各轴瓦振动正常。由图5可见：由于汽轮机轴封蒸汽（温度为188 ℃）通过两端轴封进入高中压汽缸，在冲转前使高、中压排汽缸温度分别升高到95、106 ℃左右；在冲转过程中，高压排汽缸温度先下降后随着进汽流量增加而上升；中压排汽缸温度下降趋势则较慢，直到并网升负荷后，MSR二级再热器投入，随着中压缸进汽蒸汽温度上升而升高。这主要是由于汽轮机在1 500 r/min空载运转时，进入高中压汽缸做功蒸汽较少，受转子叶片鼓风效应影响，高中压排汽缸维持较高温度。并网后随着进汽流量的增加，汽缸被蒸汽冷却出现温度下降的趋势，这也反映出汽轮机启动及低负荷运行阶段时高中压汽缸内部流场和温度场变化的复杂性，其不仅与进入高中压汽缸的蒸汽流量、温度参数变化有关，还与MSR高中压汽缸之间的系统设计布置有关。由于该单层薄壁的高中压汽缸的结构尺寸较大且复杂、刚性差[11]，当进入汽缸的蒸汽温度变化过快时，若出现汽缸受力不均或热膨胀受阻现象，会造成汽缸变形量过大而引起动静部件径向间隙消失，在高中压汽缸的端部及中间轴封部位发生动静碰磨进而引发机组振动问题。为此，需在机组并网至低负荷运行阶段，密切监控MSR再热蒸汽温度控制情况，并根据机组振动变化趋势，及时保持负荷进行充分暧机，以确保汽缸膨胀顺畅。

图5 2号汽轮机冷态启动过程参数曲线

3.2 汽轮机降负荷、停机阶段的影响

某核电厂的1号机组按计划停机检修，当汽轮机从30%降负荷时，因MSR的二级再热疏水箱液位计发生故障，造成疏水箱液位控制失效，触发MSR二级再热加热进汽阀自动关闭。因2台MSR二级再热器同时停止加热，中压缸进汽温快速下降，与此同时汽轮机高中压汽缸前后的1、2号轴承振动值开始上升到高报警值（90mm）。由于中压缸进汽参数大幅下降的影响，汽缸体金属温度与蒸汽温度的差值较大，产生剧烈的对流换热，引起低压缸内壁及通流部件的冷却收缩。此机组在降负荷过程中发生高中压汽缸前后轴承振动上升与中压汽缸进汽温度快速下降的变化趋势有相关性。根据文献[12]的研究分析，由于核电汽轮机的汽缸尺寸大，上下缸同一横截面的温差为10 ℃左右，将引起约10%的间隙变化。特别在低负荷运行时，若出现疏水不及时，会出现汽缸受热不均，造成上下缸温差变大，极易引起汽缸变形而产生动静部件碰磨。如果转轴本身温度较高，再附加摩擦的热效应，以及材料随温度升高，屈服极限明显下降，一旦发生转轴局部动静摩擦，很容易产生塑性弯曲变形[13-14]。转子热弯曲将会加剧转轴动静碰磨，必然发生汽轮机轴承振动值快速上升而停机。

4 结论与建议

1）MSR设备及其疏排水系统的可靠运行，对于汽轮机的安全稳定运行至关重要。若MSR再热器加热蒸汽温度控制不当，不仅影响MSR设备自身的可靠性，还会对机组安全运行产生较大影响。特别是在机组启停和低负荷工况运行时，若MSR出口蒸汽温度变化过快，会使中压缸内壁温度随蒸汽温度变化较快，易产生较大的热变形和热应力。一旦出现局部动静碰磨会引起转子热弯曲，会导致汽轮机振动剧烈而故障停机，直接威胁到机组的安全运行。

2）通过调节二级加热蒸汽压力的方式来间接控制MSR出口的再热蒸汽温度，压力信号控制响应快，且控制逻辑简单易实现，但是未充分考虑汽轮机的各种运行工况（例如冷态启动、热态启动、低负荷等）。需要优化MSR再热温度的自动控制策略，以确保任何情况下进入汽轮机中压缸的蒸汽温度与汽缸温度相匹配。

3）MSR设备实际运行中，在机组启动冲转过程和并网带初始负荷时，一级再热器管板温度的瞬时温升率>4 ℃/min限制值。因MSR管板温度变化的幅度过大以及出现温度交替变化，会造成管束、管板等构件材料热疲劳，甚至焊缝开裂引起泄漏。需评估管板温度变化率瞬时超限对一级再热器的影响，重视此问题存在对MSR设备可靠性的影响，必要时可考虑增加一级再热器预热。

4）针对机组出现瞬态工况（负荷快速下降）时MSR系统的疏排水箱会发生疏水闪蒸现象，运行操作时要确保疏水箱液位测量和液位调节功能正常，避免发生触发疏水箱液位高高保护信号误动作而造成MSR单级再热器被隔离，甚至导致跳机事件。

5）针对MSR设置在高中压缸之间的汽轮机组设计特点，在机组启停和变工况运行过程中，要做好运行操作风险分析和应对措施，密切监视MSR系统运行参数的变化趋势，以及汽缸膨胀和高中压汽缸轴承振动变化趋势。机组并网后升负荷阶段要充分暖机，避免汽缸热胀冷缩过快；在机组降负荷阶段，要确保MSR系统设备运行稳定，避免再热蒸汽温度变化过快而影响汽轮机的安全运行。

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Effect of reheat steam temperature control on operation reliability of nuclear power units

BAO Xudong, YAN Tieguang

(CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., Haiyan 314300, China)

During the start-up and shutdown process of a 1 000 MW nuclear power unit, multiple equipment failures and unplanned downtime events related to the moisture separator reheater (MSR) system occurred. Analysis on the operating data and operating failures process shows that, the operation of MSR system has great influence on safe and stable operation of the turbine. The reheat steam temperature control mode of the MSR system needs to be optimized and the effect of over-limiting temperature variation of reheat tube plate on equipment reliability need to be evaluated. Because the drastic change of steam parameters is likely to cause deformation of the high/intermediate pressure cylinder body during the unit start/shutdown and low load operation, it is necessary to focus on the problem of cylinder deformation and rubbing caused by improper control of temperature control for MSR reheat steam.

MSR, reheat steam temperature, steam turbine, HIP casing, thermal expansion

TK284.1

B

10.19666/j.rlfd.201810203

鲍旭东, 颜铁光. 再热蒸汽温度控制对核电机组运行可靠性的影响[J]. 热力发电, 2019, 48(6): 102-107. BAO Xudong, YAN Tieguang. Effect of reheat steam temperature control on operation reliability of nuclear power units[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 102-107.

2018-10-25

鲍旭东(1966—)，男，高级工程师，主要研究方向核电设备可靠性管理，baoxd@cnnp.com.cn。

（责任编辑 刘永强）