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摘 要 近年来，在社会经济快速增长的背景下，国家相关部门越来越重视核电发展战略。其中，核电汽轮机的自动控制技术便受到广泛关注。笔者在分析核电汽轮机运行特性及汽轮机应力计算现状的基础上，进一步对转子应力控制的实现进行了探究，希望以此为核电厂汽轮机热应力控制技术的完善提供具有价值性的参考依据。
关键词 核电厂;汽轮机;热应力控制技术
中图分类号：TK263 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-0049-02
核电汽轮机组的特点极具明显性，包括转子大、蒸汽流量大以及蒸汽湿度高等[1]。这些特点使转子所承受的机械应力大，同时也使由腐蚀导致的热疲劳应力大。基于升、降功率及事故工况下，通常使用机跟堆模式，转子则承受着较大的热负荷与负荷变化。由此可见，转子应力的控制及监测在核电汽轮机当中是非常关键的一项技术，它在很大程度上决定了汽轮机组的可靠性。鉴于此，本课题对“核电厂汽轮机热应力控制技术”进行探讨与研究具有尤为深远的重要意义。
1 核电汽轮机运行特性分析
基于核电汽轮机当中的主蒸汽自带0.25%～0.5%湿度的饱和蒸汽[2]。一般情况下，通流部分各级大多数位于湿蒸汽区。核电汽轮机和常规火电机组比较，核电汽轮机有汽水分离再热系统增加。由此可见，对于核电汽轮机，其启动、停止及运行特性不但和本身结构、系统设计及相关布置有关，而且还与汽水分离再热器的结构存在联系。
对于核电汽轮机的启动与停机，通常使用额定参数启动，调门则起到控制汽轮机加负荷与升速的目的。因所采用的是低参数饱和蒸汽，因此汽轮机在启动暖机时间方面，要比火电机组汽轮机的启动时间低，大概可降低1/3。另外，由于核电汽轮机的温度较低，且汽轮机本体各部件的热膨胀值较小，所以汽轮机在启动及运行过程中，所受到的热膨胀差均要小于火电机组受到的热膨胀差。
2 汽轮机控制系统相关内容分析
对于汽轮机控制系统，包括诸多方面的内容，主要体现在监视系统与调节系统当中。其中，对于监视系统，主要是通过数据采集系统对汽轮机运行过程中的参数进行监视采集，一般归分为热工量与机械量。对于调节系统，则包括多方面的控制，具体表现如下。
1）转速控制。转速控制能够使得大范围内的转速自动调节得到有效实现，进一步让汽轮机转速从盘车转速慢慢向并网前的转速上升，如图1，便是转速的升速率控制原理图示。
图1 转速的升速率控制原理图示
2）负荷控制。开始时间是从汽轮机启动升速过程结束及机组完成并网任务之后。主要的功能是以开环或者闭环工作模式为依据，进一步对汽轮机发电机组的负荷实现有效控制。主要目标是让汽轮机实发功率能够达到功率给定值。当机组并网发电之后，转速控制回路的转速偏差实质上指的是电网实际频率和额定频率之间的差值。当发生频差信号之后，为了电网频率能够得到有效调节，可以汽轮机静态特性曲线为标准，把转速偏差转化为功率偏差，进一步利用负荷回路对机组的实际发功率进行调节，以此使机组参与一次调频当中。
3）主蒸汽压力控制。对于单元机组当中的负荷控制，主要存在三种模式。其中，汽轮机跟随锅炉模式与机炉协调模式的汽轮机控制系统均将机前压力信号引入，汽轮机承担了调节主蒸汽压力的职责[3]。因此，在有些电业调节系统中，具备主蒸汽压力控制回路设置，以机前压力的偏差为依据，利用主蒸汽压力控制回路产生阀门开度指令，最终使主蒸汽压力能够得到有效调节。
3 转子应力控制的实现探究
1）转子热应力数字模型计算。为了使计算能够简化，一般吧汽轮机转子当作一个圆柱体，并且这个圆柱体是无限长的。同时，在计算方面，只对圆柱体表面与中心空表面的热应力进行计算。
温差dT表示热应力的大小：dT=T1-Tm。
其中，T1表示蒸汽接触的缸体表面温度;Tm表示缸体处于50%深度时的平均温度。为了使热应力不大于允许限值，可通过限值温差不大于某一限值来实现。缸体与阀体，温差限值以平均温度Tm的函数进行设置，并与升/降速度或者升/降符合相对应，从而形成两个限值，一个为上限温差（dTpermu），一个下限温差（dTperml）。
其中，上限温度裕量ddTu=dTpermu-dT;下限温度裕量ddTl=dTperml。
2）應力限制。实际应力和允许应力之间的差值通过汽轮机自启停控制转换器进行转换，主要转换为负荷目标值及变负荷速率等。进一步通过DEH基本控制功能实现对汽轮升速及变负荷的控制，最终形成一个闭环控制过程。在整个过程当中，需充分保证的是：转子应力不能大于允许应力值。其中，包括了多个系统，具体表现如下：
①保护系统。其功能是，在汽轮机处于运行状态，且出现危险的状况下，保护系统能及时将全部进气阀门关闭，以此规避重大事故的发生，进而起到保护汽轮机设备安全的目的。
②供油系统。现状下，汽轮机控制用油使用最多的是高压抗燃油，代替了之前所采用的汽轮机油。对于电液调节系统供油压力，大多数选择12～16MPa[4]。
③电液执行机构。主要组成部分包括油动机、阀位检测器以及实验电磁阀等。对于大型机组，通常需十套到十二套执行机构，分别对两个高压主气阀进行控制，同时也对高压调节阀及中压主气阀进行合理控制。液压缸通常也称之为油动机，多数使用弹簧服务液压开启式结构，液压缸单侧进油，在充油的时候阀门打开，液压缸充油量决定了门阀打开行程的大小。在液压泄油的情况下，通过借助弹簧的力量，阀门关闭。
4 结束语
在我国核电发展战略逐渐推进发展的背景下，核电汽轮机的自动控制技术引起了制造商及用户的高度重视。通过本课题的探究，笔者认为要想使我国核电汽轮机更具应用前景，需要在完善汽轮机热应力控制技术的基础上，学习并借鉴国外核电汽轮机先进控制技术，以此使我国核电汽轮机控制技术更具完善性，进一步为我国核电发展战略的全面强化起到推波助澜的作用。
参考文献
[1]石丽国，郝军红，樊向松，海阳核电厂汽轮机垫铁安装与质量控制技术[J].电力建设，2013（12）：123-126.
[2]祝建飞，姚峻，吴建平.1000MW超超临界汽轮机热应力监测及自动控制[J].中国电力，2009（06）：21-24.
[3]廖均利，郑展友.330MW汽轮机冷态启动的热应力控制[J].华北电力技术，2012（07）：28-30.
[4]黄海跃，杨宇，石兆元.核电CPR1000汽轮机启动程序中热应力控制策略[J].发电设备，2014（02）：90-93.
关键词 核电厂;汽轮机;热应力控制技术
中图分类号：TK263 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-0049-02
核电汽轮机组的特点极具明显性，包括转子大、蒸汽流量大以及蒸汽湿度高等[1]。这些特点使转子所承受的机械应力大，同时也使由腐蚀导致的热疲劳应力大。基于升、降功率及事故工况下，通常使用机跟堆模式，转子则承受着较大的热负荷与负荷变化。由此可见，转子应力的控制及监测在核电汽轮机当中是非常关键的一项技术，它在很大程度上决定了汽轮机组的可靠性。鉴于此，本课题对“核电厂汽轮机热应力控制技术”进行探讨与研究具有尤为深远的重要意义。
1 核电汽轮机运行特性分析
基于核电汽轮机当中的主蒸汽自带0.25%～0.5%湿度的饱和蒸汽[2]。一般情况下，通流部分各级大多数位于湿蒸汽区。核电汽轮机和常规火电机组比较，核电汽轮机有汽水分离再热系统增加。由此可见，对于核电汽轮机，其启动、停止及运行特性不但和本身结构、系统设计及相关布置有关，而且还与汽水分离再热器的结构存在联系。
对于核电汽轮机的启动与停机，通常使用额定参数启动，调门则起到控制汽轮机加负荷与升速的目的。因所采用的是低参数饱和蒸汽，因此汽轮机在启动暖机时间方面，要比火电机组汽轮机的启动时间低，大概可降低1/3。另外，由于核电汽轮机的温度较低，且汽轮机本体各部件的热膨胀值较小，所以汽轮机在启动及运行过程中，所受到的热膨胀差均要小于火电机组受到的热膨胀差。
2 汽轮机控制系统相关内容分析
对于汽轮机控制系统，包括诸多方面的内容，主要体现在监视系统与调节系统当中。其中，对于监视系统，主要是通过数据采集系统对汽轮机运行过程中的参数进行监视采集，一般归分为热工量与机械量。对于调节系统，则包括多方面的控制，具体表现如下。
1）转速控制。转速控制能够使得大范围内的转速自动调节得到有效实现，进一步让汽轮机转速从盘车转速慢慢向并网前的转速上升，如图1，便是转速的升速率控制原理图示。
图1 转速的升速率控制原理图示
2）负荷控制。开始时间是从汽轮机启动升速过程结束及机组完成并网任务之后。主要的功能是以开环或者闭环工作模式为依据，进一步对汽轮机发电机组的负荷实现有效控制。主要目标是让汽轮机实发功率能够达到功率给定值。当机组并网发电之后，转速控制回路的转速偏差实质上指的是电网实际频率和额定频率之间的差值。当发生频差信号之后，为了电网频率能够得到有效调节，可以汽轮机静态特性曲线为标准，把转速偏差转化为功率偏差，进一步利用负荷回路对机组的实际发功率进行调节，以此使机组参与一次调频当中。
3）主蒸汽压力控制。对于单元机组当中的负荷控制，主要存在三种模式。其中，汽轮机跟随锅炉模式与机炉协调模式的汽轮机控制系统均将机前压力信号引入，汽轮机承担了调节主蒸汽压力的职责[3]。因此，在有些电业调节系统中，具备主蒸汽压力控制回路设置，以机前压力的偏差为依据，利用主蒸汽压力控制回路产生阀门开度指令，最终使主蒸汽压力能够得到有效调节。
3 转子应力控制的实现探究
1）转子热应力数字模型计算。为了使计算能够简化，一般吧汽轮机转子当作一个圆柱体，并且这个圆柱体是无限长的。同时，在计算方面，只对圆柱体表面与中心空表面的热应力进行计算。
温差dT表示热应力的大小：dT=T1-Tm。
其中，T1表示蒸汽接触的缸体表面温度;Tm表示缸体处于50%深度时的平均温度。为了使热应力不大于允许限值，可通过限值温差不大于某一限值来实现。缸体与阀体，温差限值以平均温度Tm的函数进行设置，并与升/降速度或者升/降符合相对应，从而形成两个限值，一个为上限温差（dTpermu），一个下限温差（dTperml）。
其中，上限温度裕量ddTu=dTpermu-dT;下限温度裕量ddTl=dTperml。
2）應力限制。实际应力和允许应力之间的差值通过汽轮机自启停控制转换器进行转换，主要转换为负荷目标值及变负荷速率等。进一步通过DEH基本控制功能实现对汽轮升速及变负荷的控制，最终形成一个闭环控制过程。在整个过程当中，需充分保证的是：转子应力不能大于允许应力值。其中，包括了多个系统，具体表现如下：
①保护系统。其功能是，在汽轮机处于运行状态，且出现危险的状况下，保护系统能及时将全部进气阀门关闭，以此规避重大事故的发生，进而起到保护汽轮机设备安全的目的。
②供油系统。现状下，汽轮机控制用油使用最多的是高压抗燃油，代替了之前所采用的汽轮机油。对于电液调节系统供油压力，大多数选择12～16MPa[4]。
③电液执行机构。主要组成部分包括油动机、阀位检测器以及实验电磁阀等。对于大型机组，通常需十套到十二套执行机构，分别对两个高压主气阀进行控制，同时也对高压调节阀及中压主气阀进行合理控制。液压缸通常也称之为油动机，多数使用弹簧服务液压开启式结构，液压缸单侧进油，在充油的时候阀门打开，液压缸充油量决定了门阀打开行程的大小。在液压泄油的情况下，通过借助弹簧的力量，阀门关闭。
4 结束语
在我国核电发展战略逐渐推进发展的背景下，核电汽轮机的自动控制技术引起了制造商及用户的高度重视。通过本课题的探究，笔者认为要想使我国核电汽轮机更具应用前景，需要在完善汽轮机热应力控制技术的基础上，学习并借鉴国外核电汽轮机先进控制技术，以此使我国核电汽轮机控制技术更具完善性，进一步为我国核电发展战略的全面强化起到推波助澜的作用。
参考文献
[1]石丽国，郝军红，樊向松，海阳核电厂汽轮机垫铁安装与质量控制技术[J].电力建设，2013（12）：123-126.
[2]祝建飞，姚峻，吴建平.1000MW超超临界汽轮机热应力监测及自动控制[J].中国电力，2009（06）：21-24.
[3]廖均利，郑展友.330MW汽轮机冷态启动的热应力控制[J].华北电力技术，2012（07）：28-30.
[4]黄海跃，杨宇，石兆元.核电CPR1000汽轮机启动程序中热应力控制策略[J].发电设备，2014（02）：90-93.