核电汽轮机超速影响因素分析

张海军

【摘 要】文章针对汽轮机超速问题和汽轮机超速保护系统进行介绍，并从阀门关闭延迟、逆止阀、转子转动惯量、湿蒸汽以及其他因素等方面来对影响核电汽轮机超速的因素进行分析，并且提出了相应的防止汽轮机超速的预防和控制策略，以供参考。

【关键词】核电汽轮机;超速;影响因素

中图分类号： TM623 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）01-0011-003

0 引言

目前在核电站建设规模不断扩大的形势下，核电机组建设的首要问题就是保障安全性，这也是对核电汽轮机进行设计时的关键问题。而对核电汽轮机的安全性设计中最主要的影响因素以及需要进行考核的重要指标就是汽轮机的超速水平。尤其针对目前我国在核电技术快速发展以及不同地区进行核电站的建设和运行过中出现的典型核电站事故来说，还需要在目前第三代和第四代先进的反应堆基础上，对核电站进行技术改造来满足对设备安全性和可靠性提出的更高要求。为了提高核电汽轮机组运行的安全性，就需要从技术手段上来实现机组超速水平的降低以及核电机组关键技术指标的提高，实现对我国核电机组国内外市场竞争力水平的提高。

1 汽轮机超速保护系统

核电站运行中在蒸发器中产生的蒸汽通过主汽阀和调节汽阀进入汽轮机之后，就会带动汽轮机的叶片进行转动实现热能向机械动能之间的转换。但是在此并网发电运行过程中，如果电网出现问题而导致转子的制动力矩小时，就会在用于发电的蒸汽能力的作用下而出现转子加速以至于出现转子超速的问题。

1.1 常规机组的超速保护系统

针对以上转子超速的问题，汽轮机的控制系统中通常进行两套保护功能的控制系统的设置，确保将转速的设计限制控制在额定工作转速的1.2倍。第一种保护系统就是当汽轮机的运行负荷超出30%时就会出现电机跳闸的现象，此时主要表现为超速保护控制系统的电负荷预测器动作，并且将OPC总管的电磁阀泄油打开实现主蒸汽调门以及再热蒸汽阀门的快速关闭。第二种保护系统就是在LDA失效而导致转速继续上升时，一旦上升到额定工作转速的110%～112%时就会引发危急遮断器动作而对危急遮断油释放，从而实现所有蒸汽阀门的快速关闭。

1.2 核电汽轮机的电超速保护系统

核电汽轮机的电超速保护系统与上述常规机组的超速保护系统原理类似，也具有两套保护系统，其中第一个保护系统功能就是如果出现汽轮机功率与负荷不平衡时，阀门收到的指令也会发生变化，并且变化之后与反馈的偏差就会超过25%，此时就会通过此系统中的快速动作控制功能来将调节汽门的快关电磁阀关闭而失电，实现主蒸汽阀门和再热蒸汽阀门的快速关闭。而第二中保护系统功能就是在转速继续上升至额定转速的1.1倍之后，就是导致有所有油动机的快关电磁阀失电而启动电子危急遮断系统，实现将所有蒸汽阀门的快速关闭来避免汽轮机发电机组的转速超过额定转速的1.2倍。

2 超速影响因素分析

2.1 阀门延迟和关闭时间

在核电汽轮机中，高压缸进口之前会进行主汽阀、调阀的设置并且与核电主蒸汽进行连接，实现对进汽进行调节以及保护的作用。此外，在汽水分离再热器和低压缸之间的连通管道上会设置有再热主阀和调节阀，如果机组运行中处于甩负荷的过程，其中的主汽阀就会对来自蒸发器的蒸汽进行切除，而且再热阀会对来自MSR的蒸汽进行切除来对机组超速的问题进行预防。但是在核电汽轮机运行中根据其超速计算能量的原理，机组超速时阀门的关闭会有一定的延迟，这就会导致其中一小部分的高温高压蒸汽会进入汽轮机的高、低压缸中，而进入的这部分蒸汽就会对转子旋转起到加速的作用而导致其转速上升。而对阀门关闭延迟有影响的因素主要就是阀门的信号延迟时间、进入汽轮机的能量、阀门净关闭时间以及进入汽轮机的能量等因素。因此在对核电汽轮机中的主汽阀和再热阀进行选择时，就需要在满足管道汽锤工况考核以及充分考虑其经济性的特点上，尽量选择具有较短延迟和关闭时间的阀门。

2.2 逆止阀配置

核电汽轮机一旦出现超速的问题容易导致出现进水的问题，这就需要将逆止阀设置在同相給水加热器或者其他用途的抽汽管道上，一旦出现甩负荷或者汽轮机跳闸的问题就会防止蒸汽从加热器中向汽轮机中进行倒流。如果此超速问题发生时出现逆止阀失效的问题，就会由于压差的作用而将蒸汽倒流入汽轮机中，因此也会在此高温高压蒸汽下导致转速上升。通常规定对于百万级别的核电汽轮机组来说，通常一路逆止阀出现失效问题就会导致其转速增加大概0.2%左右。因此，为了满足核电汽轮机组对于超速问题的严格控制要求，就需要采用1+1的逆止阀配置，就是在抽汽管道上将执行机构的逆止阀和不带执行机构的逆止阀进行串联来布置。如果只在一路抽汽管道中进行一个带执行机构的逆止阀的配置，就对超速结果的计算提出了较高的要求，而且还要进行一路逆止阀失效时最危险工况的超速值的计算来作为考核的标准之一。此外，逆止阀的布置位置也会对超速结果产生不同的影响，通常是逆止阀在离汽缸抽汽口的位置比较近时就会缩小逆止阀前管道腔室内的容积，因此会减少阀前倒灌如汽轮机中的蒸汽数量。但是在具体位置布置时还需要根据实际抽汽管道设计情况来进行具体的布置。

2.3 转子转动惯量

转子的转动惯量就是转子旋转时的惯性，通常其转动惯量增大15%就会降低超速值1%左右，而且影响转子转动惯量的主要因素就是转子的质量、跨距以及叶片高度和通流分布等因素，因此在进行转子转动惯量的增大来降低超速值时，如果增加转子的质量就会导致其制造成本的增加还会增加运行风险，这就需要在对机组进行设计和对转子型号进行选取时，通过多种不同方案的对比来对转子的结构进行优化，尽量在满足经济性以及应用性能的基础上，提高转子的转动惯量来降低机组的超速水平。

2.4 湿蒸汽影响

核电机组通常具有比火电机组更低的参数但是具有较大的湿度，在进行超速计算时需要对腔室内的水分闪蒸能量进行考虑。如果汽轮机处于甩负荷的阶段而阀门处于关闭的状态，此时腔室内的压力会下降会导致其中积聚的水分发生闪蒸，在一定的温度压力下就会导致汽轮机转速上升的问题。正因为此问题，在核电机组中通常会设置有持环和隔板上的去湿沟和疏水以及除湿系统等，但是叶片和汽缸金属表面等湿蒸汽区也会形成一定厚度的水膜并造成闪蒸能力等问题，就需要通过空心静叶的选用并采取末级隔板加热除湿等措施来将叶片表面的水分带走。

此外，对超速结果产生影响的其他因素还有机组功率的大小、管道和汽缸等腔室容积的大小以及各腔室的蒸汽参数等，针对核电机组来说，这些数据都与核岛堆型以及汽轮机的总体方案有关系，并且是由初始设计来决定的。

3 防止汽轮机超速的策略

针对汽轮机超速保护相关设备开发的针对性的预防性维修项目主要有各转速探头定期校验、转速卡件功能验证、伺服阀检修和伺服阀滤网更换、LVDT定期检修;在发生超速事故时需要AST母管油压能快速泄压，为此需要对隔膜阀定期检查，并对超速电磁阀（即AST及OPC电磁阀）及卸荷阀定期进行检修。

定期试验能够提前发现能动设备或保护逻辑故障，提早处理，对系统和电站可靠性非常重要。定期试验开发原则为，在设备可靠性分级后需要对不可见、失效的重要能动设备或逻辑开发定期试验项目。超速相关的试验主要包括MOST远方和就地充油试验、EOST停机试验、OPC试验、机械超速试验（真实超速）、调速汽阀及抽气止回阀全关试验等。

4 结语

在对目前核电汽轮机中的超速保护系统以及对核电汽轮机出现超速问题的影响因素进行分析之后，提出了相应的预防和控制策略，对主汽阀和再热阀的延迟和关闭时间进行缩短、对逆止阀配置进行优化，并对转子结构进行优化来对轴系转动惯量进行提高，还要对高效先进的除湿措施进行充分利用来进一步降低核电机组的超速水平，确保核电机组运行的安全性和可靠性。

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