歐洲壓水堆汽輪機高壓比例閥進油量大跳機風險改進研究

臺山核電合營有限公司機械部 譚炎勤 廣東粵電新會發電有限公司 吳麗琴

核電廠高壓調節閥比例閥的最大進油量為241L/min，大于調節油系統（GFR）主油泵GFR1210/1220PO的總流量（單臺額定流速為100L/min），當遇到汽輪機甩負荷、甩空載、短電網故障及閥門活動性試驗時，如果GRE油動機插裝閥及電磁閥[控制油卸荷閥（CVP）、安全油卸荷閥（CVS）、試驗電磁閥（EVS）]卡開，GRE高壓閥比例閥將會以241L/min的最大流量進油，大于2臺GFR主油泵的總流量，引起GFR母管失壓，當GFR1210/1220PO出口壓力低于90bar時GFR1210/1220PO跳泵，汽輪機保護系統（GSE）跳閘模塊出口壓力低于50bar時汽輪機跳閘，對汽輪發電機組安全運行造成嚴重的威脅。

汽輪機調節控制系統由GFR/GRE/GSE 3個系統組成，GFR系統供應必要的高壓油（120bar.g）以保證GSE系統安全模塊的正常運行，并向汽輪機高、中壓缸GRE調節閥和GSE截止閥的液力伺服裝置提供調節油，當GFR系統供油的高壓油壓力低于90bar.g時會引起GFR高壓油泵跳泵，當GSE安全模塊出口壓力低于50bar.g時汽輪機跳閘。

GSE主汽閥和GRE調節閥分別由各自的油動機操縱，每個油動機上都安裝有EVS、比例電磁閥（EVP）、CVP及CVS，在每個調節閥油動機前布置了蓄能器組件，為閥門快開時提供足夠的動力油，保證閥門在標準時間范圍內快開，響應機組瞬態工況要求，同時防止閥門因快開時需大量用油而系統供油不足拉低系統油壓。

GRE調節閥油動機開度由EVP控制，每個EVP獨 立 使 用1塊Vickers卡，Vickers卡 接 收GRE控制器產生的閥門開度指令信號與就地閥門開度反饋信號，若這2個信號為正偏差則比例閥正向動作，此時進油量增大、GRE調節閥開度增大；若該信號為負偏差則比例閥負向動作，此時進油量減少、GRE調節閥開度減小。在機組甩負荷、甩空載、短電網及GRE001試驗過程中，需要GRE閥門快速關閉，EVP向負向快速移動到底，CVP開啟，GRE油動機快速泄油，GRE閥門快速關閉。

1 GRE比例閥進油量過大風險模擬驗證及改進措施

選取1號高壓調閥進行試驗，GFR油溫41℃，保持GFR雙泵運行，控制卡處于閉環控制，閥位開度為10%，使電磁閥通電（模擬插裝閥CVP/CVS/EVS卡開），持續13s后GFR母管壓力降至88bar，GFR母管壓力降至90bar以下后雙雙跳泵[1]。

與預期一致，當EVSCVSCVP意外卡澀時，調節閥開度增大（即比例閥供油增加時），會導致GFR母管油壓被拉低引起跳機（油壓低于50bar跳機），具體可能出現異常工況及其可能卡澀閥分別為：GRE001試驗。EVSCVSCVP；短電網故障。CVP；甩空載。CVP；甩廠用電。CVP。

在蓄能器上游，每個GRE調節閥（高壓4個及中壓4個）供油支管上加裝節流孔板：限制每臺GRE閥門最大供油量（120bar壓差下不大于50L/min)，當某個GRE調門的EVSCVSCVP出現卡澀以最大120bar壓差供油時不會拉低GFR母管油壓；同時保證正常運行供油量（1bar壓差下大于5L），大于油動機正常泄漏量；調節閥快速開啟由蓄能器提供動力油。

1.1 孔板計算與選型

1.1.1 節流孔大小計算

節流孔板流量計算式為：Q=μ×πd2/4√2P/ρ，式中：Q為流體流經節流孔流量；μ為流量系數；d為節流孔大??；P為節流孔前后壓差；ρ為抗燃油密度，1.2kg/L。

正常運行工況下，節流孔流量需滿足油動機大于5L/min的泄漏量且前后壓強損失不大于1bar.g；GRE/GSE控制系統正常運行時總泄漏量為50L/min，為保證瞬態過程CVP卡開情況下不聯起GFR備用油泵，選取節流孔在120bar.g工作壓差下最大流量不能超過50L/min；考慮機組快速μ調節過程節流孔流量需滿足20L/min流量情況下，節流孔前后壓強損失不大于10bar.g。

分別計算節流孔孔徑為3.23.54.0mm，節流孔前后壓差為120/10/1bar.g，流量系數為0.6/0.7/0.8流量，結果如表1所示，由表中可以得出，3.2孔徑節流孔滿足正常運行工況下及瞬態工況下流量需求。

表1 不同流量系數與流量關系

1.1.2 節流孔厚度計算

1.1.3 節流孔安裝位置選擇

孔板安裝前后直管段要求為：現場安裝時保證節流孔上游直管長度≥10倍管徑，節流孔下游直管長度≥4倍管徑。為滿足此要求，經現場勘察，需在逆止閥（如圖1中1410VH）上游的管道（DN25，DN為公稱直徑）進行安裝，需焊接法蘭加裝節流孔板，節流孔板初始設計如圖1所示。

圖1 節流孔初始設計

為不增加系統漏點、節約工期，可將節流孔板安裝在逆止閥1410VH法蘭上，但不滿足節流孔安裝前后直管段要求，通過仿真模型得出，在逆止閥后法蘭安裝節流孔板會在孔板后緣形成負壓區，需根據實際情況避免氣蝕風險，但對逆止閥動力特性影響較小，可直接將節流孔板加工在逆止閥后法蘭上，如圖2中1416DI所示。

圖2 節流孔最終安裝位置

1.2 蓄能器能力核算

蓄能器內氣體壓縮與膨脹過程遵循氣體狀態多變規律：P.Vγ=constant，蓄能器介質為氮氣，絕熱系數γ=1.4；為避免皮囊不在每次膨脹過程中撞擊閥門，選取聯起備用泵的系統壓力101bar.a作為蓄能器最低工作壓力P1=101bar.a，在達到最低工作壓力時皮囊公稱容量為90%，即V1/V0=0.9，對應的預充壓力P0=P1.(V1/V0)γ=101.(0.9)1.4=87.14bar.a。

GRE高壓調節閥油動機容積為8L，高壓調節閥油動機需要4L油來達到50%開度（對應汽機功率90%），對于中壓調節閥4L油來達到100%開度為設計輸入進行核算。

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為蓄能器預充壓力；P1為蓄能器最低工作壓力，GFR備用泵聯起壓力101bar.a；P2為蓄能器最大工作壓力，GFR工作壓力為121bar.a。高壓調閥開至50%開度需要蓄能器為36.70L，現場實際使用的蓄能器為50L，實際上可使高壓油動機開至80%（汽機滿功率），中壓調閥開至100%。

因節流孔在蓄能器上游，當高壓調閥需要快速開啟時，蓄能器可為高中壓調閥提供足夠容積抗燃油使得高壓調閥快速開啟至80%開度（滿功率），而不受節流孔的影響。

2 再鑒定試驗驗證

2.1 試驗方案

為驗證增加節流孔后對汽輪機調節性能是否產生影響，設計4組試驗方案進行模擬仿真，具體試驗方案及驗收標準如表2所示。

表2 試驗方案

2.2 試驗結果

通過再鑒定試驗驗證，GRE高中壓調門進油逆止閥下游加3.5mm孔板不影響汽輪機調節功能。閥門單體快開試驗，試驗結果見表3。

表3 單體快開試驗結果

模擬短電網，GRE閥門在100%功率平臺時8個調閥快速關閉然后一起快開，快開時間結果見表4。

表4 短電網故障模擬試驗結果

將汽機GRE調閥置于100%功率平臺閥位，GFR泵一運行、一備用，通過給試驗電磁閥通電，模擬EVS/CVS/EVS卡澀時大量排油試驗，結果表明，孔徑為3.0mm孔板，GFR母管油壓無明顯下降，未聯啟備用泵；孔徑為3.2、3.5mm孔板，GFR母管油壓從116.9bar下降到114.8bar，備用泵未聯啟；孔徑為4.0mm孔板，GFR母管油壓下降至110bar以下，備用泵聯啟。

將汽GRE調閥置于100%功率平臺閥位，進行切GFR泵試驗，GRE、GSE閥位無明顯變化，GFR母管油壓無明顯變化；正常開啟試驗、階躍試驗、快關試驗，曲線無異常變化；試驗時現場檢查GFR供油逆止閥處無振動與異響。

3 結語

針對汽輪機高壓調節閥比例閥進油量過大缺陷，本文避開通過擴容GFR供油泵這一改造難度大、時間長、費用高、可行性差的方案，創新提出通過在蓄能器上游加裝節流孔板限制GRE閥門的最大供油量而且又不影響閥門快開響應的改造方案，創新在GFR供油逆止閥法蘭進行改動加裝3.5mm孔板，進行了大量的論證計算，包括孔板的流通計算、強度計算，蓄能器能力核算，逆止閥法蘭變孔板的模擬仿真計算等，并制定嚴密的驗證試驗方案，利用此方案以很小的投入在短時間內落地，成功地解決了這一缺陷，有效地避免了機組瞬態工況下（甩空載、甩負荷、短電網故障、閥門活動試驗）EVS/CVS/CVP出現卡澀時引起GFR母管失壓所造成的跳機風險。