核电汽轮机中压蝶阀卡涩的超速分析

　　文章利用能量转换定律，建立简化模型，定性分析了核电汽轮机中压蝶阀一旦出现卡涩时，各种因素叠加所导致的转子超速问题，并通过实例计算出百万等级核电机组中压蝶阀一旦出现不能关闭的情况下所能预见的最大超速值。也从侧面计算出半转速百万级核电汽轮机在无中压蝶阀下的超速情况。

　　核电汽轮机组的最大特点是正常运行于湿蒸汽区，由于进汽参数比较低，相应有效热焓降较小，导致进汽质量流量比较大。比较成熟的百万千万级核电汽轮机组和百万千万级火电机组后，可以看出其进汽流量几乎相当于相同火电机组的一倍。这也是核电汽轮机组的尺寸(包括进出主管道)比相同功率火电机组大得多的原因。湿蒸汽汽轮机一旦甩去全负荷(或甩负荷到厂用电及调试中的甩50%负荷)后，由于高压主汽阀的迅速关闭，使贮存在汽轮机腔室内的凝结水随附加的蒸汽在汽轮机内共同做功，所以湿蒸汽汽轮机在甩负荷后一般比相同容量的火电机组所产生的对转子扭矩要大得多。蒸汽在核电汽轮机组高压缸做功后，在蒸汽排入中、低压缸前，对高压缸排汽需要进行除湿及再热，即高、中压缸之间或高、低压缸之间设置汽水分离再热器(MSR)来实现这个功能，同时在MSR进入中压缸之前的管道上设置中压蝶阀以进行快关和调节操作，以避免汽轮机超速过高以及避免引起MSR超压。国外核电汽轮机项目中不装中压蝶阀的超速情况(计算值)见表1。

表1国外核电站不装中压蝶阀的超速情况(计算值)

　　国外核电站加装中压蝶阀后的超速情况(计算值)见表2。

表2国外核电站加装中压蝶阀的超速比较(计算值)

　　如上所述，中压蝶阀在核电机组中的作用举足轻重，一旦运行中的中压蝶阀出现卡涩不能关闭故障，在机组甩负荷中势必引起汽轮机组的超速。因而对中压蝶阀卡涩时机组的分析就很有必要。超速的程度本文将通过对某百万千万级核电汽轮机机型的定量计算来进行说明。

1、超速分析模型建立

　　本文中要讨论的百万千万级核电汽轮机组是由一个高中压合缸、两个双分流低压缸依次串联组成的单轴系机组，汽轮机左右两侧分别设置一个MSR，高排蒸汽进入每个MSR前均设置两组中压蝶阀，即单台机组配置4组中压蝶阀。在分析中压蝶阀卡涩故障导致超速风险分析前，需要先了解几个前提。

　　1.1、核电汽轮机的工作原理

　　核电汽轮机为常规岛部分最核心的转动机械，微观一点来看汽轮机是由若干个“级”组成的，结构上它是由静叶栅(喷嘴栅)和对应的动叶栅组成，通过多个级将工质(蒸汽)的能量转变为汽轮机机械能的一个能量转换过程。宏观上来看机组的做功过程如图1所示。

图1机组做功过程图

3、超速的风险评估及结论

　　通过第2节的计算分析，获得了机组在中压蝶阀全部卡涩不能关闭，且所有抽汽止回阀不能关闭时甩全负荷的超速程度A为16.915%，即转速最大将达到1754r/min；同时考虑到中压蝶阀卡涩而抽汽止回阀不卡涩时甩全负荷超速程度B为13.936%，即转速最大将达到1709r/min。为了评估超速对于机组的风险隐患，先来了解一下机组在转子的寿命期内一些承受极限情况：

　　(1)汽轮发电机组单根转子出厂时均进行超速试验验证动平衡，转速达额定转速的120%，即1800r/min；

　　(2)汽轮发电机组转子二阶临界转速均大于1800r/min；

　　(3)汽轮机组设计时轴承失稳转速均大于2000r/min；

　　(4)该机组转速超10%时汽轮机组逻辑自动跳闸，但逻辑命令可手动更改。

　　针对极端情况，超速A达到1754r/min，在转子的承受范围之内，差不多达到了极限情况(2)的下限，因而这样的超速不能超过2次，总体来说汽轮机转子及轴承和其它结构设计在短时间内是可以承受这样的风险的，一旦转速超10%可提前更改逻辑指令，防止机组提前跳机。但是因为是核电机组，在运行时超速达到10%对核反应堆负荷可能有一定影响，故应尽量避免。因而在中压蝶阀卡涩故障没有消除之前，在暂时不考虑停机的情况下，一定要降低负荷运行，参考计算值，在实际中安全运行负荷应该在70%额定负荷以下运行(用第2节同样的原理可算得70%负荷下抽汽止回阀正常运行时的超速程度C约9.5%)，这样即便在这样的运行工况下需要甩全负荷，超速也不至于过大，对汽轮机安全不会产生影响。

　　通过以上的分析计算，也可得出此半转速百万级核电机型在未加装中压蝶阀时的最大超速约为16.915%，比相同等级(表1，表2中)的机型要小。