王允航

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150090

1 “机跟堆”运行模式

压水堆核电站内部通常由一回路系统和二回路系统组成，大多采用堆-机功率调节模式，即反应堆热功率随汽轮发电机组功率变化而变化：

（1）汽轮机自动控制模式下的堆-机功率调节为闭环控制模式，操作员设置汽轮机目标负荷后，经主调阀进行蒸汽流量调节，使发电机输出功率和目标值一致。

（2）反应堆功率调节属于开环控制方式，即反应堆的功率根据二回路的工况、控制模式和方式，在几个二回路功率需求值中选一个作为跟踪功率，加上校正因子作为功率整定值，然后将其转换为棒位调整值，使核电站一、二回路热功率保持平衡。

某600MW等级核电对常规岛的控制要求不同于压水堆，采用“机跟堆”运行模式，汽轮发电机组的电负荷跟随堆功率的改变而变化，发出的电送入电网，不参与调频：

（1）反应堆功率调节系统维持反应堆核功率不变。

（2）堆功率在28%-100%（暂定）之间主蒸汽系统正常运行，汽轮发电机组并网发电。在正常运行期间反应堆和汽轮机采用自动调节，汽轮机功率自动跟踪反应堆功率。汽轮机旁路系统为核岛提供一个人为负荷，平衡反应堆与汽轮机之间的功率差[1]。

该核岛的主工艺决定着其基本运行方式为带基本负荷运行，采用机跟堆的运行模式，控制方式相对简单:功率调节系统是闭环控制，根据核测系统提供的中子通量密度值（换算成实际功率值）与操作员给定的功率设定值相比较，经过一定运算规则形成调节棒运行速率与方向信号，驱动调节棒的动作，以达到稳定反应堆功率在规定的水平上。一、二回路流量控制系统为操作员手动控制。

2 汽轮机冲转参数及启动过程

2.1 启动状态和冲转参数

汽轮机启动采用高压缸启动方式，启动时应尽可能做到蒸汽参数与金属温度相匹配，即蒸汽经过高压第一级温降后的汽温仍高于缸壁或转子表面温度，且冲转蒸汽过热度不低于50℃。

2.2 典型启动过程

冷态启动是各种启动中温度变化最大的恶劣启动工况，在冷态启动的冲转、升速、暖机阶段中，蒸汽参数低、流量小、放热系数小，要求并网前转子应热透，使转子排汽处金属温度保证超过材料的脆性转变温度（FATT），随后才能较快地升温升压及加负荷[2]。

（1）冲转及升速。汽轮机冷态启动（长期停机）的过热器出口蒸汽参数：主蒸汽压力7MPa（a），温度342℃，核岛堆功率约14%；对应的阀前冲转蒸汽参数：主蒸汽压力6.8MPa（a），温度340℃。①冲转前，汽轮机已投入电动盘车至少连续24h，完成抽真空，汽水分离系统（MSR）完成预热，高压调节阀阀壳已预暖1h，轴封供汽预暖约11h，所有汽轮机辅助设备已运行。②冲转后高压主汽阀全开，小量开启高压调节阀，按100（r/min）/min的升速率升至500r/min转速，全关高压调节阀，摩擦检查，在此期间，机组转速不允许低于200r/min。③按100（r/min）/min的升速率继续升速至1300r/min，在此转速下低速暖机150min。④按100（r/min）/min的升速率继续升速至2000r/min，直至高压排汽口下半内壁金属温度达80℃（暂定）。

⑤按100（r/min）/min的升速率继续升速至3000r/min额定转速，稳定30min后，核岛开始按照本身特性升功率，目标堆功率28%并保持功率不变。

汽轮机升速过程中，应注意机组迅速平稳地通过轴系各阶临界转速（过临界转速时，允许以300（r/min）/min的升速率快速通过临界转速±5%转速区间），通过临界转速时轴承振动应在整定值以内，否则打闸停机。

（2）升负荷及堆机匹配。

①核岛开始升功率，汽轮发电机组3000r/min额定转速继续稳定30min后，在汽轮发电机组作完试验和检查完成，通知运行人员允许机组并网。在并网后，由控制系统自动带上初负荷5%并保持。②核岛堆功率达到28%后保持，汽轮发电机组此时仍带5%初负荷，高压调节阀开度维持不变，通过旁路阀逐步关闭实现主蒸汽联箱压力由6.8MPa（a）升高至13.8MPa（a）。高压调节阀开度维持不变，主蒸汽联箱压力由6.8MPa（a）升高至13.8MPa（a），汽轮发电机组电负荷从5%升至约10%。③主蒸汽联箱压力升高至13.8MPa（a）后，旁路阀维持主蒸汽压力，汽轮机投入功率控制模式，汽轮发电机组电负荷升至约21%时，电负荷与核岛堆功率28%匹配，旁路阀关闭，汽轮机由功率控制切换至压力控制。

3 转子热应力及寿命浅析

汽轮机启停过程中，转子主要承受离心应力及由于温度分布不均引起的热应力，特别是冷态启动冲转时，温度变化最大，转子表面温度上升快，受压应力，转子中心温度滞后，受拉应力，转子内外温差随负荷上升而逐渐增大，直至准稳定工况达最大值；停机时则相反。转子启停的热应力及寿命分析是机组安全性和寿命管理的重要因素，本文篇幅有限，针对汽轮机冷态启动（长期停机）过程，采用ANSYS软件加载高压转子边界条件，浅析转子热应力及疲劳寿命。轴封预暖结束后的温度场，是应力求解的初始温度场，根据启动曲线中的转子转速曲线加载离心力，同时在模型各节点上加载瞬态温度场，进行有限元分析。

4 结语

（1）某600MW等级核电全转速汽轮机的启动分为5种:冷态启动（长期停机）、冷态启动（停机72h）、温态启动、热态启动、极热态启动。

（2）核岛“机跟堆”的运行模式决定汽轮发电机组的电负荷跟随堆功率的改变而变化。以汽轮机冷态启动（长期停机）为例，即汽轮机升速并网带5%负荷后开始升负荷，此时旁路阀维持主蒸汽压力，汽轮机投入功率控制模式；汽轮发电机组电负荷升至约21%时，电负荷与核岛堆功率28%匹配，旁路阀关闭，汽轮机由功率控制切换至压力控制。功率匹配后，汽轮发电机组电负荷随核岛功率提升，实现“机跟堆”运行。

（3）采用ANSYS软件进行汽轮机冷态启动（长期停机）高压转子热应力分析，计算结果表明，启动中整个转子应力水平较低，最大Mises应力在轮盘圆角（不包括平衡槽）处，约270MPa，计算寿命大于107次，完全满足启动的安全及寿命设计要求。