汽輪機超速保護系統改進技術研究

朱勝濤 呂永煥 沈艷強

摘要：機械超速作為汽輪機超速保護手段，在汽輪機發展中發揮了重要作用。但隨著計算機技術的不斷發展，儀控技術的可靠性和穩定性不斷提升，機械超速的復雜結構、供油回路、注油試驗和真超速試驗等給電廠的運維、檢修等帶來了較大的不便，同時影響大修后并網時間，經濟性較差。本文結合國內外汽機廠的技術發展和應用，對第三代核電AP1000汽輪機超速保護系統進行改進分析，并提出改進方案。

關鍵詞：機械超速;電超速;改進

中圖分類號：TM311文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2021）12-0068-02

0引言

隨著儀控系統的不斷發展，特別是數字化儀控的不斷應用，穩定性、可靠性、準確性和響應速度不斷提高，汽輪機電超速保護優勢越來越明顯，機械超速本身復雜的機械結構、油回路、維護困難、拒動和誤動風險等問題日益顯現，無機械超速設計已是國內外汽機超速保護的發展方向。采用第三代核電技術AP1000建造的三門核電一期工程，其汽輪機超速保護系統采用“機械超速+MTP電超速”配置方案，本文將以其為例，進行超速保護系統改進研究分析。

1AP1000汽輪機超速保護概述

1.1機械超速保護

汽輪機機械超速裝置采用飛錘式危急保安器，位于汽機前軸承箱，在轉子立面上該飛錘重心為偏心布置。飛錘由彈簧控制，并通過調節螺母調整飛錘飛出的離心力所對應的轉子轉速。當汽輪機轉速達到了機械超速設定值，飛錘所受離心力增大飛出，進而撞擊碰鉤，碰鉤動作后打開了危急遮滑閥，使得保安油卸壓。一旦保安油卸壓，用于壓制隔膜閥彈簧的油壓力喪失，從而打開隔膜閥，將AST母管中的油卸壓，關閉汽輪機進汽閥門，最終實現緊急跳機。

1.2電超速保護

電超速保護方案采用三個磁阻轉速探頭，分別送到四個MTP機柜進行超速邏輯判斷（MTP執行電超速的設定值為111%額定轉速），經三取二后產生跳機邏輯，如圖1所示。

1.3機械超速保護存在的問題

隨著網控及汽輪機控制技術的發展，對汽輪機運行的安全性、穩定性提出了更高的要求，機械超速保護系統的固有不足及真超速試驗中存在的巨大風險開始凸顯。機械超速系統結構復雜，對油質要求高，油液污染會帶來設備銹蝕、卡澀等不利影響，產生保護“拒動”或“誤動”風險，且進行機械超速試驗影響二次并網時間，經濟性較差。

2汽機超速保護改進方案

2.1雙電超速保護可行性方案

根據三門核電一期工程汽輪機超速保護系統配置特點，取消機械超速，增加一套電超速，形成獨立電超速保護和原有的MTP超速保護的“雙電超”，可行改造方案如下：

（1）取消MOST相關設備部件和管道，包括危急遮斷器滑閥、危急遮斷活塞閥、掛閘裝置、就地打閘裝置等;

（2）增加一套就地打閘的滑閥裝置，緊急狀態下就地手動泄放AST母管油壓;

（3）增加一組“兩或一與”跳閘電磁閥組;

（4）增加一套三冗余獨立電超速控制柜;

（5）增加一組三用一備的就地轉速探頭等。

新增獨立電超速保護邏輯如圖2所示，其裝置的電子設備獨立于DCS及TSI，通過三冗余結構，以三取二的方式實現機組的超速保護，該裝置能快速響應汽機轉速變化，有效應對超速工況，并及時輸出跳機指令，防止汽機超速，確保汽機安全。其有三路輸入，相應設置三個模塊（A/B/C），每個模塊獨立接收三個轉速信號，并通過內置超速保護整定值對實際轉速做高限判斷，然后送出兩路繼電器輸出。三個模塊共計六路繼電器輸出在三取二表決后，經繼電器擴展輸出跳閘信號，其中四路驅動四個新增的跳機電磁閥。

新增電超速保護完全獨立于MTP電超速保護，滿足國標和二十五項規定的要求。改進后兩套電超速保護動作定值設置如下：

（1）110%獨立電超速保護：在事故工況下，轉速升至110%額定轉速時，獨立電超速保護裝置輸出兩路超速跳機信號，直接送獨立電超速電磁閥組，實現汽輪機跳閘;

（2）111%MTP超速保護：111%ETS（MTP）超速保護：當汽輪機轉速升至111%時，ETS（MTP）使AST電磁閥組快速泄放AST停機遮斷油路油壓，實現汽輪機跳閘。

2.2獨立電超速相對機械超速的優勢

（1）精度高：三路轉速傳感器測量范圍為0—4999rpm;轉速傳感器測量精度n≤±1rpm;轉速卡轉速測量周期T≤5m/s;轉速判斷至繼電器動作輸出時間≤20m/s。

（2）可靠性高：機械超速裝置由于機械結構原因，撞擊子容易出現卡澀及動作值偏移等問題，而采用電超速模塊，動作值可靠性高達99.9%。

（3）易維護：機械超速裝置安裝于汽輪機前軸承箱，結構復雜維修難度大;而電子式超速，在汽輪機轉子上只有測速支架及轉速探頭，且都為成熟配置方案，易于維護。超速保護控制柜布置于電子間，設計有自動超速試驗功能，便于巡檢及定期試驗。

（4）節省空間：機械超速裝置占用前箱較大空間，采用電子式超速后可拆除機械超速所有裝置，新增設備占用空間有限。

3雙電超保護方案分析

3.1可靠性分析

3.1.1成熟產品

本方案獨立電超速采用WOODWARDProTech-GII系列超速測量裝置，該模塊是徹底的三冗余結構，能夠接受冗余電源輸入，滿足IEC61508SIL-3（safetyintegritylevel，安全完整性水平）認證，并且在火電及核電領域大規模的應用。

3.1.2多樣性配置

新增獨立電超速裝置與原MTP電超速多樣化配置，如采用不同工作原理的轉速探頭、不同平臺的處理裝置、不同的電源來源等，能有效預防共模故障，提高可靠性，對比見下表1。

3.1.3電源可靠性分析

根據獨立電超速裝置的特性，配置兩路獨立且冗余的220VAC電源，并且通過冗余輔助電源模塊給相關繼電器和輔助供電。同時，引兩路220VDC電源給新增跳機電磁閥。

3.1.4交叉跳機

在此方案中，兩套電超速通過跳機電磁閥完成跳機保護動作。為進一步提高可靠性，可通過獨立電超速裝置與MTP相互跳機，避免部分設備故障帶來的拒動。該互跳配置能夠在任意一套控制模塊故障疊加任意一組跳機電磁閥故障的情況下實現跳機保護功能，提高了超速保護的可靠性。

3.2經濟性分析

以三門核電一期工程為例，汽輪機超速保護系統在實施變更改造后，每次大修將減少關鍵路徑時間10h左右;同時因消除了機械超速的不利因素，也提高電站的設備可靠性水平。

4結語

取消機械超速保護裝置是汽輪機超速保護系統的發展趨勢，對第三代核電技術AP1000汽輪機超速保護系統進行改進，取消了復雜的機械超速裝置系統，增加一套獨立的電超速保護裝置，其技術條件可行，同時也可極大的提高機組的安全性和經濟性。

參考文獻

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ResearchonImprovingTechnologyofOverspeedProtectionSystemfor

NuclearTurbine

ZHUShengtao，LVYonghuan，SHENYanqiang

（SanmenNuclearPowerPlant，TaizhouZhejiang317112）

Abstract：Asaprotectionmethod，mechanicalover-speedprotectionmakesagreatcontributiontothedevelopmentofturbine.Withtheimprovementofcomputertechnology，thereliabilityandstabilityofI&Chavebeenincreasing，incontrast，thecomplexconstruction，oilloop，oilinjectingtestandactualover-speedtestofmechanicalover-speedbringinconveniencetotheoperationandmaintenanceofthepowerplant，alsoimpactthegridconnectiontimeaswellastheeconomy.Combinedwiththeturbinetechnologydevelopmentandutilization，thispaperanalyzestheimprovementofAP1000nuclearturbineoverspeedprotectionsystem，andputsforwardtheimprovementplan.

Keywords：mechanicalover-speed;electricover-speed;improvement