汽輪機超速原因及預(yù)防策略探討

朱勝濤

摘 要：汽輪機超速可能導(dǎo)致汽輪機損壞報廢，同時還會產(chǎn)生潛在飛射物，對人員廠房及設(shè)備造成損傷，由此帶來的經(jīng)濟損失巨大。近些年來，國內(nèi)外發(fā)生了多起汽輪機超速飛車損壞事故，該文主要闡述了AP1000核電汽輪機超速保護設(shè)計上的特點、汽輪機超速的主要原因，結(jié)合汽輪機運行、預(yù)防性維修項目和定期試驗項目等，提出了汽輪機超速的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：汽輪機 超速 維修 定期試驗

中圖分類號：TK267 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0092-02

汽輪機是在高溫、高壓下運轉(zhuǎn)的機械，其旋轉(zhuǎn)部件承受著巨大的離心應(yīng)力，該離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比（F=mω2R），因此隨著轉(zhuǎn)速的升高，其離心力快速上升。汽輪機轉(zhuǎn)子一般是按照額定轉(zhuǎn)速的120%設(shè)計的，一旦轉(zhuǎn)速超過了設(shè)計的強度極限，將造成葉片斷裂、動靜摩擦，甚至斷軸等嚴(yán)重事故。汽輪機超速不僅造成汽輪機本體損壞，同時還會產(chǎn)生潛在飛射物，對人員廠房及設(shè)備造成損傷，由此帶來的經(jīng)濟損失巨大。

1 AP1000核電汽輪機超速保護特點

AP1000主汽輪機控制和診斷系統(tǒng)（TOS）由三菱設(shè)計，通過西屋的OVATION平臺實現(xiàn)，是全數(shù)字電液調(diào)速系統(tǒng)（DEH）。汽輪機主要配置了OPC超速保護、機械超速和電氣超速保護。

1.1 OPC超速保護

OPC是指當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速非預(yù)期升高時，快速關(guān)閉主調(diào)門GV和再熱蒸汽調(diào)門ICV，防止汽輪機超速跳機，使汽輪機能夠在發(fā)生瞬態(tài)工況時過渡到穩(wěn)態(tài)工況。OPC超速保護通過汽輪機轉(zhuǎn)速實際升高或汽輪發(fā)電機組機械功率和電功率不平衡構(gòu)成超速預(yù)測單元，實現(xiàn)汽輪機超速預(yù)保護，發(fā)電機功率由發(fā)電機定子電流表征，而汽輪機機械功率由低壓缸入口壓力表征。

1.2 機械超速保護（MOST）

機械超速保護（MOST）是通過一個彈簧加壓的偏心飛錘來實現(xiàn)的。當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速上升至110%額定轉(zhuǎn)速時，飛錘在離心力作用下飛出，從而使得危急遮斷滑閥打開，保安油母管卸壓，隔膜閥開啟，進而使AST和OPC母管卸壓，各蒸汽閥門關(guān)閉實現(xiàn)停機。

1.3 電氣超速保護（EOST）

電氣超速共有12個保護模塊，分為4組，每組三取二邏輯，對應(yīng)于AST4個電磁閥。當(dāng)轉(zhuǎn)速測量值超過保護設(shè)定值111%額定轉(zhuǎn)速時，4個AST電磁閥斷電開啟，AST母管和OPC母管卸壓后，各蒸汽閥門關(guān)閉，從而實現(xiàn)汽輪機超速保護停機。

2 導(dǎo)致汽輪機超速的主要原因

汽輪機作為核電廠主要設(shè)備之一，雖然與核安全無關(guān)，但直接影響著電廠的安全運行。近些年來，國內(nèi)外發(fā)生了多起汽輪機超速飛車損壞事故。2011年2月10日，南非Duvha電廠一臺600 MW機組做超速試驗時，10 s內(nèi)汽輪機轉(zhuǎn)速由3 000 r/min上升至4 250 r/min，3套電超速保護及機械超速保護均未動作，整臺機組報廢。汽輪機超速原因較多，可以從汽輪機本體結(jié)構(gòu)、容量影響及調(diào)速和保護系統(tǒng)來進行分析，運行、維修及試驗也非常重要。

2.1 汽輪機本體特征對超速的影響

汽輪機甩負(fù)荷后的動態(tài)最大飛升速度可以用公式進行估算。其中為甩負(fù)荷后最大飛升速度，為汽輪機額定轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)，為甩負(fù)荷率，和為油動機的滯后時間和關(guān)閉時間，為蒸汽容積時間常數(shù)。

隨著機組容量的增加時間常數(shù)逐漸減小，中間再熱機組的時間常數(shù)更小，僅為5～8 s；蒸汽容積時間常數(shù)隨著機組容量增加逐漸增大，所以機組容量越大，甩負(fù)荷率越高，超速的可能性越大，甩負(fù)荷后超速的控制越來越困難。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)缺陷對汽輪機超速的影響

汽輪機調(diào)速系統(tǒng)要保證汽輪機在額定轉(zhuǎn)速下運行，還要保證甩負(fù)荷后汽輪機轉(zhuǎn)速不超過機械超速保護動作值，調(diào)速系統(tǒng)是防止汽輪機超速的第一道防線，如果汽輪機甩負(fù)荷后不能保證汽輪機空載運行，就可能會導(dǎo)致汽輪機超速，甩負(fù)荷引起超速的主要原因有如下幾點。

（1）調(diào)速汽門不能關(guān)閉或漏汽量大，抽汽逆止門不嚴(yán)或不能關(guān)閉，蒸汽繼續(xù)進入汽輪機做功，導(dǎo)致汽輪機超速。

（2）調(diào)速系統(tǒng)遲緩率過大，導(dǎo)致閥門關(guān)閉時間過長引起汽輪機超速?，F(xiàn)在DEH控制的汽輪機遲緩率小于0.06%，閥門關(guān)閉小于0.5 s甚至更低，AP1000汽輪機主汽門和主調(diào)門設(shè)計關(guān)閉時間分別為0.18 s和0.15 s。

（3）調(diào)速系統(tǒng)速度變動率過大。根據(jù)試驗，汽輪機甩負(fù)荷后汽輪機轉(zhuǎn)速升高值是速度變動率的1.5倍，假如汽輪機速度變動率為6%，那么甩負(fù)荷后汽輪機轉(zhuǎn)速將升高9%額定轉(zhuǎn)速[2]，故汽輪機速度變動率一般不超過6%，但過小會引起負(fù)荷波動較大，故一般維持在3%～6%，AP1000汽輪機設(shè)計速度變動率為4.5%，三菱給出的計算結(jié)果，100%甩負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速飛升不會超過105.6%。

2.3 汽輪機調(diào)速汽門及超速保護裝置故障

如果在汽輪機轉(zhuǎn)速升高時，而危急保安器不動作或動作過遲的主要原因有飛錘卡澀、彈簧在受力后產(chǎn)生過大的變形、危急遮斷器滑閥卡澀等，致使危急保安器不動作或動作過遲。

2.4 油質(zhì)及蒸汽品質(zhì)不合格或超速試驗時操作不當(dāng)

運行中化學(xué)監(jiān)督不力，EH油、潤滑油及蒸汽品質(zhì)不合格也會導(dǎo)致汽輪機調(diào)速汽門卡澀或機械超速保護裝置故障。

（1）油質(zhì)管理不善，潤滑油水分及顆粒度長期超標(biāo)運行，引起機械超速保護裝置腐蝕卡澀。

（2）EH油質(zhì)不合格導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)部件腐蝕卡澀，停機時進汽閥門無法關(guān)閉導(dǎo)致汽輪機超速。

（3）化學(xué)監(jiān)督未執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，運行中蒸汽品質(zhì)變差且沒有采取有效措施，長期運行會造成蒸汽閥門結(jié)垢卡澀。

3 防止汽輪機超速的策略

鑒于汽輪機超速事故所造成的嚴(yán)重后果，通過對超速原因的分析采取針對性策略可以有效避免事故的發(fā)生。預(yù)防性維修、定期試驗和監(jiān)督是防止可靠性降級的有效手段。

預(yù)防性維修、定期試驗應(yīng)用如下。

汽輪機超速的主要原因之一為各汽門卡澀或無法關(guān)嚴(yán)，針對調(diào)速汽門及抽氣止回閥卡澀、無法關(guān)嚴(yán)導(dǎo)致汽輪機超速，采取針對性的預(yù)防性維修項目有各調(diào)速汽門、油動機及抽汽止回閥解體檢查。調(diào)速汽門解體檢查主要對閥門閥桿彎曲度、光滑度、閥座損傷情況及彈簧整體情況等進行檢查，通過這些預(yù)防性維修項目可以防止閥桿彎曲變形、彈簧損壞、閥座及閥體損傷等導(dǎo)致閥門無法關(guān)閉或無法關(guān)嚴(yán)；檢查油動機缸體是否存在劃痕磨損等情況，從而發(fā)現(xiàn)油動機卡澀的早期征兆；抽汽止回閥的檢修主要對氣動執(zhí)行機構(gòu)附件、電磁閥及閥體進行檢查。

針對汽輪機超速保護相關(guān)設(shè)備開發(fā)的針對性的預(yù)防性維修項目主要有各轉(zhuǎn)速探頭定期校驗、轉(zhuǎn)速卡件功能驗證、伺服閥檢修和伺服閥濾網(wǎng)更換、LVDT定期檢修；在發(fā)生超速事故時需要AST母管油壓能快速泄壓，為此需要對隔膜閥定期檢查，并對超速電磁閥（即AST及OPC電磁閥）及卸荷閥定期進行檢修。

定期試驗?zāi)軌蛱崆鞍l(fā)現(xiàn)能動設(shè)備或保護邏輯故障，提早處理，對系統(tǒng)和電站可靠性非常重要。定期試驗開發(fā)原則為，在設(shè)備可靠性分級后需要對不可見、失效的重要能動設(shè)備或邏輯開發(fā)定期試驗項目。超速相關(guān)的試驗主要包括MOST遠方和就地充油試驗、EOST停機試驗、OPC試驗、機械超速試驗（真實超速）、調(diào)速汽閥及抽氣止回閥全關(guān)試驗等。

4 結(jié)語

AP1000汽輪機配置了OPC超速、電超速及機械超速保護，同時保護系統(tǒng)也有著自己的特點，如OPC動作后通過PLS發(fā)關(guān)閉信號給各抽汽止回閥；EOST充油試驗可以在主控室內(nèi)實現(xiàn)等。鑒于汽輪機超速產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，通過對超速原因的分析采取針對性策略可以有效避免事故的發(fā)生。

參考文獻

[1] 國家能源局.國能安全[2014]161號關(guān)于印發(fā)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》的通知[Z].2014.

[2] 沈士一，莊賀慶，康松，等.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3] 賈超，謝誕梅，董川，等.超臨界汽輪機超速保護系統(tǒng)分析[J].電站系統(tǒng)工程，2007，23（1）：57-59.

[4] 楊曉輝，單世超.核電汽輪機與火電汽輪機比較分析[J].汽輪機技術(shù)，2006，48（6）：404-406.

[5] AP1000主汽輪機控制和診斷系統(tǒng)（TOS）系統(tǒng)說明書[Z].