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(tǒng)改造過程中，針對機械超速危急遮斷系統(tǒng)存在的不足，提出以電子超速保護系統(tǒng)替代，并對超速保護改造方案及有關(guān)設(shè)備的選擇進行了分析，經(jīng)過現(xiàn)場實施后，取得了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】汽輪機;機械超速危急遮斷系統(tǒng);電子超速保護系統(tǒng)

中圖分類號：TK文獻標志碼：B

0 ?引言

根據(jù)國家標準GB/T 5578-2007《固定式發(fā)電用汽輪機規(guī)范》、GB/T 10086-2001《汽輪機調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)一起配置或只配置電子超速保護系統(tǒng)[1][2];根據(jù)國外核電廠運行經(jīng)驗，國內(nèi)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(jīng)長期穩(wěn)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(tǒng)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(jié)。截止到2019年，秦山核電廠已安全穩(wěn)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(shè)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(tǒng)介紹

1.1機械超速危急遮斷裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

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

機械超速危急遮斷系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)形式的不同，危急保安器可分為飛錘式或飛環(huán)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(jié)構(gòu)示意圖。它裝于機頭側(cè)的汽輪機主軸4上，由飛錘1、彈簧3和調(diào)整螺母5等主要部件組成。由于飛錘的重心Q和旋轉(zhuǎn)中心O偏離r0，故稱為偏心飛錘。彈簧3一端作用在調(diào)整螺母5上，另一端支在飛錘凸肩上，當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速低于飛錘的動作轉(zhuǎn)速時，彈簧力大于飛錘的離心力，飛錘處于圖示位置不動。當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速高于飛錘動作轉(zhuǎn)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(guān)閉主汽門、調(diào)速汽門、再熱主汽門、再熱調(diào)速汽門，汽輪機迅速停機。在汽輪機轉(zhuǎn)速降低的過程中，飛錘的離心力逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速低到某一數(shù)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(diào)整螺母5用以改變彈簧的緊力，以便調(diào)整飛錘的動作轉(zhuǎn)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(xiàn)在以下五個方面：

第一，試驗、檢測極不方便且充滿風(fēng)險。超速危急保安器是一個機械部件，要檢測和調(diào)整其動作轉(zhuǎn)速值，必須在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行，無論采用什么方式設(shè)定動作轉(zhuǎn)速值（如在現(xiàn)場機組或?qū)Ｓ迷囼炑b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(tǒng)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(tǒng)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(fā)超速，甚至發(fā)生毀機惡性事故。據(jù)美國保險公司統(tǒng)計，汽輪發(fā)電機組發(fā)生超速毀機惡性事故，50%左右發(fā)生于超速試驗中。

第二，機械超速危急遮斷系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)故障，危急遮斷系統(tǒng)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(tǒng)特點，決定了其遮斷動作值是一個范圍，不定，在無首發(fā)記錄的ETS系統(tǒng)中，超速遮斷發(fā)生后，對判斷是電超速還是機械超速比較困難。

第四，國產(chǎn)300MWe機組軸封系統(tǒng)蒸汽泄漏仍是一個難題，潤滑油系統(tǒng)中帶水嚴重影響機械超速保護系統(tǒng)的工作可靠性，潤滑油系統(tǒng)中帶水、機械雜質(zhì)等油污染對機械超速危急遮斷系統(tǒng)部件產(chǎn)生銹蝕、卡澀，致使機械超速危急遮斷系統(tǒng)工作可靠性變差，既影響正常生產(chǎn)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(qū)動機構(gòu)中開面滲油、活節(jié)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(fēng)險。

2 ?電子超速保護系統(tǒng)介紹

2.1電子超速保護系統(tǒng)特點

電子超速保護系統(tǒng)（簡稱電超速，EOPS，Electronic Overspeed Protection Systems）是一套防止旋轉(zhuǎn)機械超速而損毀設(shè)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(zhuǎn)速傳感器為一次檢測元件，以智能處理器為監(jiān)控裝置，對被檢測的轉(zhuǎn)速信號進行計數(shù)和邏輯處理后輸出相應(yīng)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(tǒng)一般采用三套相同的監(jiān)控裝置對同一位置的轉(zhuǎn)速進行測量，經(jīng)“三取二”邏輯處理后輸出失電動作的保護信號。

現(xiàn)在，電超速保護系統(tǒng)還具有智能化自診斷功能，除隨時對轉(zhuǎn)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(tǒng)“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(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈沖頻率信號，定期或不定期地分別對各監(jiān)控裝置進行在線檢測，及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)控裝置的故障。

一般電超速系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，機組運行期間出現(xiàn)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(tǒng)的自診斷功能和模塊化的設(shè)計，所以最大限度地保證了電超速保護系統(tǒng)極高的可靠性。

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

正是以上電子超速保護系統(tǒng)的優(yōu)點，使之替代機械超速危急遮斷系統(tǒng)的條件已經(jīng)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(tǒng)的組成

德國BRAUN公司產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)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(tǒng)是通過了SIL/IEC61508認證的產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器，在機組靜態(tài)及運行狀態(tài)下對轉(zhuǎn)速傳感器、傳輸線路進行監(jiān)測，每塊測速模塊E1667不僅接收本通道的轉(zhuǎn)速脈沖信號，同時還接收其它兩個通道的轉(zhuǎn)速脈沖信號，并持續(xù)地對三個通道的轉(zhuǎn)速脈沖信號進行比對，如果某通道的轉(zhuǎn)速信號與其它兩個通道的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速脈沖信號，以供其它設(shè)備使用。

（3）汽輪機轉(zhuǎn)速超過設(shè)定的保護動作轉(zhuǎn)速值（SPl）、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信號，相應(yīng)通道在高于SP1時出現(xiàn)超速跳機信號，低于SP1時不出現(xiàn)超速跳機信號，最后再依次輸出“強制跳機”信號，相應(yīng)通道出現(xiàn)跳機信號，如果在測試和巡檢中發(fā)現(xiàn)某一通道出現(xiàn)錯誤，則巡檢過程自動被終止，同時，系統(tǒng)由三取二轉(zhuǎn)為二取一，并向外發(fā)出“ 系統(tǒng)故障”信號。

（5）磁阻探頭SFS-2用于對現(xiàn)場轉(zhuǎn)速信號的檢測。

E16型超速保護系統(tǒng)的采樣時間為5 ms，整體響應(yīng)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(shè)計思想是：拆除原可靠性差、技術(shù)落后的機械超速危急遮斷系統(tǒng)，增設(shè)一套E16型電子超速保護系統(tǒng)、增設(shè)就地手動機械停機按鈕，從而構(gòu)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(tǒng)一（原系統(tǒng)配置）、ETS電子超速保護系統(tǒng)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(shè)計原則，設(shè)計超速保護動作轉(zhuǎn)速分別為3090轉(zhuǎn)/分（103%）、3300轉(zhuǎn)/分（110%）、3300轉(zhuǎn)/分（110%），當(dāng)機組轉(zhuǎn)速上升至103%額定轉(zhuǎn)速時，DEH系統(tǒng)的“二取一”O(jiān)PC電磁閥組帶電動作泄去超速保護控制總管OPC油壓，快速關(guān)閉調(diào)速汽門、再熱調(diào)速汽門;超速事故工況下，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速上升至110%額定轉(zhuǎn)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(jīng)過ETS系統(tǒng)直接送AST電磁閥組泄去危急遮斷總管AST油壓，主汽門、調(diào)速汽門、再熱主汽門、再熱調(diào)速汽門快速關(guān)閉，汽輪機停機。

3.1取消機械超速危急遮斷系統(tǒng)

取消機械超速系統(tǒng)，相應(yīng)取消整套危急遮斷油門復(fù)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(shè)一套電子超速保護系統(tǒng)

增設(shè)一套采用“三取二”保護邏輯的德國BRAUN公司生產(chǎn)的E16型汽輪機專用轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)定保護動作轉(zhuǎn)速值為3300轉(zhuǎn)/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(shù)83齒。

3.3增設(shè)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(tǒng)后，傳統(tǒng)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(xùn)，熟悉機組保護系統(tǒng)的特點。

電子超速保護系統(tǒng)的動作定值設(shè)置方便，應(yīng)有專用的操作規(guī)程規(guī)范維修人員對定值的修改，防范參數(shù)設(shè)置錯誤引入人因風(fēng)險危及機組安全。

5 ?結(jié)論

改造后的汽輪機超速保護系統(tǒng)，具有兩套“三取二”轉(zhuǎn)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(tǒng)的定值，在低轉(zhuǎn)速下驗證電超速系統(tǒng)的可靠性，從安全性上進一步降低超速試驗時的風(fēng)險。

對核電汽輪機組進行的超速保護系統(tǒng)改造，既是技術(shù)進步的要求，更是安全生產(chǎn)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(tǒng)替代機械超速危急遮斷系統(tǒng)在技術(shù)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(fā)電用汽輪機規(guī)范[S].北京，2007.

[2] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會.GB/T 10086-2001 汽輪機調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)技術(shù)條件[S].北京，2001.

[3] 吳季蘭主編.汽輪機設(shè)備及系統(tǒng)[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）