欧洲压水堆汽轮机高压比例阀进油量大跳机风险改进研究

台山核电合营有限公司机械部 谭炎勤 广东粤电新会发电有限公司 吴丽琴

核电厂高压调节阀比例阀的最大进油量为241L/min，大于调节油系统（GFR）主油泵GFR1210/1220PO的总流量（单台额定流速为100L/min），当遇到汽轮机甩负荷、甩空载、短电网故障及阀门活动性试验时，如果GRE油动机插装阀及电磁阀[控制油卸荷阀（CVP）、安全油卸荷阀（CVS）、试验电磁阀（EVS）]卡开，GRE高压阀比例阀将会以241L/min的最大流量进油，大于2台GFR主油泵的总流量，引起GFR母管失压，当GFR1210/1220PO出口压力低于90bar时GFR1210/1220PO跳泵，汽轮机保护系统（GSE）跳闸模块出口压力低于50bar时汽轮机跳闸，对汽轮发电机组安全运行造成严重的威胁。

汽轮机调节控制系统由GFR/GRE/GSE 3个系统组成，GFR系统供应必要的高压油（120bar.g）以保证GSE系统安全模块的正常运行，并向汽轮机高、中压缸GRE调节阀和GSE截止阀的液力伺服装置提供调节油，当GFR系统供油的高压油压力低于90bar.g时会引起GFR高压油泵跳泵，当GSE安全模块出口压力低于50bar.g时汽轮机跳闸。

GSE主汽阀和GRE调节阀分别由各自的油动机操纵，每个油动机上都安装有EVS、比例电磁阀（EVP）、CVP及CVS，在每个调节阀油动机前布置了蓄能器组件，为阀门快开时提供足够的动力油，保证阀门在标准时间范围内快开，响应机组瞬态工况要求，同时防止阀门因快开时需大量用油而系统供油不足拉低系统油压。

GRE调节阀油动机开度由EVP控制，每个EVP独 立 使 用1块Vickers卡，Vickers卡 接 收GRE控制器产生的阀门开度指令信号与就地阀门开度反馈信号，若这2个信号为正偏差则比例阀正向动作，此时进油量增大、GRE调节阀开度增大；若该信号为负偏差则比例阀负向动作，此时进油量减少、GRE调节阀开度减小。在机组甩负荷、甩空载、短电网及GRE001试验过程中，需要GRE阀门快速关闭，EVP向负向快速移动到底，CVP开启，GRE油动机快速泄油，GRE阀门快速关闭。

1 GRE比例阀进油量过大风险模拟验证及改进措施

选取1号高压调阀进行试验，GFR油温41℃，保持GFR双泵运行，控制卡处于闭环控制，阀位开度为10%，使电磁阀通电（模拟插装阀CVP/CVS/EVS卡开），持续13s后GFR母管压力降至88bar，GFR母管压力降至90bar以下后双双跳泵[1]。

与预期一致，当EVSCVSCVP意外卡涩时，调节阀开度增大（即比例阀供油增加时），会导致GFR母管油压被拉低引起跳机（油压低于50bar跳机），具体可能出现异常工况及其可能卡涩阀分别为：GRE001试验。EVSCVSCVP；短电网故障。CVP；甩空载。CVP；甩厂用电。CVP。

在蓄能器上游，每个GRE调节阀（高压4个及中压4个）供油支管上加装节流孔板：限制每台GRE阀门最大供油量（120bar压差下不大于50L/min)，当某个GRE调门的EVSCVSCVP出现卡涩以最大120bar压差供油时不会拉低GFR母管油压；同时保证正常运行供油量（1bar压差下大于5L），大于油动机正常泄漏量；调节阀快速开启由蓄能器提供动力油。

1.1 孔板计算与选型

1.1.1 节流孔大小计算

节流孔板流量计算式为：Q=μ×πd2/4√2P/ρ，式中：Q为流体流经节流孔流量；μ为流量系数；d为节流孔大小；P为节流孔前后压差；ρ为抗燃油密度，1.2kg/L。

正常运行工况下，节流孔流量需满足油动机大于5L/min的泄漏量且前后压强损失不大于1bar.g；GRE/GSE控制系统正常运行时总泄漏量为50L/min，为保证瞬态过程CVP卡开情况下不联起GFR备用油泵，选取节流孔在120bar.g工作压差下最大流量不能超过50L/min；考虑机组快速μ调节过程节流孔流量需满足20L/min流量情况下，节流孔前后压强损失不大于10bar.g。

分别计算节流孔孔径为3.23.54.0mm，节流孔前后压差为120/10/1bar.g，流量系数为0.6/0.7/0.8流量，结果如表1所示，由表中可以得出，3.2孔径节流孔满足正常运行工况下及瞬态工况下流量需求。

表1 不同流量系数与流量关系

1.1.2 节流孔厚度计算

1.1.3 节流孔安装位置选择

孔板安装前后直管段要求为：现场安装时保证节流孔上游直管长度≥10倍管径，节流孔下游直管长度≥4倍管径。为满足此要求，经现场勘察，需在逆止阀（如图1中1410VH）上游的管道（DN25，DN为公称直径）进行安装，需焊接法兰加装节流孔板，节流孔板初始设计如图1所示。

图1 节流孔初始设计

为不增加系统漏点、节约工期，可将节流孔板安装在逆止阀1410VH法兰上，但不满足节流孔安装前后直管段要求，通过仿真模型得出，在逆止阀后法兰安装节流孔板会在孔板后缘形成负压区，需根据实际情况避免气蚀风险，但对逆止阀动力特性影响较小，可直接将节流孔板加工在逆止阀后法兰上，如图2中1416DI所示。

图2 节流孔最终安装位置

1.2 蓄能器能力核算

蓄能器内气体压缩与膨胀过程遵循气体状态多变规律：P.Vγ=constant，蓄能器介质为氮气，绝热系数γ=1.4；为避免皮囊不在每次膨胀过程中撞击阀门，选取联起备用泵的系统压力101bar.a作为蓄能器最低工作压力P1=101bar.a，在达到最低工作压力时皮囊公称容量为90%，即V1/V0=0.9，对应的预充压力P0=P1.(V1/V0)γ=101.(0.9)1.4=87.14bar.a。

GRE高压调节阀油动机容积为8L，高压调节阀油动机需要4L油来达到50%开度（对应汽机功率90%），对于中压调节阀4L油来达到100%开度为设计输入进行核算。

V0=ΔV/((P0/P1)1/γ-(P0/P2)1/γ)=ΔV/(0.9.(1-(P1/P2)1/γ))=4/(0.9.(1-(101/121)1/1.4))=36.70L，式 中：P0为蓄能器预充压力；P1为蓄能器最低工作压力，GFR备用泵联起压力101bar.a；P2为蓄能器最大工作压力，GFR工作压力为121bar.a。高压调阀开至50%开度需要蓄能器为36.70L，现场实际使用的蓄能器为50L，实际上可使高压油动机开至80%（汽机满功率），中压调阀开至100%。

因节流孔在蓄能器上游，当高压调阀需要快速开启时，蓄能器可为高中压调阀提供足够容积抗燃油使得高压调阀快速开启至80%开度（满功率），而不受节流孔的影响。

2 再鉴定试验验证

2.1 试验方案

为验证增加节流孔后对汽轮机调节性能是否产生影响，设计4组试验方案进行模拟仿真，具体试验方案及验收标准如表2所示。

表2 试验方案

2.2 试验结果

通过再鉴定试验验证，GRE高中压调门进油逆止阀下游加3.5mm孔板不影响汽轮机调节功能。阀门单体快开试验，试验结果见表3。

表3 单体快开试验结果

模拟短电网，GRE阀门在100%功率平台时8个调阀快速关闭然后一起快开，快开时间结果见表4。

表4 短电网故障模拟试验结果

将汽机GRE调阀置于100%功率平台阀位，GFR泵一运行、一备用，通过给试验电磁阀通电，模拟EVS/CVS/EVS卡涩时大量排油试验，结果表明，孔径为3.0mm孔板，GFR母管油压无明显下降，未联启备用泵；孔径为3.2、3.5mm孔板，GFR母管油压从116.9bar下降到114.8bar，备用泵未联启；孔径为4.0mm孔板，GFR母管油压下降至110bar以下，备用泵联启。

将汽GRE调阀置于100%功率平台阀位，进行切GFR泵试验，GRE、GSE阀位无明显变化，GFR母管油压无明显变化；正常开启试验、阶跃试验、快关试验，曲线无异常变化；试验时现场检查GFR供油逆止阀处无振动与异响。

3 结语

针对汽轮机高压调节阀比例阀进油量过大缺陷，本文避开通过扩容GFR供油泵这一改造难度大、时间长、费用高、可行性差的方案，创新提出通过在蓄能器上游加装节流孔板限制GRE阀门的最大供油量而且又不影响阀门快开响应的改造方案，创新在GFR供油逆止阀法兰进行改动加装3.5mm孔板，进行了大量的论证计算，包括孔板的流通计算、强度计算，蓄能器能力核算，逆止阀法兰变孔板的模拟仿真计算等，并制定严密的验证试验方案，利用此方案以很小的投入在短时间内落地，成功地解决了这一缺陷，有效地避免了机组瞬态工况下（甩空载、甩负荷、短电网故障、阀门活动试验）EVS/CVS/CVP出现卡涩时引起GFR母管失压所造成的跳机风险。