650MW核電機組汽輪機超速保護系統性能及重要變更改造分析

李 倩

（中核核電運行管理有限公司 維修四處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

汽輪機是在高壓、高溫的蒸汽環境下高速運轉的大型旋轉機械設備，轉動部分工作時承受著相當大的離心力。隨著轉速的升高，其離心力會急劇上升，當超過極限轉速時，需要通過汽輪機超速保護裝置快速減小離心力、降低轉速，避免機組出現飛車事故。核電機組不同于火電機組等其它電廠，具有單機容量大、核安全要求高等特點。因此，汽輪機超速保護系統的可靠性是保證核電廠安全穩定運行的重要標準之一，對汽輪機超速保護的研究，具有極其重要的安全意義。

圖1 超速保護系統結構圖Fig.1 Structure diagram of over-speed protection system

1 汽輪機超速的原因及危害

汽輪機組的最高轉速在汽輪機調節系統動態特性允許范圍內稱“正常轉速飛升”，超過危急保安器動作轉速至3600r/min 稱“事故超速”，大于3600r/min 稱為“嚴重超速”。“嚴重超速”可以導致汽輪發電機嚴重損壞甚至報廢，是電廠的汽輪發電設備破壞性最大的事故[1]。

1.1 汽輪機超速的原因

汽輪機超速事故是由于汽輪機在調速和保護系統故障及本身的缺陷造成的，具體原因有很多：有如調門不能關閉或漏汽量大、抽汽逆止閥不嚴或拒絕動作、危急保安裝置拒動、AST（Auto Shut-down Trip 自動停機遮斷）電磁閥卡澀，主汽門或主調門卡澀等。

1.2 汽輪機超速的危害

汽輪機轉子的強度在設計上有一定要求，一般規定為額定轉速的110%～120%，零部件的強度裕量相對比較小。當轉速超過了其強度極限，可能會造成動靜摩擦、葉片斷裂、對輪松脫、大軸斷裂等嚴重事故，同時還往往伴有重大人員傷亡等特大事故。所以，一旦汽輪機發生超速且不可控時，往往會給電廠帶來巨大的破壞性事故，甚至是毀滅性災難。

2 秦二廠650MW擴建機組超速保護分析

2.1 超速保護系統結構

秦二廠650MW 擴建機組汽輪機的超速保護主要由DEH（Digital Electro-Hydraulic Control，數字電液控制）調節控制系統、ETS（Emergency Trip System，緊急停機系統）保護系統和機械式危急遮斷系統組成，如圖1 所示（注：此處僅為出廠時超速保護系統結構，后續技改增加硬件超速保護繼電器回路未提及）。在汽輪機前箱小軸的60齒位置有6 個轉速探頭，包括送TSI（Turbine Supervisory Instrument，汽輪機安全監測）系統的轉速探頭、零轉速探頭、送就地轉速表的轉速探頭、送DEH 的OA（Operator Auto， 操 作 員 自 動） 站 參 與OPC（Over speed Protect Controller，超速保護控制）動作的3 個轉速探頭。其中，送TSI 的兩個探頭為霍爾效應式的，其余送OA 的及送就地轉速表的均為磁阻式的。另外，盤車位置88 齒處也安裝有3 個磁阻式轉速探頭，送DEH 的ETS 站參與緊急停機功能。除此之外，還有1 套飛錘式危急遮斷裝置，實現了多層保護、冗余設置。

2.2 超速保護功能分析

2.2.1 OPC 103%超速保護

OPC 功能是超速保護的第一步手段，當汽機轉速等于或大于額定轉速的103%時，DEH 控制指令使主調節閥（GV）和再熱調節閥（IV）關閉。當轉速降低至103%以下時，GV 和IV 重新開啟。OPC 信號觸發后，一路送關閉指令給閥門，一路送OPC 電磁閥帶電打開卸油，進而再次確保閥門關閉，雙路控制雙保險。OPC 功能可實現超速的預保護，將超速事故消除在初始階段。另外，OPC 系統具有在線試驗功能，每次大修后可以在線檢測OPC 功能完整性。

2.2.2 CIV快關功能

CIV 功能（快關再熱調閥IV）一般發生在發電機部分甩負荷，一般情況為電網的短期故障（如瞬間短路），此時必須緊急甩去部分負荷來保持做功平衡。650MW 擴建機組汽輪機的低壓缸約帶70%的負荷，瞬間快速關閉再熱調閥，避免引起機組超速導致更大的事故。

當監測到汽機功率（低壓缸進汽壓力）超出電功率的80%時，CIV 命令發出，使再熱調閥快速關閉并保持0.5s，之后重新開啟；如果功率不匹配還存在，10s 后再熱調閥會再次動作，直到功率不匹配信號消失為止。隨著電網容量的擴大，從故障發生到處理的時間要求越來越短，必須迅速發出控制信號，希望在0.5s 內完成響應。650MW 擴建機組從DEH 控制系統發出命令至IV 閥門本體的完全關閉，經測定能夠在0.3s 內完成。

2.2.3 LDA失負荷預測

當汽機功率大于30%，且斷路器打開時，被認為是失負荷故障。此時，DEH 的設定值為額定轉速，LDA 發出命令同樣分兩路：一路使OPC 電磁閥動作卸油，一路讓所有GV 和IV 迅速關閉并保持2.4s 后再開啟，實際轉速由PID控制至3000RPM。

采用了失負荷預測功能后，能夠減少OPC 的動作次數，較快地達到目標轉速，極大地降低了超速風險，且保證了用電品質，減少了瞬態事件的概率。秦二廠650MW 擴建機組在調試期間的100%功率（650MW）下的甩負荷試驗趨勢如圖2 所示，OPC 僅動作3 次就已將汽機轉速穩定在3000 RPM，控制品質良好，負荷預測功能有效。

圖2 調試期間100%功率下甩負荷試驗趨勢圖Fig.2 Trend diagram of load rejection test under 100% power during commissioning

2.2.4 110%電超速保護

現場盤車位置的3 個轉速探頭將測得的轉速信號送到ETS 機柜3 個高速轉速處理卡件，經過中選后的轉速模擬量信號通過閾值判斷送至ETS 邏輯中的兩個跳閘通道，最終使得4 個AST 電磁閥失電卸去AST 油壓實現機組停機，以防系統超速。

2.2.5 危急遮斷保護

飛錘式機械超速和電氣超速遮斷值整定在同一轉速，它是由位于轉子外伸軸上一個橫穿孔中的受彈簧載荷的遮斷重錘所組成。當汽輪機轉速達到遮斷整定值時，所增加的離心力克服了彈簧的壓力，就將遮斷重錘擊出并打擊在拉鉤上。拉鉤移動，使杯閥離座而將機械超速和手動遮斷總管中油壓泄掉。該總管中的油壓驟跌，作為接口的薄膜閥動作，將卸去AST 母管油壓實現汽輪機停機[2]。

2.2.6 手動打閘

秦二廠650MW 擴建機組分別設有就地手動遮斷手柄和主控手動停機按鈕兩種手動打閘方式，供運行人員進行人為的停機操作。

利用主控停機按鈕的兩副常開觸點，通過硬接線送到DEH 的ETS 站，經邏輯判斷輸出到AST 電磁閥，使AST電磁閥泄油實現汽輪機停機。利用機頭的手動脫扣手柄，可以使保安油卸壓實現停機。就地手動脫扣作為汽機保護脫扣的最后一種手段，在其他手段失效時，操作人員可到機頭進行手動脫扣。

3 關于增加超速跳機和手動打閘硬件回路的變更改造

3.1 變更原因

650MW 擴建機組原出廠設計的超速保護系統功能已非常成熟，但仍存在兩點問題：

1）650MW 擴建機組出廠設計時超速保護相關汽機保護信號，包括超速信號、主控的緊急停機按鈕信號，全部送ETS，通過DPU 處理后再輸出指令給AST 電磁閥，過于依賴于上層邏輯控制系統，一旦上層邏輯控制系統的ETS系統自身功能發生故障或崩潰，則不能保證有效地停機。

2）ETS 電超速保護采用系統自帶的新型帶芯片的智能轉速卡，卡件本身帶有閾值繼電器，能夠不經過DPU 直接完成閾值運算后輸出干觸點至AST 電磁閥，且掃描周期極為迅速，僅為10ms。如按初始設計只將速度信號送ETS 的DPU，需經過50ms 的周期運算時間才能跳機。對于汽機保護，尤其是超速保護，越快響應則越安全，很可能是僅僅提高了毫秒級的響應即能夠避免一次飛車事故。

3.2 增加電超速硬件跳機

考慮以上存在的問題，秦二廠650MW 擴建機組對汽機超速增加了硬件跳機項，通過增加一個繼電器組搭建邏輯和AST 電磁閥的控制串接起來。這不僅將超速卡件自身閾值繼電器的功能利用了起來，同時原有的模擬轉速信號繼續送ETS 參與邏輯運算。

總的來說，秦二廠650MW 擴建機組電超速停機，增加了一路不經過DPU 的硬件跳機控制回路，除了讓保護系統更加可靠之外，也增加了保護系統的敏捷性，可以更迅速地實現超速停機。即秦二廠650MW 擴建機組的汽輪機110%電超速保護，實質上有兩套電控系統。

3.3 增加手動打閘硬件回路

在ETS 機柜中增加兩個手動停機繼電器，分別連接到手動停機按鈕的兩副常開觸點。將兩個手動停機繼電器的各一副常閉觸點送到ETS 系統DI 通道，由ETS 系統邏輯判斷輸出到 AST 電磁閥，將兩個手動停機按鈕的各兩副常閉觸點直接串接到AST 電磁閥控制回路。這樣就變成了包含繼電器控制回路和邏輯運算回路兩種保護方式的手動跳閘系統，保證了手動緊急停機保護的可靠性。

增加后的超速保護系統結構示意圖如圖3 所示。

4 增加機械超速動作或就地打閘監視的優化

由于機械超速和電氣超速遮斷值基本一致，在進行超速試驗時，為了便于主控操縱員及DEH 工程師第一時間捕捉機械超速跳機信號，在《取消650MW 擴建機組汽機遠傳氣動掛閘》的變更改造中，增加了薄膜閥上腔室壓力開關，以實現對薄膜閥上腔室油壓進行監視（機械超速動作或就地打閘），增加了薄膜閥上腔式油壓監控后的超速試驗曲線更加直觀。

圖3 增加硬件跳機后的超速保護系統結構Fig.3 New structure diagram of over-speed protection system

5 取消機械超速變更改造可行性分析

650MW 擴建機組計劃在405、306 大修中，實施對兩臺機組的取消機械超速的變更改造工作。

5.1 機械超速的可靠性分析

超速試驗本身是一項“破壞性”試驗，需要機組模擬超速工況。尤其是機械超速試驗必須將汽輪機真實沖轉至3300rpm 左右才能進行試驗，且如果試驗不合格，需停機調整并重新并網帶負荷運行8h 后，再次試驗。

另外，由于機械飛錘式危急遮斷器設備本身由飛錘、彈簧、調節螺母等一系列部件組成， 各部件存在松脫的可能，誤動風險較大；又容易受油質影響，出現液壓元件、閥門的卡澀，拒動風險偏高；響應滯后且需定期保養和試驗，維護成本較高。

所以綜上所述，機械式危急遮斷器存在較大隱患，國內也有多個電廠曾發生過危急遮斷裝置故障導致機組運行期間誤跳機的事例。

5.2 電超速的可靠性分析

電超速由于其自身功能完善，邏輯設計合理，且響應快速、準確，不存在類似機械式危急遮斷裝置的弊端。加上秦二廠650MW 擴建機組電超速有邏輯、硬件“雙保險”，相對來說電超速的安全可靠性、穩定性都更勝于機械式超速。

如果能取消機械超速，用雙電超來替代，機組可以在任一轉速下進行超速性能試驗，即只需驗證電超速邏輯指令正常且繼電器動作閾值正常，不需要機組真實“超速”，提升了機組的壽命，并且可以省去并網后的8h 暖機，大幅度提升了電廠效益。

但電超速探頭偶有發生失效故障，之前秦二廠1 號機組超速保護探頭ETSSPD1 在2016 年5 月9 日機組滿功率運行時突然失效，變為壞點、轉速顯示為0，經檢查判斷該磁阻探頭已損壞。用于超速的中選塊功能性較強，可以在確定3 個通道質量報警狀態、是否有報警偏差、是否有控制偏差等不同種狀態下，選擇合理、恰當的轉速值輸出。所以，其實在當前只有一個探頭故障的情況下，也可以不作任何干預，此時超速跳機的功能性和安全等級完全沒有降低，只是誤動性略有增加。最終考慮機組安全，并權衡電廠效益，1 號機組辦理了臨時變更在DEH 中將故障的ETSSPD1 探頭點質量強制為good，測量值強制為3000rpm。此狀態下，考慮極端情況若又有一個超速探頭故障，按照西屋公司原設計的超速保護也是允許在兩個超速保護探頭故障的情況下繼續運行的（3 個超速保護探頭在ETS 中使用中選算法，如果兩個探頭故障，第3 個探頭正常，則取第3 個探頭輸出與3300rpm 比較，超出則跳機）。現階段，正在討論、研究相關變更改造，分析是否能引入控制用轉速信號參與超速保護，減少單純探頭故障而導致的發電量損失及降低在兩個超速保護探頭故障情況下的運行風險。

5.3 國內、外取消機械超速的案例調研

目前國內大多數的汽輪機機組，依然保留著機械超速危急遮斷裝置作為超速保護的最后一道安全屏障。但國外的西門子和阿爾斯通等知名公司，十幾年前已全面淘汰了機械超速保護裝置，增加了一套電氣超速保護系統。河北邯峰、山西陽城、山東日照、華能福州等電廠也采用取消機械超速危急遮斷器的設計，且至今也沒有關于保護系統故障的案例報道[3]。目前，秦山方家山擴建機組出廠也無機械超速的設計和裝置。

5.4 秦二廠650MW擴建機組取消機械超速的可行性

秦二廠650MW 擴建機組之前改造已利用控制平臺的自身優勢，將電超速變成邏輯、硬件“雙控模式”，雖然其測量裝置（超速探頭）及最終執行裝置（AST 電磁閥）還是共用的一套裝置，但是增加的卡件硬件跳機比邏輯跳機響應更準確、及時，再次證明了基于原本控制平臺的電超速系統保護功能更強大、系統更穩定。另外，加上機械超速本身存在些許弊端，如有更合適、更安全的方式可以考慮替代。

6 結論

目前秦二廠650MW 擴建機組的超速保護系統功能完整、有效，在防止汽輪機超速的相關試驗、規程、PM 項中，已經基本涵蓋了必要的技術防范措施，對于一些可以細化和改進的部分，也通過變更改造不斷優化。

防止汽輪發電機組出現超速事故，最重要、最根本的是基于DEH 調節系統的正常調節功能來完成，而不是單純依靠作為“最后一道屏障”的停機保護來實現。秦二廠650MW 擴建機組的100%甩負荷試驗已證明當前的DEH調節系統有能力對機組瞬態工況進行控制；對于利用平臺優勢對電超速進行的“軟、硬結合”的雙控制改造應用，在目前現有的擁有一套電超速、一套機超的機組中，也處于領先位置。

在“一電、一機”的模式下，秦二廠650MW 擴建機組的超速保護性能已經優化至最高級別，但相對于“雙電超”保護模式，機械超速保護仍有其自身固有的劣勢，且目前“雙電超”已是西屋公司一套非常成熟、完整的汽機保護系統，所以秦二廠650MW 擴建機組對于“雙電超”的變更改造勢在必行。

本文旨在針對西屋公司生產制造的秦二廠650MW 的汽輪發電機組的超速保護進行優化分析，對于同類型、同廠家機組具有一定的借鑒意義。當然，優化超速保護系統本身的同時，仍需要不斷提高機組大、小修檢修質量，規范運行人員及維修人員的相關技能操作。