EPR核电汽轮机调节阀比例阀进油量大跳机风险及改进.pdf

2023.04 设备监理70检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g yEPR 核电汽轮机调节阀比例阀进油量大跳机风险及改进陶井福（中广核台山核电合营有限公司 江门 529200）摘 要：某核电汽轮机调节阀比例阀进油量过大，在汽轮机瞬态或进行阀门活动性试验时会因单一故障导致抗燃油母管油压低而跳机。为消除该单一故障跳机风险，在每个汽轮机调节阀的供油支路上加装节流孔板，限制每个比例阀的最大供油流量，防止抗燃油母管因单一故障压力低。通过蓄能器容量核算，可以保证高压调节阀的快速开启功能。利用此方案，以很小的投入在短时间内完成改进，成功解决了汽轮机的跳机风险。关键词：汽轮机 调节阀 比例阀 抗燃油Risk and Improvement of Large Oil Input and Tripping of the Contrl Valve of EPR Nuclear TurbineTao Jingfu(China GuangDong Taishan Nuclear Power Joint Venture Co.,Ltd.Jiangmen 529200)Abstract The maximum oil inlet volume of the proportional valve of the nuclear power turbine control valve is greater,during the transient state of the steam turbine or during valve activity testing,it can cause the oil pressure of the fire-resistant fuel main pipe to be pulled low and causing a trip.In order to eliminate the risk,after in-depth research and analysis,a orifice plate was innovatively installed on the oil supply branch of each steam turbine regulating valve.It can limit the maximum oil supply flow of each proportional valve to prevent low pressure of the fuel resisting main pipe due to a single failure.Through the capacity calculation of the energy accumulator,the fast opening function of the high-pressure regulating valve should be ensured.By utilizing this solution,the improvement was completed in a short period of time with minimal investment,successfully solving the risk of turbine trip.Keywords Turbine Control valve Proportional valve Fire-resistant oil中图分类号：TB497 文献标志码：B文章编号：2095-2465(2023)08-0070-04 DOI:10.19919/j.issn.2095-2465.2023.08.017作者简介：陶井福（1977 )，男，本科，工程师，从事汽轮机发电机设备管理工作。通讯作者：陶井福，E-mail：。（收稿日期：2023-06-02）随着科学技术的不断发展，为了实现更好的经济性，机组容量越来越大，核电机组也是如此。某核电厂汽轮机组额定功率达 1 754 MW，为世界最大核电机组。如此大的机组一旦出现跳机，不但给电厂带来巨大的经济损失，也会给电网带来更大的冲击。所以汽轮机设计时既要保护重大设备的安全，也要尽可能避免单一故障造成地跳机1。1 存在的问题某 EPR 核 电 厂 汽 轮 机 调 节 阀 门 油 动 机 比 例阀 进 油 量 最 大 为 241 L/min，大 于 2 台 抗 燃 油 供油泵总流量（抗燃油系统供油泵单台额定流量为 100 L/min）。当执行阀门活动性试验过程中，如果汽轮机调节阀油动机快关插装阀（CVP）、试验插装阀（CVS）及试验电磁阀（EVS）卡涩在开位（这些阀卡涩没有指示，不易被发现），在汽轮机调节阀门快速开启过程中，汽轮机调节阀比例阀将会以最大流量 241 L/min 进油（进油通过卡在开位的 CVP/CVS/EVS 直接进入排油管，油动机实际无法开启），由PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0471检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y于大于 2 台抗燃油供油泵流量（1002 L/min），将会引起抗燃油母管失压，当抗燃油泵出口压力低于 90 bar（9 MPa）时跳泵，随即跳闸模块出口压力低于50 bar（5 MPa）时，汽轮机跳闸。故存在单一故障跳机风险，这对于 1 754 MW 核电机组是不可接受的2-3。根据分析，EPR 核电汽轮机高压比例阀进油量大是高压调节阀的快速开启（快开时间 2 s）的需求，比其他核电汽轮机调门开启时间（快开时间 5 s）要求更高。经过与法国阿尔斯通公司工程师讨论，为更好响应电网，设计汽轮机调节阀门快速开启时间2 s，为达到这一要求，提高了比例阀的最大进油量，扩大了比例阀前的孔板孔径并对其他孔板进行了相应的修改，但抗燃油系统未进行适应性改进4。2 改进方案为解决此问题，笔者设想了如下 3 个方案：1）增加抗燃油供油泵的容量，使 2 台泵供油容量大于汽轮机调节阀门系统正常泄漏量（各孔板回油和油动机固定漏油量）约 50 L/min 加上比例阀最大进油量（241 L/min），根据恒压变量柱塞泵厂家产品系列，需选用 175 L/min2 柱塞泵。由于抗燃油系统是集成设计，涉及的变更不但需要重新选择供油泵，还要重新设计更大通流的滤网、泵的入口出口管道、母管、基础等设施，几乎需要重新设计抗燃油供油系统和 GSE 跳闸模块，存在设计周期长、供货周期长、费用高、可行性差的问题。2）增加 GRE 阀门的快开时间至 5 s，这样可以降低 GRE 比例阀的最大进油量，可降至 96.5 L/min，小于抗燃油油泵供油能力，避免拉低抗燃油母管压力。在中国电网并未要求汽轮机具备这样的快速响应能力，GRE 阀门可以具有与其他核电机组一样的快开时间。这一方案的缺点是需要降低汽轮机的调节性能，还需要重新设计油动机控制系统的其他孔板，而且需要重新做调试试验，这些试验不但需要停机窗口，还需要机组上行时的不同功率平台，试验复杂，工期长，影响机组发电5。3）在每个汽轮机调门供油支路上加装节流孔板，限制每个汽轮机调门的最大供油量为 50 L/min，这样可以避免单一调门的 CVP/EVS 卡开故障引起跳机。孔板需要加装在每个支路的蓄能器上游，这样可以保证调节阀快速开启时间不变，当调节阀快速开启时由蓄能器提供供油。这一方案因为不改变比例阀前的供油流量、压力参数，不需要重新设计汽轮机调门控制油路上的其他节流孔板，变更量小，方便实施，不需要汽轮机在线试验。缺点是没有成熟的设计参考，需要进行详细谨慎的设计核算和试验验证。根据以上方案的优缺点，为快速消除这一跳机风险，选择方案 3）。2.1 节流孔板设计设计要求：当一个汽轮机调门发生进、回油异常导通时，抗燃油供油母管不能失压，且 1 台抗燃油供油泵能满足流量要求（不会联启另一台供油泵），根据设计文件计算结果，汽轮机单一调门油动机进油量不能超过 50 L/min；正常运行时，在满足执行机构正常内泄量条件下（5 L/min），尽量维持小压降。孔板示意如图 1 所示。图 1 孔板示意图121qdc2dd1d1-管道通径；d-孔板孔径；q-流量；dc-液体最小缩径；1-孔板前；2-孔板后薄壁孔板的流量计算见式(1)：(1)Q=CcCvAT(2P/)1/2=CqAT(2P/)1/2 式中：Q流量，L/min；P孔板前后压差，MPa；Cc流体收缩系数；Cv流速系数；AT小孔面积，mm2；流体密度，kg/L；Cq流量系数，Cq=CcCv。流体为抗燃油，其密度为 1.13 kg/L。参考抗燃油系统安全油支路孔板数据（孔径为 3.5 mm）经验，初2023.04 设备监理72检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y选拟加装孔板孔径 d 为 3.5 mm。每个汽轮机调节阀供油支管道内径 d1为 26.5 mm。则：d1/d=7.57。收缩系数 Cc、流速系数 Cv和流量系数 Cq的值的确定：根据经验，当 d1/d 7 时，流速的收缩不受孔前管道内壁的影响，可视为完全收缩。在液流完全收缩的情况下，当 Re 105 时，收缩系数 Cc为0.61 0.63，流速系数 Cv为 0.97 0.98，这时流量系数 Cq为 0.6 0.62；当 Re 105 时，Cq可以认为是不变的常数，计算时取平均值 Cq 0.61。另外，根据设计经验值，当(d/d1)2=0.017 远小于0.1 时，取 Cq=0.602。计算结果见表 1。工况流量系数 Cq流量 Q/(L/min)密度/(kg/L)压差 P/MPa孔口直径d/mm最大流量时0.60250.61.1312.03.5正常工况流量时0.6026.51.130.23.5表 1 节流孔板计算结果由计算结果可知，孔板孔的直径为 3.5 mm，维持正常运行的泄漏量时（6.5 L/min 略大于 5 L/min），孔板前后压降大约为 0.2 MPa，极限情况下进回油导通时（压降为 12.0 MPa），通过孔板的过流量约为 50 L/min。以上计算结果符合预期，3.5 mm 孔板符合设计要求。参考抗燃油系统安全油支路孔板厚度（6 mm），拟加装 6 mm 厚度的孔板。2.2 节流孔板加装在逆止阀出口法兰的流场影响分析由于汽轮机调节阀油动机对供油要求高，要避免内部流场出现旋涡而引起汽轮机阀位不稳定，需要在逆止阀法兰上加装节流孔并对流场进行分析。通过仿真模拟分析节流孔板加装在逆止阀出口法兰上的流场，分析对设备管道的影响以及对逆止阀开启和流通的影响。并对孔板的强度进行校验。根据现场情况，选择孔板安装在逆止阀出口法兰上，流场仿真结果如图 2所示。图 2 逆止阀出口法兰加装孔板流场仿真?(m?s)从仿真试验结果看，加装在逆止阀法兰上对管道和逆止阀无影响。2.3 蓄能器核算汽轮机在正常运行状态下，汽轮机调节阀执行机构使用的流量完全由运行的抗燃油高压油泵提供，当汽轮机瞬态工况需要调节阀快速开启时，抗燃油供油泵的供油流量无法满足要求的流量时，由安装在每个汽轮机调节阀附近的蓄能器提供，蓄能器在拟安装孔板的下游，且拟安装的孔板的上游安有逆止阀，防止耦合现象发生，以便尽快满足汽轮机调节阀的快速 开启。现场在装的蓄能器型号为 1XSBL/SAF32，其主要参数见表 2。符号物理量描述与单位数值说明V0蓄能器容积/L50P0蓄能器皮囊预充压力/MPa9.1根据蓄能器手册在 40 温度下的充氮压力Vx 蓄能器液压油释放时所需剩余油量/V00.1 剩余油量是为保护皮囊不受损坏P1蓄能器最低工作压力/MPa计算得知V1蓄能器最低工作压力时对应的气体容积/L45V0-Vx=0.9V0P2蓄能器正常工作压力/MPa12.1抗燃油供油系统压力V2蓄能器正常压力对应的气体容积/L计算得知n气体绝热指数1.4蓄能器充气为氮气V蓄能器有效容积计算得知V1-V2表 2 蓄能器核算相关参数根据Boyle-Mariotte公式，蓄能器预充气体、充油、排油可按式(2)计算：(2)P0V0n=P1V1n=P2V2 n根据表 2 中的已知参数，计算得：V=4.2 L，V2=40.8 L，P1=10.55 MPa。蓄能器有效容积 V=4.2 L，根据汽轮机调节阀油动机尺寸计算，4.2 L 的充油量可以将汽轮机高压调门开到 50%，此时对应汽轮机功率为 90%额定负荷，90%100%功率则通过正常速率升负荷，这对于机组来说是可以接受的，且有利于防止蒸汽发生器的压力下降过快；4.2 L 对于汽轮机中压调节阀来说，可以使中压调节阀开至 100%开度，也符合设计要求。蓄能器排油后供油压力 P1=10.55 MPa，大于设计文件要求的 10.1 MPa，符合设计要求。蓄能器手册要求的 P0是 40 温度下预充氮压力，但是维修时厂房温度一般在 20（P0），根据式(3)进行换算：PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0473检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y(3)P0=P0T0/T0=91h293/313 bar=85.1 bar=8.51 MPa即蓄能器投运前在环境温度为 20 时，蓄能器预充氮气压力为 8.058 MPa。3 方案实施与验证根据以上分析设计，最终选择 3.5 mm 的孔板安装在汽轮机调节阀供油支路上（蓄能器上游，支路逆止阀下游）。为验证分析设计效果，进行了模拟 CVP/CVS/EVS 卡涩试验，用于验证是否有效防止抗燃油母管失压跳机风险。进行单个调节阀快开试验，并进行短电网瞬态模拟试验（响应电网瞬态汽轮机功率波动，调节阀同时快速关闭，然后快速开启），用来验证汽轮机调节阀的快开功能和快速调节特性不受影响。试验主要验证汽轮机高压调节阀，因为根据核算，对于中压调节阀来说增加孔板后没有影响。3.1 模拟 CVP/CVS/EVS 卡涩试验模拟 CVP/CVS/EVS 卡涩试验方法：将汽轮机调节阀置于 100%功率平台阀位（即高压调门开度80%，中压调门开度 100%），抗燃油泵一个运行，另一个备用，分别给 4 个高压调节阀的 EVS 通电开启，模拟 EVS/CVS/EVS 卡涩时大量排油试验，发现与设计预想结果一致，抗燃油母管油压向下波动 0.33 MPa，最小油压为 11.35 MPa，大于联启备用油泵油压（10.0 MPa）。3.2 单个阀门快开试验单个阀门快开试验方法：逐个给高压调节阀强制快速从 0 开至 100%。分析试验数据可知，增加节流孔板后，对高压调节阀来说，快开时间增长约 0.1 s，但仍在标准范围内。试验数据见表 3。功能位置加节流孔前加节流孔后标准结论1#高压调节阀1.751.841.7 2.3延 0.092#高压调节阀1.751.861.7 2.3延 0.113#高压调节阀1.731.821.7 2.3延 0.094#高压调节阀1.731.851.7 2.3延 0.12表 3 增加节流孔板前后快开时间s3.3 模拟短电网故障，4 个调节阀快关后快开 试验模拟短电网故障，4 个调节阀快关后快开启方法：模拟汽轮机在 100%功率平台（高压调门 GRE 阀门在80%开度，中压调节阀在100%开度），模拟短电网瞬态，强制超加速信号，使 4 个调节阀快速关闭然后一起快开。增加孔板的影响与单体快开数据一致，对于高压调门来说，约增加 0.1 s，从数据看，选择 3.5 mm 的孔板是合理的。试验数据见表 4。功能位置加孔板前加孔板后标准结论GRE2110VV2.272.465加孔板后变慢 0.19GRE2120VV2.302.435加孔板后变慢 0.13GRE2130VV2.892.955加孔板后变慢 0.06GRE2140VV2.292.395加孔板后变慢 0.10表 4 模拟短电网试验汽轮机调节阀开启时间s根据以上试验数据，增加 3.5 mm 孔板的改进方案达到理想效果。自改进以来，汽轮机运行 2 年多，无异常。4 结束语通过在逆止阀出口法兰上加装节流孔板解决单一故障跳机风险问题，经过大量计算、仿真模拟，以及严密的试验验证，经鉴定，改造一次性成功，并经历2 年多的运行考验。这一方案改造费用小，可行性高，在汽轮机控制优化方案中首次应用，此方案己推广应用于法国 FA3 核电汽轮机。参考文献1 赵 俊 杰,田景 奇,侯奇,等.上海汽 轮 机 厂 1 000 MW 汽轮机启动时的各项准则分析 J.热力透平,2014,43(03):167-171.2 戴义平,俞茂铮,韩增才.一次调节抽汽式汽轮机调节系统的稳定性分析 J.汽轮机技术,1996(01):5-10.3 姜杰夫.300 MW 机组汽轮机调节系统建模研究 J.湖南电力,2014,34(06):22-25.4 刘 海 风.汽 轮 机 调 节系 统 的 发 展 J.硅谷,2015,8(01):190+202.5 强春胜.汽轮机调节系统故障排除分析 J.黑龙江科技信息,2011(20):66.欢迎投稿欢迎订阅欢迎投放广告