三門核電汽輪機機械超速設(shè)計特點分析

葉道權(quán)

摘要：汽輪機超速時不僅損壞汽機本體，而且還可能對汽輪機廠房其他設(shè)備和人員造成潛在飛射物傷害。相比于秦山二期，三門核電汽輪機機械超速保護裝置設(shè)計上能實現(xiàn)遠控和就地注油試驗，注油試驗和超速試驗自動化程度也更高，從而在不降低可靠性的同時提高效率。

關(guān)鍵詞：汽輪機；機械超速；注油試驗；超速試驗；三門核電 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK269 文章編號：1009-2374（2015）31-0012-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.006

1 概述

汽輪機作為高速轉(zhuǎn)動的設(shè)備，轉(zhuǎn)動部件的離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。當汽機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速20%時，不僅轉(zhuǎn)動部件中按預(yù)緊力配合的部套會發(fā)生松動，而且離心應(yīng)力將超過材料所允許的強度極限，引起動靜相碰，葉片斷裂，甚至造成斷軸等嚴重事故，而且高速旋轉(zhuǎn)的部件會對汽輪機廠房的其他設(shè)備或人員造成潛在飛射物傷害，因此故障或事故工況下的汽輪機超速保護非常重要。三門核電一期工程汽輪機采用日本三菱公司的設(shè)計。汽輪機采用整鍛轉(zhuǎn)子，四缸六排汽雙流對稱結(jié)構(gòu)，額定功率1251MW，額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分。針對汽輪機超速不同程度，設(shè)置了包括超速保護控制（OPC）、機械超速、電氣超速等多重措施。本文通過與秦山二期對比，詳細分析三門核電汽輪機機械超速及相關(guān)試驗的特點。

2 設(shè)計特點

汽輪機機械超速裝置的核心動作部件是危急保安器，目前應(yīng)用最廣泛的是飛錘式。飛錘重心與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)重心偏心布置。汽機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，偏心飛錘所受的離心力為：

式中：

——飛錘的質(zhì)量

——飛錘重心與轉(zhuǎn)子重心的距離

——飛錘的飛出距離

——轉(zhuǎn)子角速度

汽機工作在額定轉(zhuǎn)速時，壓縮彈簧的預(yù)緊力可以克服飛錘離心力，將飛錘約束在縱向孔內(nèi)。當汽機超速至一定值時，飛錘離心力大于壓縮彈簧的彈力而使小飛錘擊出，引起相應(yīng)的油路泄壓，汽機緊急停機。

三門核電汽輪機機械超速裝置安裝在汽機高壓轉(zhuǎn)子接長軸內(nèi)，包括帶壓縮彈簧和注油孔的偏心小飛錘、碰鉤、危急遮斷錯油閥、手動脫扣、復(fù)位和試驗杠桿、遠程復(fù)位裝置、兩級減壓孔板、隔膜閥、兩個溢流閥、手動脫扣滑閥、試驗滑閥、試驗三通電磁閥以及相關(guān)的儀表和管線。如圖1所示：

圖1 三門核電汽輪機機械超速裝置簡圖

機組運行時，自汽輪發(fā)電機組潤滑油系統(tǒng)的控制油泵或主油泵來的高壓油通過一級節(jié)流孔板后降壓為保安油，進入隔膜閥的下腔室內(nèi)，克服彈簧作用力而使隔膜閥關(guān)閉。隔膜閥作為潤滑油與汽輪機EH油系統(tǒng)（LHS）的唯一接口，控制著LHS中AST母管的泄壓通道之一，AST母管的另一泄壓通道為AST電磁閥。當AST母管卸壓，將會關(guān)閉汽機所有進汽閥門，從而緊急停機。

當汽機轉(zhuǎn)速達到機械超速動作定值時，偏心飛錘擊出，撞擊碰鉤，與碰鉤相連的危急遮錯油閥動作，使保安油通過試驗滑閥和錯油閥回到主油箱泄壓。保安油泄壓后，隔膜閥在彈簧的作用下打開，使AST母管卸壓，緊急停機。如果汽機轉(zhuǎn)速達到機械超速動作定值后，偏心飛錘未能擊出或危急遮斷錯油閥故障，可就地操作前軸承箱邊上的手動脫扣杠桿，使保安油通過試驗滑閥和手動脫扣滑閥回油至主油箱，同樣可使汽機緊急停機。

偏心飛錘擊出后，在重新啟動機組前，需對機械超速裝置進行復(fù)位。通過操作手動復(fù)位杠桿，關(guān)閉危急遮斷錯油閥，重新恢復(fù)保安油壓，使隔膜閥關(guān)閉，AST母管建立油壓，從而可開啟汽機進汽閥。也可在主控室按下汽機復(fù)位按鈕，圖1右上角的四通電磁閥得電，壓縮空氣進入復(fù)位活塞的上腔室，同時下腔室與大氣相通，活塞在壓縮空氣的作用下向下移動，推動復(fù)位杠桿動作碰鉤，從而使危急遮斷錯油閥關(guān)閉。

3 與秦山二期汽輪機機械超速設(shè)計的差異

秦山二期汽輪機結(jié)構(gòu)上與三門核電基本類似，機組單機容量650MW，額定工作轉(zhuǎn)速為3000rpm。下面對三門核電與秦山二期汽輪機機械超速的設(shè)計包括從裝置、注油試驗、超速試驗等方面詳細分析二者之間的差異。

3.1 機械超速裝置設(shè)計的差異

秦山二期機械超速手動脫扣杠桿和手動復(fù)位杠桿都是直接作用于碰鉤，兩個杠桿連成一體，如下圖2所示。當汽機超速至一定值時，如果危急遮斷錯油閥發(fā)生卡澀，秦山二期的設(shè)計將無法實現(xiàn)就地手動緊急停機。三門核電汽輪機通過設(shè)計單獨的手動脫扣滑閥和手動脫扣杠桿來手動緊急泄壓，則可避免錯油閥故障而無法就地手動停機的風(fēng)險。三門核電汽輪機將手動脫扣與復(fù)位杠桿完全分離，也能降低誤操作的可能性。

圖2 秦山二期汽輪機機械超速裝置簡圖

另外，三門核電設(shè)計有注油試驗三通電磁閥和注油電磁閥，并設(shè)置有一些壓力儀表和位置開關(guān)，可進行遠程注油試驗，并可通過儀表的變化確定機械超速裝置的動作情況。

3.2 試驗的差異

為驗證機械超速裝置的可靠性，機組在首次啟動和每次大修后需進行注油試驗和超速試驗。注油試驗時，機組未真超速，而是通過向偏心飛錘內(nèi)注入高壓油，利用油壓取代實際超速時飛錘產(chǎn)生的離心力，克服彈簧約束而使飛錘擊出，以驗證機械超速裝置的可靠性。注油試驗通常在每次機組啟動沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速時進行。超速試驗則是在機組帶負荷運行一段時間后，與電網(wǎng)解列，使機組真正超速，以驗證包括OPC保護、機械超速保護、電氣超速保護等動作的可靠性。三門核電與秦山二期汽輪機機械超速裝置設(shè)計上的差異決定了二者在注油試驗和超速試驗上有區(qū)別。

3.2.1 遠控注油試驗差異分析。三門核電通過設(shè)置三個電磁閥、兩個壓力開關(guān)、一個壓差開關(guān)和一個限位開關(guān)，可實現(xiàn)主控室或就地進注油試驗，而秦山二期僅能在就地進行注油試驗。三門核電汽輪機遠控注油試驗過程如下（參考圖1）：（1）主控室在汽機保護系統(tǒng)試驗界面上選擇“Mechanical overspeed”；（2）選擇“MOST Test（Lockout）”，阻斷AST母管通過隔膜閥泄壓通路，同時接通EH油供油母管通過隔膜閥的泄壓路徑；（3）由于EH油供油母管設(shè)置了節(jié)流孔板，壓力P4低于AST母管的油壓P1，正常運行時，AST母管與隔膜閥相通，P1壓力等于P3，當試驗三通電磁閥動作后，油路改變，P4壓力等于P3卻低于P1，當壓差開關(guān)PDS072探測到P1與P3之間存在的壓差后，即向主控室發(fā)出信號顯示“Under MOST Test”；（4）在主控室持續(xù)按下“Test ON”按鈕，以使注油試驗電磁閥得電開啟，向飛錘內(nèi)油孔注油，當油壓超過彈簧的約束，飛錘擊出；（5）當飛錘擊出時，保安油壓快速下降，壓力開關(guān)PS026動作；（6）保安油壓下降至一定值時，使隔膜閥動作，EH油供油母管通過隔膜閥的泄壓通路打開，P4壓力等于P3，且下降為回油壓力，P3油壓的下降引起PS073壓力開關(guān)的動作。當PS073與PS026都動作后，即在主控室顯示“MOST Test Operation”。EH油供油母管由于節(jié)流孔板的作用，不會下降太多，因此不會影響整個EH油系統(tǒng)的工作；（7）放開“Test ON”按鈕，注油電磁閥失電，終止向飛錘注油；（8）點擊“Test reset”，使遠程復(fù)位電磁閥得電，進行汽機復(fù)置。遠程復(fù)位裝置推動復(fù)位杠桿動作碰鉤及危急遮斷錯油閥，當復(fù)位杠桿復(fù)位成功后，觸發(fā)限位開關(guān)動作，從而在主控室顯示“During reset”。錯油閥復(fù)位后，保安油壓開始建立，PS026復(fù)位，隔膜閥關(guān)閉，P3壓力恢復(fù)，PS073也復(fù)位。當PS026與PS073都復(fù)位后，主控室“MOST Test Operation”信號消失；（9）當“MOST Test Operation”信號消失3秒后，復(fù)位杠桿限位開關(guān)觸發(fā)主控室“During reset”信號也消失；（10）當P3和P4壓力恢復(fù)后，試驗三通電磁閥也自動復(fù)位，接通AST母管通過隔膜閥泄壓的路徑，同時阻斷EH油供油母管通過隔膜閥的泄壓通路。這樣P3壓力上升至等于P1，引起壓差開關(guān)PDS072的復(fù)位，進而主控顯示“Under MOST Test”信號消失；（11）主控選擇“Mode selection OFF”，試驗結(jié)束。endprint

3.2.2 就地注油試驗的差異分析。如圖2所示，秦山二期在進行就地汽輪機注油試驗時，首先將試驗滑閥轉(zhuǎn)至“試驗”位置并保持該位置，然后將手動脫扣杠桿轉(zhuǎn)至“復(fù)位”位置，再緩慢打開飛錘注油閥，當就地觀察到手動脫扣杠桿振動且有移向“脫扣”位置趨勢時，記錄009LP所示的注油壓力并關(guān)閉注油閥，然后將手動脫扣手柄置于“正?！蔽恢?，最后將試驗滑閥轉(zhuǎn)至“正?！蔽恢?，完成試驗。

三門核電汽輪機就地注油試驗過程為：如圖1所示，首先將試驗滑閥轉(zhuǎn)至“試驗”位置并保持，然后緩慢打開注油試驗手動閥，通過就地壓力儀表PI006觀察注油壓力緩慢上升，當油壓上升至克服飛錘彈簧約束力而擊出飛錘的時候，危急遮斷錯油閥動作，就地觀察到PI005指示的壓力突然下降，此時記錄PI006所指示的注油壓力，然后關(guān)閉注油手動閥，再將手動復(fù)位杠桿置于“復(fù)位”位置，通過就地手動復(fù)位杠桿對碰鉤及危急遮斷錯油閥復(fù)位，再松開試驗滑閥回到“正?！蔽恢茫⒁庥^察PI005所示的保安油壓恢復(fù)正常后，完成試驗。

用于指示保安油壓的儀表，三門核電將PI005設(shè)置在試驗滑閥下游，而秦山二期則將018LP設(shè)置在試驗滑閥上游。秦山二期進行就地汽輪機注油試驗時，由于試驗滑閥的動作，阻斷了保安油通過危急遮斷錯油閥正常泄壓的通路，另外一路保安油經(jīng)過兩個溢流閥進入危急遮斷錯油閥的通路由于設(shè)置有一個二級降壓孔板，018LP所指示的壓力基本不受飛錘和危急遮斷錯油閥的動作影響，而三門核電的PI005所指示的壓力則會隨著危急遮斷錯油閥的動作泄壓而突然下降至零。因此秦山二期在就地注油試驗中，無法通過儀表的顯示來判斷飛錘及危急遮斷錯油閥的動作情況，僅能通過手動脫扣杠桿的移動趨勢來確定，給試驗操作人員比較模糊的判斷依據(jù)，增加了試驗的不確定性；而三門核電則通過PI005的指示變化，可準確判斷飛錘及危急遮斷錯油閥的動作情況，減小了人為失誤的概率，提高了試驗的可靠性。

3.2.3 超速試驗差異分析。注油試驗僅能驗證脫扣飛錘能否正常動作，還不能確定飛錘實際動作轉(zhuǎn)速，因此還須進行實際超速試驗。目前核電機組普遍采用帶10%左右負荷運行一段時間后，與電網(wǎng)解列，汽機空載穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速運行時，在短時間內(nèi)進行超速試驗。以使汽輪發(fā)電機組充分預(yù)熱，盡可能接近實際工況。秦山二期機械超速和電氣超速設(shè)定值分別為109%～110%額定轉(zhuǎn)速。三門核電機械超速與電氣超速設(shè)定值分別為110%和111%額定轉(zhuǎn)速。

秦山二期在超速試驗中，首先儀控人員將機組轉(zhuǎn)速限值從正常運行時的3050rpm修改為3331rpm，以便于機組實際超速。然后開始設(shè)定目標轉(zhuǎn)速和升速率，驗證OPC超速（103%額定轉(zhuǎn)速）動作是否正常，正常后將OPC超速保護切除，重新升速，直至在3270～3300rpm范圍內(nèi)機組保護跳閘后，根據(jù)DEH中的首發(fā)信號判斷機械超速還是電氣超速先動作。如機械超速先動作，則待汽機恢復(fù)額定轉(zhuǎn)速后，將機械超速試驗滑閥置于“試驗”位置并保持，重新升速，直至電氣超速保護動作，機組緊急停機。而如是電氣超速先動作，則待機組恢復(fù)額定轉(zhuǎn)速后，由儀控人員將電氣超速動作定值調(diào)整至3331rpm，再重新升速，進行機械超速試驗。在試驗過程中，如果機組轉(zhuǎn)速超過111%額定轉(zhuǎn)速，而電氣超速保護還未動作時，則主控立即打閘停機或就地緊急松開機械超速“試驗”杠桿動作停機。

三門核電機械超速和電氣超速試驗則不同。當點擊“MOST Test ON”后，電氣超速定值自動修改為1725rpm（115%額定轉(zhuǎn)速）。同時，邏輯自動閉鎖OPC保護功能，并將機組的轉(zhuǎn)速限值也由正常運行時的1590rpm自動修改為1670rpm，以防止機組轉(zhuǎn)速意外超限。轉(zhuǎn)速達到1650rpm（110%額定轉(zhuǎn)速）時，機械超速保護動作，機組緊急停機。點擊“MOST Test OFF”，電氣超速動作定值自動恢復(fù)至1665rpm（111%額定轉(zhuǎn)速），恢復(fù)OPC保護功能，并將機組轉(zhuǎn)速限值恢復(fù)至1590rpm。進行電氣超速試驗時，主控動作試驗三通電磁閥，閉鎖機械超速保護跳機，而無需如秦山二期一樣指派人員在就地長時間操作試驗滑閥。當機組超速至電氣超速保護動作定值而未能緊急停機，也可在主控或就地動作緊急停機。

三門核電相比于秦山二期的汽輪機超速試驗設(shè)計，具有以下兩點優(yōu)勢：（1）在超速過程中，由控制邏輯自動修改相應(yīng)限值和相關(guān)的閉鎖功能，從而一方面提高了運行自動化程度，減輕了運行人員和儀控人員工作量，另一方面也降低了人為失誤的概率；（2）機械超速定值略低于電氣超速定值，在進行機械超速試驗時，電氣超速定值自動提高，這樣更明確甄別試驗過程中兩種保護的動作情況，使試驗更具有可操作性。

4 結(jié)語

汽輪機是核電廠重要的設(shè)備之一，而機械超速保護對于汽輪機的安全可靠運行又發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。三門核電汽輪機機械超速及相關(guān)試驗的設(shè)計與秦山二期相比，具有明顯的先進性：（1）通過增設(shè)手動脫扣滑閥，使手動脫扣杠桿與手動復(fù)位杠桿完全獨立，可避免危機遮斷錯油閥卡澀引起的無法就地手動停機事故，有利于機組安全運行；（2）通過增設(shè)兩個電磁閥和一些壓力、位置開關(guān)，可實現(xiàn)主控注油試驗，利于提高機組自動化程度，減少運行就地工作量，提高工作效率；（3）通過在試驗滑閥下游設(shè)置就地壓力儀表PI005，在就地試驗時依靠其壓力變化即可確定機械超速裝置動作情況，提高就地注油試驗的可操作性。

參考文獻

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（責任編輯：周 瓊）endprint