某核電廠汽輪機機械超速遠程注油試驗失效分析

袁鳳學

（三門核電有限公司 維修處，浙江 臺州 317112）

浙江某核電廠一期工程汽輪機采用日本三菱重工技術，汽輪機為單軸、四缸、六排汽的反動凝汽式核電汽輪機，額定功率1251MW，額定轉速1500r/min[1]。為防止汽輪機超速，設置了超速保護控制（107.5%）、機械超速保護（110%）和電氣超速保護（111%）。其中，機械超速和電氣超速在機組功率運行期間每月執行1 次試驗。本文從機械超速跳閘（MOST）遠程注油試驗時發生的壓力信號異常而導致試驗失敗的案列出發，分析壓力信號在該類試驗中的重要性，并提出優化方向。

1 MOST原理

該核電廠汽輪機MOST 裝置安裝在汽輪機主油泵軸的末端。包括帶壓縮彈簧和注油孔的偏心飛錘、脫扣扳機、滑閥、危急跳機活塞閥、就地復位手柄、遠程復位裝置、節流孔板、試驗三通電磁閥以及相關的儀表和管線等[2]。如圖1 所示。

圖1 汽輪機機械超速跳閘原理圖Fig.1 Mechanical over speed trip system of turbine

機組正常運行時，飛錘的彈簧力大于飛錘的離心力，飛錘受彈簧約束不會飛出。當汽輪機實際轉速上升到MOST 的設定值時，飛錘將克服彈簧阻力從小孔中飛出，撞擊脫扣扳機，打開滑閥，自動停機油排出。危急跳機活塞閥由自動停機油壓保持在關閉狀態，當自動停機油排出后，危急跳機活塞閥開啟，危急跳機油排出，危機跳機油壓低導致所有汽輪機進汽閥關閉，汽輪機停機。

2 MOST遠程注油試驗

MOST 遠程注油試驗是通過高壓油沖擊飛錘，使飛錘飛出撞擊脫扣扳機，危急跳機油排出，危機跳機活塞閥打開，EH 油壓（圖1 的P3 處）釋放[3]。具體試驗步驟如下：

2.1 試驗步驟

1）在試驗選擇模式界面中選擇“機械超速”。

2）操作“MOST 試驗閉鎖”按鈕，使SV-MOST（SV125）電磁閥（S-1）通電，關閉（P1）處的危急跳機油至（P3）處的排油，以防止在試驗中由于危急跳機活塞閥開啟，關閉汽輪機進汽閥。

3）為了確認以上MOST 試驗閉鎖狀態，在EH 油管路上安裝了2 個節流孔。2 個節流孔之間的壓力（P4）比危急跳機油壓（P1）設置的稍低（相差約3.5MPa）。在MOST試驗閉鎖動作時，（P3）處的壓力等于（P4）處的壓力。差壓開關DPS-DMOST（PDS072）檢測（P1）和（P3）之間的壓差，用來在主控界面指示“正在進行MOST 試驗”。

4）通過持續按下“試驗投入”按鈕，SV-OST（SV044）一直帶電開啟，MOST 試驗油供到飛錘的下面。MOST 試驗油壓沖擊力大于彈簧約束力時，飛錘飛出。

5）當飛錘飛出時，通過PS-MOST2（PS026）檢測到MOST 自動停機油壓減少。

6）自動停機油壓減少使危急跳機活塞閥開啟，危急跳機油壓（P3 和P4）與排油壓力相等。PS-MOST1（PS073）檢測到危急跳機油壓減少，操作員也可以通過PS073 的指示來確認系統正常。

2.2 試驗復位

1）釋放“試驗投入”按鈕。

2）SV-OST（SV044）失電關閉，到飛錘的MOST 試驗油管路關閉。

3）通過操作“試驗復位”按鈕，汽輪機復位電磁閥（SV-OSTR）（SV090）通電開啟；汽輪機遠程復位裝置動作，機械超速跳閘裝置復位；限位開關（ZS051）檢測汽輪機的復位狀態；自動停機油壓回到正常值，危急跳機活塞閥關閉。

4）危急跳機油壓（P3 和P4）回到“試驗投入”操作前的值（通過PS073 判斷）。

5）SV-MOST（SV125）的S-1 失電，S-2 帶電。SVMOST 的兩端壓力（P1 和P3）相等，差壓開關DPSDMOST（PDS072）檢測到SV-MOST 復位。“MOST 試驗閉鎖”狀態指示消失。

6）在試驗選擇模式界面中，選擇“模式選擇切除”按鈕，由試驗模式回到正常位置。

表1 MOST遠程注油試驗過程中壓力信息Table 1 Pressure status during the remote MOST oil injection test

3 MOST遠程注油試驗失效分析

同類型機組中發生過兩次因壓力信號異常導致MOST遠程注油試驗失敗的案例，其中1 例導致汽輪機跳機。MOST 遠程注油試驗過程中，壓力相關信號的變化見表1。

3.1 差壓開關DPS-DMOST（PDS072）異常，導致試驗不成功

故障現象：執行完畢2.2 節中的步驟3）之后，步驟5）中的差壓開關PDS072 沒有按照預期復位（對應表1 中的狀態5），無法通過壓力信號（PDS072）確認MOST 功能是否恢復正常。

處理過程如下：1）實驗室校驗差壓開關PDS072，正壓側打壓大于1.5MPa，負壓側對大氣，校驗動作30 次均動作正常；2）檢查差壓開關PDS072 對應卡件通道，模擬動作30 次，通道響應正常；3）檢查三通電磁閥SV125 線圈阻值絕緣均正常；4）在圖1 中的P3 處安裝臨時精密壓力表，確認油管道壓力正常；5）在表1 中的狀態1 與狀態2 之間往返切換30 次，差壓開關PDS072 均動作正常；6）通過執行20 次MOST 遠程注油試驗，前15 次正常，后5次試驗中差壓開關PDS072 沒有復位，試驗不成功；7）在實驗室再次校驗PDS072，單側打壓13.5MPa（模擬現場工況），10min 后迅速釋放壓力，PDS072 無法復位，輕輕敲擊后，PDS072 成功復位，重復多次后仍能復現；8）校驗PDS072 新備件，未出現上述異常現象。說明該壓力開關在單側高靜壓持續受壓后，無法快速恢復形變，導致動作異常。經查詢，機組調試期間在高壓油還未可用時，為執行汽輪機汽閥試驗，將SV125 長期置于閉鎖狀態（即圖1 中P1 處壓力為13.5MPa，P3 壓力為0），導致PDS072 長期處于單側高靜壓環境，更換新備件后，運行3 年未出現異常。

3.2 壓力開關PS-MOST1（PS073）異常，導致汽輪機停機

故障現象：執行完成2.1 節中的步驟6）之后，壓力開關PS073 應該處于表1 中的狀態3，即值為1。而實際PS073（值為1）僅保持0.2s 后就自動復位了。執行完畢2.2節中的步驟3）之后，由于PS073 信號已經提前復位（實際圖1 中P3 處油壓還未恢復），邏輯中自動將SV125 解鎖（圖1 中P1 與P3 連通），危急跳機油排出，導致危急跳機油壓低，汽輪機停機。

處理過程：1）審查壓力開關PS073 最近校驗記錄和通道回路檢查記錄，均正常；2）檢查與PS073 同卡件的其他信號通道均正常；3）檢查試驗過程中，對應機柜處理器和卡件無異常報警；4）機組掛閘后再次執行3 次MOST 遠程注油試驗，均成功；5）由于短時無法復現故障現象，機組正常啟動運行，待停機檢修窗口再次進一步排查，同時在MOST 試驗程序中增加操作前后對PS073 狀態的確認步驟，避免PS073 的再次異常。PS073 長期工作壓力為13.5MPa，動作值為≤3.9MPa，工作壓力和動作壓力相差較大，不排除感壓元件疲勞引起設定值瞬間異常的可能。

4 MOST遠程注油試驗優化方向

由試驗過程可知，油壓信號的響應是判斷試驗是否成功的標志，同時油壓信號異常也將導致試驗提前解鎖，進而引起汽輪機停機。針對壓力信號的重要性，提出以下優化方向。

4.1 差壓開關的改進

由4.1 節的分析可知，差壓開關PDS072 長期處于單側高靜壓環境將影響其動作的靈敏性，機組正常運行期間僅在MOST 定期遠程注油試驗時才會使PDS072 形成單側高靜壓環境，且持續時間較短，對PDS072 的影響可以忽略。但是在機組大修期間，若高壓油還未可用時需要操作汽輪機進汽閥，則仍然會閉鎖SV125，使得PDS072 長期處于單側高靜壓環境，此時可以在閉鎖操作前，先將PDS072 的儀表隔離閥關閉，平衡閥打開，以保護PDS072 的性能。

4.2 壓力開關的改進

根據壓力開關PS073 的作用，有兩種改進方式：一種增加壓力測點保障信號可靠；一種修改邏輯實現手動解鎖。

1）PS073 參與邏輯自動解鎖SV125，如果試驗期間異常，將會導致嚴重后果，可在PS073 取壓口處（圖1 中P3處）增加1 個壓力測點，連接壓力變送器，將壓力變送器通過定值（≤3.9MPa）觸發后的信號與PS073 的信號共同參與邏輯，避免單個設備故障而誤觸發邏輯信號。同時也可在PDS072 異常時，判斷圖1 中P1（已經配置壓力變送器）與P3 之間的壓差，進而判定MOST 試驗成功與否。

2）取消自動解鎖SV125 的邏輯。為避免壓力信號異常再次引起嚴重事故，可取消自動解鎖邏輯，通過在畫面增設獨立操作按鈕，實現手動解鎖功能。

5 結束語

汽輪機MOST 定期遠程注油試驗，是為了驗證MOST的飛錘能夠正常飛出、危急跳機活塞閥能夠正常打開等功能，試驗期間若壓力信號異常將影響試驗結果甚至導致汽輪機跳機事件。文中通過分析MOST 的動作原理和遠程注油試驗過程，提出了壓力信號的改進建議，保證了MOST遠程注油試驗的可靠性和安全性，為后續同類型機組的試驗改進提供了方向。