汽輪機(jī)保護(hù)和脫扣系統(tǒng)的優(yōu)化與改造

劉 林

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

汽機(jī)保護(hù)和脫扣系統(tǒng)的功能是當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生任何預(yù)定的機(jī)械故障或發(fā)變組出現(xiàn)故障時(shí)，為汽輪機(jī)提供安全停機(jī)的手段，防止事故發(fā)生、擴(kuò)大和設(shè)備損壞。因此，脫扣裝置至關(guān)重要，既要防止誤動(dòng)，又要防止拒動(dòng)。

1 汽輪機(jī)保護(hù)和脫扣系統(tǒng)概況

汽輪機(jī)保護(hù)包括甩全負(fù)荷保護(hù)、甩部分負(fù)荷保護(hù)、超速保護(hù)。脫扣由汽機(jī)自動(dòng)保護(hù)裝置（ETS）實(shí)現(xiàn)。汽機(jī)共有18個(gè)閥門(mén)，其中2個(gè)主汽閥、4個(gè)主調(diào)閥、6個(gè)再熱主汽閥和6個(gè)再熱截止閥。汽機(jī)脫扣是使這18個(gè)閥門(mén)全部關(guān)閉。

1）甩全負(fù)荷保護(hù)：當(dāng)由于電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)跳閘或電網(wǎng)解列僅帶廠用電運(yùn)行時(shí)，DEH系統(tǒng)能立即關(guān)閉主調(diào)閥和再熱截止閥，并在延遲一段時(shí)間后，再自動(dòng)將主調(diào)閥和再熱截止閥重新開(kāi)啟，維持汽輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)（或帶廠用電運(yùn)行）；2）甩部分負(fù)荷保護(hù)：當(dāng)由于電氣故障引起汽輪發(fā)電機(jī)功率突降，從而使汽輪機(jī)實(shí)發(fā)功率與發(fā)電機(jī)功率不匹配時(shí)，DEH系統(tǒng)能立即關(guān)閉再熱截止閥（然后開(kāi)啟）；3）超速保護(hù)：當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的103%時(shí)，DEH系統(tǒng)能作用于快關(guān)閥門(mén)回路；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的110%時(shí)，DEH系統(tǒng)能發(fā)出指令，關(guān)閉主汽門(mén)和調(diào)節(jié)汽門(mén)，防止進(jìn)一步超速。

汽機(jī)自動(dòng)保護(hù)裝置（ETS）用以監(jiān)視汽輪機(jī)的某些參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)超過(guò)其運(yùn)行限制值時(shí)，該系統(tǒng)就關(guān)閉全部汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)汽閥門(mén)，緊急停機(jī)。這些參數(shù)是：遠(yuǎn)方手動(dòng)停機(jī)、汽機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)動(dòng)作轉(zhuǎn)速、真空低于極限值、潤(rùn)滑油壓下降超過(guò)極限值、轉(zhuǎn)子軸向位移超過(guò)極限、汽機(jī)差脹超過(guò)極限值、推力瓦溫度超過(guò)極限值、汽機(jī)軸振動(dòng)達(dá)到危險(xiǎn)值、軸承潤(rùn)滑油壓力低保護(hù)、抗燃油壓過(guò)低、發(fā)電機(jī)保護(hù)、DEH故障信號(hào)、反應(yīng)堆的信號(hào)。ETS系統(tǒng)布置成“與——或”門(mén)的通道方式，即可防誤跳也可防拒跳，同時(shí)允許在線(xiàn)試驗(yàn)。ETS控制柜是系統(tǒng)的核心部分，完成系統(tǒng)的控制和監(jiān)視。它是由電氣超速組件、邏輯組件、電源組件及端子排組成[1]。

圖1 機(jī)械超速系統(tǒng)圖Fig.1 Mechanical overspeed system diagram

2 超速保護(hù)的優(yōu)化與改造

2.1 超速改造前

機(jī)械超速及手動(dòng)停機(jī)裝置包含有危急遮斷器、危急遮斷器滑閥以及保安操縱裝置。如圖1所示，危急遮斷器設(shè)有一套飛錘式撞擊子，控制一個(gè)危急遮斷器滑閥。飛錘偏心裝在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸上，并被壓縮彈簧壓在飛錘端部的定位塊上。靠彈簧的壓力來(lái)克服轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心力，在3000r/min 時(shí)，由于飛錘的離心力小于阻止飛錘移動(dòng)的彈簧壓縮力，飛錘不能飛出。當(dāng)汽輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速達(dá)額定轉(zhuǎn)速的110%～112%時(shí)，撞擊子的離心力克服了彈簧的約束力，撞擊子便飛出打擊危急遮斷器滑閥扳機(jī)，使危急遮斷器滑閥向右移動(dòng)，于是保安油與排油相通，致使薄膜閥迅速打開(kāi)，泄去高壓遮斷安全油，快速關(guān)閉主汽門(mén)及調(diào)速汽門(mén)。

飛錘出擊動(dòng)作定值的整定較為麻煩, 不準(zhǔn)確、誤差大以及響應(yīng)油路上增加許多不安全點(diǎn)、泄漏點(diǎn)，加大了油路的維護(hù)量；為了保證汽輪機(jī)保護(hù)和脫扣系統(tǒng)能可靠動(dòng)作必須進(jìn)行一些保護(hù)試驗(yàn)，包括手動(dòng)脫扣試驗(yàn)、充油試驗(yàn)及超速試驗(yàn)。其中，手動(dòng)脫扣檢查了脫扣機(jī)構(gòu)及危急遮斷滑閥控制的可靠性，但未對(duì)飛錘進(jìn)行試驗(yàn)。因此，設(shè)置了超速離心跳閘裝置的注油試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將手動(dòng)超速試驗(yàn)手柄扳至試驗(yàn)位置，且保持該位置不松手，緩慢開(kāi)啟危急遮斷器注油閥，通過(guò)將潤(rùn)滑油注到與撞擊子底部連通的孔里面，使撞擊子底部空間增加有質(zhì)量的介質(zhì)，同時(shí)也產(chǎn)生一定的壓力，從而實(shí)現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速下就能夠?qū)⒆矒糇油瞥?，?dāng)手動(dòng)脫扣手柄振動(dòng)且有移向“脫扣”位置趨勢(shì)時(shí)，記錄此時(shí)注油壓力，然而注油試驗(yàn)并不能完全證實(shí)真正運(yùn)行中飛錘動(dòng)作的正確性。因此，還設(shè)置了超速試驗(yàn)。超速試驗(yàn)具有一定得危險(xiǎn)性，所以為了防止超速試驗(yàn)帶來(lái)的危險(xiǎn)，在做超速試驗(yàn)時(shí)不希望轉(zhuǎn)子再有其它熱應(yīng)力出現(xiàn)，也不希望轉(zhuǎn)子處于低溫脆化點(diǎn)附近進(jìn)行試驗(yàn)。規(guī)定：大修后起機(jī)時(shí)做機(jī)械超速試驗(yàn)前，機(jī)組需已帶10%以上負(fù)荷至少運(yùn)行8h后使轉(zhuǎn)子溫度均勻升高后，允許與電網(wǎng)解列且穩(wěn)定在3000rpm上運(yùn)行，進(jìn)行超速試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間不允許過(guò)長(zhǎng)，超速試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2min[2]。若超速機(jī)構(gòu)解體檢修過(guò)，機(jī)械超速動(dòng)作值驗(yàn)證兩次。由此可見(jiàn)，機(jī)械超速裝置試驗(yàn)困難且風(fēng)險(xiǎn)也高，試驗(yàn)易導(dǎo)致汽機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)限值，這也影響了二次并網(wǎng)的時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益差，同時(shí)汽輪機(jī)機(jī)械超速試驗(yàn)時(shí)，對(duì)葉片的損傷較大。

圖2 獨(dú)立電超三取二跳機(jī)模塊工作原理圖Fig.2 Working schematic diagram of independent electric ultra-triple take Two jumping machine module

根據(jù)EPRI——美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)（Electric Power Research Institute）2006年11月的1份技術(shù)報(bào)告，美國(guó)汽輪發(fā)電機(jī)組的超速毀機(jī)惡性事故，50%發(fā)生于超速試驗(yàn)中，美國(guó)各核電廠從2000年開(kāi)始已陸續(xù)經(jīng)系統(tǒng)升級(jí)改造取消了危急遮斷系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)部分電廠的實(shí)踐，中國(guó)發(fā)電廠的超速毀機(jī)也大多發(fā)生于超速試驗(yàn)中。由此可見(jiàn)，機(jī)械超速危急遮斷系統(tǒng)可靠性較差，威脅著機(jī)組運(yùn)行安全。

2.2 采取的改造優(yōu)化措施

取消機(jī)械超速相關(guān)的裝置及設(shè)備，具體包括：隔膜閥、機(jī)械超速及手動(dòng)停機(jī)裝置（包含有危急遮斷器、危急遮斷器滑閥以及保安操縱裝置），其中的飛錘式撞擊子保留，并將緊固螺絲擰緊；增加一套獨(dú)立電超裝置（新增設(shè)備包括一套Diverse Overspeed Protection（DOPS）、一個(gè)三取二跳機(jī)模塊（Trip Dump Manifolds (TDM)）、4個(gè)轉(zhuǎn)速探頭（其中一個(gè)作為備用探頭）、一個(gè)帶指示燈的就地跳機(jī)及繼電器回路），新增4個(gè)轉(zhuǎn)速探頭安裝在前箱，取代目前使用的就地手動(dòng)打閘及機(jī)械超速保護(hù)系統(tǒng)，在操縱員站增加相關(guān)圖形按鈕。DEH/ETS目前所使用的設(shè)備及組態(tài)保持現(xiàn)狀不變，現(xiàn)有的人機(jī)接口硬件保持不變，只在操縱員站的ETS圖形接口界面上增加獨(dú)立電超保護(hù)試驗(yàn)的相關(guān)圖形按鈕并對(duì)原四取二通道試驗(yàn)修改為三取二通道試驗(yàn)，其余圖形接口界面保持現(xiàn)狀不變。人機(jī)接口與原系統(tǒng)基本保持不變，改造實(shí)施后基本不影響操縱員的正常使用。

機(jī)超取消后，機(jī)頭的手動(dòng)停機(jī)及試驗(yàn)撥桿也一并取消，在機(jī)頭新裝的一個(gè)停機(jī)按鈕實(shí)現(xiàn)就地打閘的功能。

獨(dú)立電超速保護(hù)裝置獨(dú)立于DEH、ETS系統(tǒng)，以三冗余超速保護(hù)控制器為核心，每個(gè)控制模塊獨(dú)立接收轉(zhuǎn)速信號(hào)并做出超速判斷[3]。

獨(dú)立電超裝置只與安裝在前箱獨(dú)立的3個(gè)測(cè)速速探頭配合使用，當(dāng)汽輪機(jī)超速時(shí)，發(fā)出跳機(jī)指令給三取二跳機(jī)模塊，卸去EH油，觸發(fā)跳機(jī)。獨(dú)立電超裝置通過(guò)硬接線(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)至汽機(jī)自動(dòng)保護(hù)裝置用于主控室畫(huà)面顯示；汽機(jī)自動(dòng)保護(hù)裝置通過(guò)硬接線(xiàn)輸出復(fù)位指令至獨(dú)立電超裝置，用于獨(dú)立電超裝置跳機(jī)后汽輪機(jī)掛閘。汽機(jī)自動(dòng)保護(hù)裝置還通過(guò)硬接線(xiàn)輸出信號(hào)至獨(dú)立電超裝置電磁閥的供電回路，用于正常運(yùn)行時(shí)的跳機(jī)電磁閥試驗(yàn)。

如圖2所示，3個(gè)電磁閥為機(jī)組正常運(yùn)行得電開(kāi)，失電關(guān)，一個(gè)電磁閥控制兩個(gè)二級(jí)閥門(mén)，一個(gè)模塊的二級(jí)閥共計(jì)6個(gè)，分別為A1A2，B1B2，C1C2；分別由ABC 3個(gè)電磁閥控制，當(dāng)出現(xiàn)跳機(jī)信號(hào)時(shí)必須有兩個(gè)電磁閥動(dòng)作，才能實(shí)現(xiàn)跳機(jī)動(dòng)作，如A-B或者B-C，ABC 3個(gè)電磁閥任意組合。一個(gè)模塊的正常泄漏量為1.6加侖（約6.05666升）。

改造完成后，有兩個(gè)并聯(lián)布置的跳機(jī)模塊，其中一個(gè)是OPC-AST聯(lián)合四取二跳機(jī)塊，一個(gè)是新增用于實(shí)現(xiàn)獨(dú)立電超速保護(hù)跳機(jī)功能的三取二跳機(jī)塊。

取消機(jī)超改為增加一路電超可以避免汽機(jī)在執(zhí)行超速試驗(yàn)時(shí)受到的過(guò)大應(yīng)力損害風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，改造后超速試驗(yàn)可以在3000rpm下執(zhí)行（通過(guò)改電超速定值試驗(yàn)），首次并網(wǎng)后無(wú)需再執(zhí)行超速試驗(yàn)，這樣可使大修關(guān)鍵路徑減少10個(gè)小時(shí)以上，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3 EH油壓低跳機(jī)定值優(yōu)化與改造

當(dāng)系統(tǒng)甩負(fù)荷OPC動(dòng)作時(shí)及一次調(diào)頻等工況時(shí)，系統(tǒng)用油量大幅增大，系統(tǒng)壓力會(huì)有下降但要保證主汽閥不關(guān)閉，如果定值設(shè)置較高，會(huì)容易導(dǎo)致跳機(jī)事件的誤發(fā)生。因此，在保證系統(tǒng)安全的前提下的最低壓力設(shè)定為跳機(jī)值，將EH油壓低跳機(jī)值由9.8MPa修改為9.31MPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)取消機(jī)械超速，增加電氣超速及部分跳機(jī)信號(hào)的優(yōu)化，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。