【核电汽轮机超速影响因素分析】
原创：孙康娜
摘 要：安全性是核电汽轮机设计至关重要的关键问题，汽轮机超速水平是汽轮机安全性设计需要考核的重要指标之一。针对汽轮机阀门的延迟和关闭时间、逆止阀配置、轴系转动惯量以及湿蒸汽等因素对核电机组超速的影响进行了分析总结，探讨了如何从技术上降低核电机组的超速水平，进而提高核电机组的安全性和可靠性的问题，为第三代和更先进的核电机组以及火电机组的设计开发提供参考和借鉴。
关键词：核电汽轮机；超速；湿蒸汽
保障安全性一直是核电站建设和发展的前提，也是核电机组设计需要考虑的首要问题。近些年随着核电技术的发展，各国参照核电站典型事故经验反馈对正在运行的核电站进行了不同程度的技术改进。目前先进的反应堆包括第三代和第四代，对设备安全性和可靠性的要求相比于目前在运行的二代和二代+更为严格。汽轮机作为常规岛最关键的设备之一，机组的计算超速水平是汽轮机安全性设计需要考核的关键指标之一，如果能够从技术上进一步挖掘降低机组超速水平的措施，将大大提高机组的安全性[1]，而提高核电机组的关键技术指标,有利于提升我国核电机组在国内外市场的竞争力[2]。本文对各相关因素对于核电机组超速的影响进行了分析总结，探讨了如何从技术上降低核电机组的超速水平，提高机组的安全性，可为机组的现场超速数据分析提供理论参考。
1汽轮机超速保护系统及计算原理
核岛（锅炉）产生的高温高压蒸汽通过主汽阀与调节汽阀进入汽轮机，汽轮机叶片利用蒸汽膨胀能量做功。如果电网出现问题，转子的制动力矩立即丧失，原来用于发电的蒸汽能量将加速转子，从而引起转子超速。
1.1上海汽轮机厂（上汽厂）常规机组的超速保护系统
在汽轮机的控制系统中设有两套保护功能，以防止汽轮发电机组转速超过设计限值（120%额定工作转速）：
1）当汽轮机负荷在30%以上，电机跳闸时，超速保护控制系统（OPC）的电负荷预测器（LDA）动作，打开OPC总管的电磁阀泄油，从而快速关闭主蒸汽调门与再热蒸汽调门。
2）如果LDA失效，转速继续上升至110%~112%额定工作转速，危急遮断器动作，释放危急遮断油，快速关闭所有蒸汽阀门。
1.2上汽厂超超临界汽轮机的电超速保护系统
与常规机组的超速保护系统的原理相似，超超临界汽轮机超速保护系统也设有两套保护功能：
1）当汽轮机功率与负荷不平衡时，阀门接受到的指令将发生变化，阀门指令与反馈偏差大于25%时，“快速动作控制功能”将触发调节汽门的快关电磁阀失电，从而快速关闭主蒸汽调门与再热蒸汽调门。
2）如果转速继续上升至110%额定转速，所有油动机的快关电磁阀将失电，电子危急遮断系统启动，快速关闭所有蒸汽阀门，最终防止汽轮发电机机组转速超过120%额定转速。
目前，上汽厂核电机组采用该电超速保护系统，计算中初始工况有额定工况和VWO工况（103%~105%额定工况），结束工况有完全无负载和厂用电工况（5%~8%额定工况）。故甩负荷值主要有(103%~105%)-0、100%-0、(103%~105%)-(5%~8%)、100%-(5%~8%)几种，最恶劣的是VWO工况甩全负荷。
1.3 汽轮机超速计算原理
美国机械工程师学会（ASME）的超速计算方法中，机组所达最高转速的能量包括转子初始动能、腔室贮存的蒸汽能量、阀门延迟与关闭时进入的蒸汽能量，以及腔室水分散蒸的能量。计算公式为：
E6=E1+E2+E3+E4 （1）
式中： E1为阀门信号延迟时间td内进入的能量；E2为阀门净关闭时间ts内进入的能量；E3为各腔室内积聚蒸汽的膨胀做功；E4为转子惯性能量。转子最高转速计算公式为：
（2）
式中：N0为初始转速。
常规机组超速计算要求LDA最大超速值不超过额定转速的110%，危急遮断最大超速值不超过额定转速的120%。目前核电机组对超速水平的控制要求较严格，一般协议要求机组初始甩负荷最大超速值不超过额定转速的108%，危急遮断最大超速值不超过额定转速的118%。
2超速影响因素分析
2.1阀门延迟和关闭时间
汽轮机主汽阀调阀设置在高压缸进口前，与核电主蒸汽相连，起到调节进汽和保护的作用。再热主阀和调节阀设置在汽水分离再热器（MSR）和低压缸之间的连通管道上，起到控制或保护的作用。在机组甩负荷时，主汽阀切除来自核岛的蒸汽，再热阀切除来自MSR的蒸汽，预防机组超速。根据汽轮发电机机组超速计算能量原理，在机组超速时，阀门的延迟关闭会导致一部分高温高压蒸汽进入汽轮机高、低压缸，这部分蒸汽的能量会加速转子旋转，使转速上升。阀门延迟和关闭的时间直接决定阀门信号延迟时间td、进入汽轮机的能量E1、阀门净关闭时间ts和进入汽轮机的能量E2，对汽轮机超速性能影响很大。某核电项目各阀门实测关闭时间如表1所示。
所以，在不考虑机组成本增加因素并满足管道汽锤工况考核的前提下，选择延迟和关闭时间越短的主汽阀和再热阀对控制超速结果越有利，以上汽厂百万等级配华龙一号核电汽轮机机组为例，再热阀关闭时间由1s降低到0.5s，各工况的超速转速平均可降低超过1%。
2.2逆止阀配置及布置
针对汽轮机超速保护及防止进水，需要在通向给水加热器或其他用途的抽汽管道上布置逆止阀，在甩负荷或汽轮机跳闸后，用来防止蒸汽由加热器倒灌进入汽轮机。
在机组甩负荷发生超速时，如果汽轮机逆止阀失效，在压差的作用下蒸汽会倒灌进入汽轮机，这部分带有能量的蒸汽进入汽轮机做功，从而引起转速上升。一般业主在协议中会要求提供一路逆止阀失效时的超速数据。根据能量法计算，一般百万核电机组一路逆止阀失效使转速最大增加约0.2%。
对于控制超速要求较高的机组，特别是核电机组，推荐采用1+1的逆止阀配置，即每路抽汽管道将1个带执行机构的逆止阀和一个不带执行机构的逆止阀串联布置。上汽厂百万等级核电项目曾经采用此种配置，具体如表2所示，双重逆止阀保护可以有效减少逆止阀失效时的超速风险。对于计算超速结果较好的机组，在用户许可的情况下，也可以采用一路抽汽管道只布置一个带执行机构的逆止阀的配置。对于这种情况，建议补充计算一路逆止阀失效时的最危险工况的超速值，作为考核。
表2某百万核电项目逆止阀配置
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逆止阀 |
逆止阀配置 |
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高压 （至1号高加） |
1带执行机构+ 1不带执行机构 |
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高压 （至2号高加） |
1带执行机构+ 1不带执行机构 |
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高排 （至除氧器） |
1带执行机构+ 1不带执行机构 |
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低压 （至1号低加） |
1带执行机构+ 1不带执行机构 |
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低压 （至2号低加） |
1带执行机构+ 1不带执行机构 |
另外，逆止阀在抽汽管道上的布置位置对超速结果也有一定影响，对汽轮机组本身而言，逆止阀布置得离汽缸抽汽口越近，逆止阀前管道腔室容积越小，阀前倒灌进入汽轮机的蒸汽也越少，对控制超速越有利。但是逆止阀的具体设置位置要根据设计院的抽汽管道的实际布置情况而定。
2.3转子转动惯量
转子的转动惯量可理解为旋转转子的惯性。转子的转动惯量对超速结果影响很大，以百万核电机组为例，转动惯量每增大15%，超速值约降低1%，所以提高各转子的转动惯量对降低超速值非常有利。根据转动惯量的计算公式I=mr2，影响转子转动惯量主要有转子质量、跨距、叶片高度和通流分布等，但是通过增加转子质量的方式来增加转动惯量势必会大大增加采购和制造成本以及运行的风险，所以在机组初步方案设计和转子选型阶段可以通过优化转子的结构，进行多种方案的对比，从而在一定程度上提高转子的转动惯量，降低机组超速水平。
2.4湿蒸汽影响
核电机组比火电机组参数低，湿度大，超速计算时需要考虑腔室内水分闪蒸的能量。当汽轮机甩负荷时阀门关闭，腔室内压力下降，腔室内积聚的水分将会闪蒸，形成一定温度压力的蒸汽并做功，引起汽轮机转速上升。机组湿蒸汽水分闪蒸对超速的影响如表3所示。
表3考虑水分闪蒸前后超速百分比对比
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项目 |
不考虑水分闪蒸 |
考虑水分闪蒸 |
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甩负荷初始超速值 |
106.8% |
107.4% |
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危机遮断最大超速值 |
116.2% |
116.7% |
核电机组一般都设有一系列除湿结构，包括持环和隔板上的去湿沟以及疏水和除湿系统，这些结构可以有效减少汽轮机腔室内水分的聚集和残留。此外，湿蒸汽区通流包括叶片和汽缸金属表面也会形成一定厚度的水膜，这部分水膜同样具有闪蒸能量。上汽厂核电机组主要采用空心静叶，并采取末级隔板加热除湿的措施带走附着在叶片表面的水分，其简单原理如下：
1）空心静叶除湿：上汽厂百万等级核电机组采用末级空心静叶的设计，此种静叶采用板材冲压成型并组焊形成空心结构，在叶片合适区域加工出细槽，流道和叶片空心之间存在负压，附着在静叶表面的水分被吸入叶片空心部位并排出。空心静叶具有很好的除湿效果，叶片的形状与实心叶片完全一样，在满足通流效率的前提下可有效除湿。空心静叶结构如图1所示，此除湿结构在上汽厂1000MW等级核电汽轮机中得到了广泛使用[3]。
图1 百万核电低压空心静叶结构示意图
2）加热末级隔板除湿：上汽厂部分核电汽轮机采用了加热低压末级隔板除湿的方式，如200MW等级配高温气冷堆核电汽轮机。该末级隔板静叶采用特殊的“中空”结构，可等效为“间壁式换热器”，隔板内侧使用引自一抽或二抽位置的较高品质蒸汽，隔板外侧则为主流湿蒸汽，内侧通道蒸汽参数决定蒸发水量（换热量）的大小。
2.5其他超速影响因素
机组功率大小、管道和汽缸等腔室容积和各腔室蒸汽参数等对超速结果也都有一定程度的影响，但是对于核电机组，这些数据一般是与核岛堆型及汽轮机总体方案相关，一般在初始设计阶段就已经固化。
3结 论
本文通过对汽轮机阀门的关闭延迟时间、逆止阀配置、轴系转动惯量以及湿蒸汽等关键因素对核电机组超速的影响进行了分析对比，总结出多项用于降低汽轮机机组超速风险的措施，其中包括缩短主汽阀和再热阀的延迟和关闭时间、优化逆止阀配置、优化转子结构以提高轴系转动惯量、采用高效先进的除湿措施等。本文探讨了如何进一步降低核电机组的超速水平，有利于提高机组的安全性和可靠性，为新开发的核电机组及火电机组的超速考核和机组设计提供了参考和借鉴。
参考文献
[1] 陈蓉. 340MW核电汽轮机飞射物安全性分析[J].热力透平，2011，40(3):207-211.
[2] 何阿平. 中国核电汽轮机发展与展望[J].热力透平，2015，44(4):225-230.
[3] 吴晓明. 核电汽轮机末级空心静叶抽吸除湿研究[J]. 热力透平，2012，41(3):188-192.