核電汽輪機組取消機械超速遮斷的可行性研究

王懿

【摘 ?要】介紹了350MWe核電汽輪機組ETS（Emergency Trip Ssystem）系統改造過程中，針對機械超速危急遮斷系統存在的不足，提出以電子超速保護系統替代，并對超速保護改造方案及有關設備的選擇進行了分析，經過現場實施后，取得了良好的效果。

【關鍵詞】汽輪機;機械超速危急遮斷系統;電子超速保護系統

中圖分類號：TK文獻標志碼：B

0 ?引言

根據國家標準GB/T 5578-2007《固定式發電用汽輪機規范》、GB/T 10086-2001《汽輪機調節（控制）系統技術條件》，其中對汽輪機超速保護的要求，已不將機械超速危急遮斷作為必備，可與電子超速保護系統一起配置或只配置電子超速保護系統[1][2];根據國外核電廠運行經驗，國內火電廠同類機組改造取消機械液壓超速保護裝置的成功案例，經長期穩定運行檢驗，安全可控。

本文以秦山核電廠300MWe機組為例，進行深入分析和研究，探討取消核電站汽輪機組的機械超速危急遮斷系統的可行性，并提出改造的方向，以及在2018年機組的第十八次換料大修過程中實施的細節。截止到2019年，秦山核電廠已安全穩定運行近28年，汽輪機組采用上海汽輪廠的HN350-5.34機型，單軸、三缸、四排汽、兩級MSR、凝汽式全速機組，期間，通過兩次設備改造更新，機組電功率已從300MWe提升至350MWe，而汽輪機本體上的機械超速危急遮斷裝置，一直保留至2018年。

1 ?機械超速危急遮斷系統介紹

1.1機械超速危急遮斷裝置結構及工作原理

汽輪機是高速轉動設備，轉動部件的離心應力與轉速的平方成正比，即轉速增高時，離心應力將迅速增加。當汽輪機轉速超過額定轉速的20%時，離心應力接近于額定轉速下應力的1.5倍，此時不僅轉動部件中部套會發生松動，而且離心應力將超過材料所允許的強度使部件損壞。為此，汽輪機均設置超速保護裝置，它能在汽輪機轉速超過額定轉速10～12%（即3300～3360轉/分）時動作，迅速切斷進汽，使汽輪機停止運轉[3]。

機械超速危急遮斷系統，是汽輪機超速保護裝置的一種，一般由危急保安器和危急遮斷滑閥共同組成，按結構形式的不同，危急保安器可分為飛錘式或飛環式兩種，它們的工作原理完全相同。

圖1是飛錘式危急保安器的結構示意圖。它裝于機頭側的汽輪機主軸4上，由飛錘1、彈簧3和調整螺母5等主要部件組成。由于飛錘的重心Q和旋轉中心O偏離r0，故稱為偏心飛錘。彈簧3一端作用在調整螺母5上，另一端支在飛錘凸肩上，當汽輪機轉速低于飛錘的動作轉速時，彈簧力大于飛錘的離心力，飛錘處于圖示位置不動。當汽輪機轉速高于飛錘動作轉速時，飛錘的離心力大于彈簧力，飛錘向外移動，隨著飛錘的移動，飛錘的偏心距離越來越大，其離心力也越來越大，直到飛錘迅速走完全部行程為止。飛錘飛出后，打擊脫扣拉鉤，使危急遮斷滑閥動作，關閉主汽門、調速汽門、再熱主汽門、再熱調速汽門，汽輪機迅速停機。在汽輪機轉速降低的過程中，飛錘的離心力逐漸減小，當轉速低到某一數值時，飛錘的離心力小于彈簧力，飛錘便在彈簧力的作用下回到原來位置。調整螺母5用以改變彈簧的緊力，以便調整飛錘的動作轉速。

1.2機械超速危急遮斷裝置固有缺陷

盡管機械超速危急遮斷裝置普遍采用，但其固有缺陷仍然困擾著機組的運行安全，表現在以下五個方面：

第一，試驗、檢測極不方便且充滿風險。超速危急保安器是一個機械部件，要檢測和調整其動作轉速值，必須在高速旋轉狀態下進行，無論采用什么方式設定動作轉速值（如在現場機組或專用試驗裝置上進行標定），最終都必須在機組的超速試驗中驗證。在危急保安器動作值大于電子超速保護裝置動作值的機組中（秦山核電廠350MWe機組即是如此），在做機械超速危急遮斷系統動作試驗時，需要在其它超速保護裝置全部解除情況下進行，這種情況下，機械超速危急遮斷系統往往就是機組超速保護的最后一道屏障，試驗操作過程中如果升速速率過快，超速危急遮斷器一旦存在故障，很容易引發超速，甚至發生毀機惡性事故。據美國保險公司統計，汽輪發電機組發生超速毀機惡性事故，50%左右發生于超速試驗中。

第二，機械超速危急遮斷系統在機組功率運行期間試驗幾乎不能進行，正常運行中不能及時發現故障，危急遮斷系統中各部套長期不動，在需要動作時極易造成動作遲緩和卡澀。

第三，機械超速危急遮斷系統特點，決定了其遮斷動作值是一個范圍，不定，在無首發記錄的ETS系統中，超速遮斷發生后，對判斷是電超速還是機械超速比較困難。

第四，國產300MWe機組軸封系統蒸汽泄漏仍是一個難題，潤滑油系統中帶水嚴重影響機械超速保護系統的工作可靠性，潤滑油系統中帶水、機械雜質等油污染對機械超速危急遮斷系統部件產生銹蝕、卡澀，致使機械超速危急遮斷系統工作可靠性變差，既影響正常生產和增加維修費用，又留下了安全隱患。

第五，保安油與危急遮斷總管AST油之間的連接部件薄膜閥，缺陷不斷，閥體墊圈滲油、薄膜壓蓋滲油、驅動機構中開面滲油、活節滲油，此閥位置特殊，機組功率運行期間，缺陷極難處理，有停汽輪機的風險。

2 ?電子超速保護系統介紹

2.1電子超速保護系統特點

電子超速保護系統（簡稱電超速，EOPS，Electronic Overspeed Protection Systems）是一套防止旋轉機械超速而損毀設備的保護裝置，由測速齒輪盤、無源（如磁阻式）或有源（如電渦流式、光電式、霍爾等）轉速傳感器為一次檢測元件，以智能處理器為監控裝置，對被檢測的轉速信號進行計數和邏輯處理后輸出相應的保護信號，泄去危急遮斷總管AST油壓，使汽輪機組停機。電超速保護系統一般采用三套相同的監控裝置對同一位置的轉速進行測量，經“三取二”邏輯處理后輸出失電動作的保護信號。

現在，電超速保護系統還具有智能化自診斷功能，除隨時對轉速傳感器進行無損傷的在線檢測、保證一次檢測回路的正確可靠外，還能夠利用超速保護系統“三取二”冗余邏輯回路單通道故障不會引起機組跳機的特點，通過模擬產生轉速脈沖頻率信號，定期或不定期地分別對各監控裝置進行在線檢測，及時發現監控裝置的故障。

一般電超速系統采用模塊化的設計，機組運行期間出現故障時能夠在線更換模件，而不會引起機組跳停機。因為電超速系統的自診斷功能和模塊化的設計，所以最大限度地保證了電超速保護系統極高的可靠性。

因FLASH存儲單元的廣泛應用，電超速保護系統超速保護動作的定值可按要求任意設置，并能用標準轉速校驗臺或信號發生器代替轉速傳感器進行模擬試驗，其試驗的方便性、重復性是機械超速危急遮斷系統無法比擬的。

正是以上電子超速保護系統的優點，使之替代機械超速危急遮斷系統的條件已經成熟，目前新的機組不再配備機械超速危急遮斷裝置，一些老的機組也通過改造逐步取消機械超速危急遮斷裝置。

2.2典型電子超速保護系統的組成

德國BRAUN公司產品在國內應用比較廣泛，以下以其為例介紹。

德國BRAUN公司E16型電子超速保護系統是通過了SIL/IEC61508認證的產品，由三塊獨立的測速模塊E1667.013、一塊測試模塊E1691和三只磁阻轉速傳感器組成，見圖2、圖3。其主要功能有：

（1）三塊測速模塊E1667配合磁阻轉速傳感器，在機組靜態及運行狀態下對轉速傳感器、傳輸線路進行監測，每塊測速模塊E1667不僅接收本通道的轉速脈沖信號，同時還接收其它兩個通道的轉速脈沖信號，并持續地對三個通道的轉速脈沖信號進行比對，如果某通道的轉速信號與其它兩個通道的轉速信號有明顯偏差，則認定該通道傳感器有故障。

（2）每塊測速模塊均可向外輸出轉速脈沖信號，以供其它設備使用。

（3）汽輪機轉速超過設定的保護動作轉速值（SPl）、轉速傳感器故障及供電中斷時，E1667的兩個超速保護繼電器輸出兩路相互獨立的失電跳機信號。

（4）測試模塊E1691可對測速模塊E1667進行“定期自診斷檢測”和“外部測試”，為了避免在對測速通道進行測試時引起誤動，在用“外部測試”方式測試，其他兩個通道都被閉鎖;測試模塊進行“定期自診斷檢測”時，依次給各個測速模塊輸出高于或低于SP1的轉速信號，相應通道在高于SP1時出現超速跳機信號，低于SP1時不出現超速跳機信號，最后再依次輸出“強制跳機”信號，相應通道出現跳機信號，如果在測試和巡檢中發現某一通道出現錯誤，則巡檢過程自動被終止，同時，系統由三取二轉為二取一，并向外發出“ 系統故障”信號。

（5）磁阻探頭SFS-2用于對現場轉速信號的檢測。

E16型超速保護系統的采樣時間為5 ms，整體響應時間小于 15 ms，能滿足超速保護快速性要求。

3 ?改造方案

改造的設計思想是：拆除原可靠性差、技術落后的機械超速危急遮斷系統，增設一套E16型電子超速保護系統、增設就地手動機械停機按鈕，從而構成DEH（Digital Electro-Hydraulic System）超速保護控制（0PC（Overspeed Protection Controller））、ETS電子超速保護系統一（原系統配置）、ETS電子超速保護系統二（本次改造新增）和就地手動停機按鈕（本次改造新增）四道安全屏障，按分層保護的設計原則，設計超速保護動作轉速分別為3090轉/分（103%）、3300轉/分（110%）、3300轉/分（110%），當機組轉速上升至103%額定轉速時，DEH系統的“二取一”OPC電磁閥組帶電動作泄去超速保護控制總管OPC油壓，快速關閉調速汽門、再熱調速汽門;超速事故工況下，當機組轉速上升至110%額定轉速時，兩套電子超速保護裝置中任一套動作，輸出超速跳機信號，不經過ETS系統直接送AST電磁閥組泄去危急遮斷總管AST油壓，主汽門、調速汽門、再熱主汽門、再熱調速汽門快速關閉，汽輪機停機。

3.1取消機械超速危急遮斷系統

取消機械超速系統，相應取消整套危急遮斷油門復位裝置、噴油試驗手柄、噴油試驗閥門、危急遮斷油門、薄膜閥等。

3.2增設一套電子超速保護系統

增設一套采用“三取二”保護邏輯的德國BRAUN公司生產的E16型汽輪機專用轉速監測系統，設定保護動作轉速值為3300轉/分（110%），與原電超速定值相同。

增加的三個磁阻探頭安裝于兩個低壓缸之間的盤車齒輪上，齒數83齒。

3.3增設就地手動停機按鈕

就地緊急停機按鈕，安裝于汽輪機機頭附近，安裝位置牢固抗震動。

4 ?可能的問題

對于改造機組，取消機械超速保護系統后，傳統意義上防止飛車的最后一道屏障被替換，需加強對運行、維修人員的培訓，熟悉機組保護系統的特點。

電子超速保護系統的動作定值設置方便，應有專用的操作規程規范維修人員對定值的修改，防范參數設置錯誤引入人因風險危及機組安全。

5 ?結論

改造后的汽輪機超速保護系統，具有兩套“三取二”轉速測量裝置，啟機過程中，進行了全面的性能試驗，各項試驗均一次成功，超速動作定值正確可靠，定值修改十分方便，電超速試驗也可通過修改兩套系統的定值，在低轉速下驗證電超速系統的可靠性，從安全性上進一步降低超速試驗時的風險。

對核電汽輪機組進行的超速保護系統改造，既是技術進步的要求，更是安全生產的需要，秦山核電廠350MWe機組的改造證明了用電子超速保護系統替代機械超速危急遮斷系統在技術上是可行的。

參考文獻：

[1] 中國國家標準化管理委員會.GB/T 5578-2007 固定式發電用汽輪機規范[S].北京，2007.

[2] 中國機械工業聯合會.GB/T 10086-2001 汽輪機調節（控制）系統技術條件[S].北京，2001.

[3] 吳季蘭主編.汽輪機設備及系統[M].北京：中國電力出版社，1998：105-106.

（作者單位：中核核電運行管理有限公司）