650MW核電機(jī)組汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)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(jī)是在高壓、高溫的蒸汽環(huán)境下高速運轉(zhuǎn)的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，轉(zhuǎn)動部分工作時承受著相當(dāng)大的離心力。隨著轉(zhuǎn)速的升高，其離心力會急劇上升，當(dāng)超過極限轉(zhuǎn)速時，需要通過汽輪機(jī)超速保護(hù)裝置快速減小離心力、降低轉(zhuǎn)速，避免機(jī)組出現(xiàn)飛車事故。核電機(jī)組不同于火電機(jī)組等其它電廠，具有單機(jī)容量大、核安全要求高等特點。因此，汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)的可靠性是保證核電廠安全穩(wěn)定運行的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，對汽輪機(jī)超速保護(hù)的研究，具有極其重要的安全意義。

圖1 超速保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of over-speed protection system

1 汽輪機(jī)超速的原因及危害

汽輪機(jī)組的最高轉(zhuǎn)速在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性允許范圍內(nèi)稱“正常轉(zhuǎn)速飛升”，超過危急保安器動作轉(zhuǎn)速至3600r/min 稱“事故超速”，大于3600r/min 稱為“嚴(yán)重超速”?！皣?yán)重超速”可以導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞甚至報廢，是電廠的汽輪發(fā)電設(shè)備破壞性最大的事故[1]。

1.1 汽輪機(jī)超速的原因

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

1.2 汽輪機(jī)超速的危害

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度在設(shè)計上有一定要求，一般規(guī)定為額定轉(zhuǎn)速的110%～120%，零部件的強(qiáng)度裕量相對比較小。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過了其強(qiáng)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(yán)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(jī)發(fā)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(zāi)難。

2 秦二廠650MW擴(kuò)建機(jī)組超速保護(hù)分析

2.1 超速保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組汽輪機(jī)的超速保護(hù)主要由DEH（Digital Electro-Hydraulic Control，數(shù)字電液控制）調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、ETS（Emergency Trip System，緊急停機(jī)系統(tǒng)）保護(hù)系統(tǒng)和機(jī)械式危急遮斷系統(tǒng)組成，如圖1 所示（注：此處僅為出廠時超速保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，后續(xù)技改增加硬件超速保護(hù)繼電器回路未提及）。在汽輪機(jī)前箱小軸的60齒位置有6 個轉(zhuǎn)速探頭，包括送TSI（Turbine Supervisory Instrument，汽輪機(jī)安全監(jiān)測）系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速探頭、零轉(zhuǎn)速探頭、送就地轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)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(hù)控制）動作的3 個轉(zhuǎn)速探頭。其中，送TSI 的兩個探頭為霍爾效應(yīng)式的，其余送OA 的及送就地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速探頭，送DEH 的ETS 站參與緊急停機(jī)功能。除此之外，還有1 套飛錘式危急遮斷裝置，實現(xiàn)了多層保護(hù)、冗余設(shè)置。

2.2 超速保護(hù)功能分析

2.2.1 OPC 103%超速保護(hù)

OPC 功能是超速保護(hù)的第一步手段，當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速等于或大于額定轉(zhuǎn)速的103%時，DEH 控制指令使主調(diào)節(jié)閥（GV）和再熱調(diào)節(jié)閥（IV）關(guān)閉。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低至103%以下時，GV 和IV 重新開啟。OPC 信號觸發(fā)后，一路送關(guān)閉指令給閥門，一路送OPC 電磁閥帶電打開卸油，進(jìn)而再次確保閥門關(guān)閉，雙路控制雙保險。OPC 功能可實現(xiàn)超速的預(yù)保護(hù)，將超速事故消除在初始階段。另外，OPC 系統(tǒng)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(guān)功能

CIV 功能（快關(guān)再熱調(diào)閥IV）一般發(fā)生在發(fā)電機(jī)部分甩負(fù)荷，一般情況為電網(wǎng)的短期故障（如瞬間短路），此時必須緊急甩去部分負(fù)荷來保持做功平衡。650MW 擴(kuò)建機(jī)組汽輪機(jī)的低壓缸約帶70%的負(fù)荷，瞬間快速關(guān)閉再熱調(diào)閥，避免引起機(jī)組超速導(dǎo)致更大的事故。

當(dāng)監(jiān)測到汽機(jī)功率（低壓缸進(jìn)汽壓力）超出電功率的80%時，CIV 命令發(fā)出，使再熱調(diào)閥快速關(guān)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(diào)閥會再次動作，直到功率不匹配信號消失為止。隨著電網(wǎng)容量的擴(kuò)大，從故障發(fā)生到處理的時間要求越來越短，必須迅速發(fā)出控制信號，希望在0.5s 內(nèi)完成響應(yīng)。650MW 擴(kuò)建機(jī)組從DEH 控制系統(tǒng)發(fā)出命令至IV 閥門本體的完全關(guān)閉，經(jīng)測定能夠在0.3s 內(nèi)完成。

2.2.3 LDA失負(fù)荷預(yù)測

當(dāng)汽機(jī)功率大于30%，且斷路器打開時，被認(rèn)為是失負(fù)荷故障。此時，DEH 的設(shè)定值為額定轉(zhuǎn)速，LDA 發(fā)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(guān)閉并保持2.4s 后再開啟，實際轉(zhuǎn)速由PID控制至3000RPM。

采用了失負(fù)荷預(yù)測功能后，能夠減少OPC 的動作次數(shù)，較快地達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，極大地降低了超速風(fēng)險，且保證了用電品質(zhì)，減少了瞬態(tài)事件的概率。秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組在調(diào)試期間的100%功率（650MW）下的甩負(fù)荷試驗趨勢如圖2 所示，OPC 僅動作3 次就已將汽機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3000 RPM，控制品質(zhì)良好，負(fù)荷預(yù)測功能有效。

圖2 調(diào)試期間100%功率下甩負(fù)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(hù)

現(xiàn)場盤車位置的3 個轉(zhuǎn)速探頭將測得的轉(zhuǎn)速信號送到ETS 機(jī)柜3 個高速轉(zhuǎn)速處理卡件，經(jīng)過中選后的轉(zhuǎn)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(xiàn)機(jī)組停機(jī)，以防系統(tǒng)超速。

2.2.5 危急遮斷保護(hù)

飛錘式機(jī)械超速和電氣超速遮斷值整定在同一轉(zhuǎn)速，它是由位于轉(zhuǎn)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(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)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(jī)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(xiàn)汽輪機(jī)停機(jī)[2]。

2.2.6 手動打閘

秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組分別設(shè)有就地手動遮斷手柄和主控手動停機(jī)按鈕兩種手動打閘方式，供運行人員進(jìn)行人為的停機(jī)操作。

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

3 關(guān)于增加超速跳機(jī)和手動打閘硬件回路的變更改造

3.1 變更原因

650MW 擴(kuò)建機(jī)組原出廠設(shè)計的超速保護(hù)系統(tǒng)功能已非常成熟，但仍存在兩點問題：

1）650MW 擴(kuò)建機(jī)組出廠設(shè)計時超速保護(hù)相關(guān)汽機(jī)保護(hù)信號，包括超速信號、主控的緊急停機(jī)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(tǒng)，一旦上層邏輯控制系統(tǒng)的ETS系統(tǒng)自身功能發(fā)生故障或崩潰，則不能保證有效地停機(jī)。

2）ETS 電超速保護(hù)采用系統(tǒng)自帶的新型帶芯片的智能轉(zhuǎn)速卡，卡件本身帶有閾值繼電器，能夠不經(jīng)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(shè)計只將速度信號送ETS 的DPU，需經(jīng)過50ms 的周期運算時間才能跳機(jī)。對于汽機(jī)保護(hù)，尤其是超速保護(hù)，越快響應(yīng)則越安全，很可能是僅僅提高了毫秒級的響應(yīng)即能夠避免一次飛車事故。

3.2 增加電超速硬件跳機(jī)

考慮以上存在的問題，秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組對汽機(jī)超速增加了硬件跳機(jī)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(zhuǎn)速信號繼續(xù)送ETS 參與邏輯運算。

總的來說，秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組電超速停機(jī)，增加了一路不經(jīng)過DPU 的硬件跳機(jī)控制回路，除了讓保護(hù)系統(tǒng)更加可靠之外，也增加了保護(hù)系統(tǒng)的敏捷性，可以更迅速地實現(xiàn)超速停機(jī)。即秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組的汽輪機(jī)110%電超速保護(hù)，實質(zhì)上有兩套電控系統(tǒng)。

3.3 增加手動打閘硬件回路

在ETS 機(jī)柜中增加兩個手動停機(jī)繼電器，分別連接到手動停機(jī)按鈕的兩副常開觸點。將兩個手動停機(jī)繼電器的各一副常閉觸點送到ETS 系統(tǒng)DI 通道，由ETS 系統(tǒng)邏輯判斷輸出到 AST 電磁閥，將兩個手動停機(jī)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(hù)方式的手動跳閘系統(tǒng)，保證了手動緊急停機(jī)保護(hù)的可靠性。

增加后的超速保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

4 增加機(jī)械超速動作或就地打閘監(jiān)視的優(yōu)化

由于機(jī)械超速和電氣超速遮斷值基本一致，在進(jìn)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(jī)械超速跳機(jī)信號，在《取消650MW 擴(kuò)建機(jī)組汽機(jī)遠(yuǎn)傳氣動掛閘》的變更改造中，增加了薄膜閥上腔室壓力開關(guān)，以實現(xiàn)對薄膜閥上腔室油壓進(jìn)行監(jiān)視（機(jī)械超速動作或就地打閘），增加了薄膜閥上腔式油壓監(jiān)控后的超速試驗曲線更加直觀。

圖3 增加硬件跳機(jī)后的超速保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 New structure diagram of over-speed protection system

5 取消機(jī)械超速變更改造可行性分析

650MW 擴(kuò)建機(jī)組計劃在405、306 大修中，實施對兩臺機(jī)組的取消機(jī)械超速的變更改造工作。

5.1 機(jī)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(jī)組模擬超速工況。尤其是機(jī)械超速試驗必須將汽輪機(jī)真實沖轉(zhuǎn)至3300rpm 左右才能進(jìn)行試驗，且如果試驗不合格，需停機(jī)調(diào)整并重新并網(wǎng)帶負(fù)荷運行8h 后，再次試驗。

另外，由于機(jī)械飛錘式危急遮斷器設(shè)備本身由飛錘、彈簧、調(diào)節(jié)螺母等一系列部件組成， 各部件存在松脫的可能，誤動風(fēng)險較大；又容易受油質(zhì)影響，出現(xiàn)液壓元件、閥門的卡澀，拒動風(fēng)險偏高；響應(yīng)滯后且需定期保養(yǎng)和試驗，維護(hù)成本較高。

所以綜上所述，機(jī)械式危急遮斷器存在較大隱患，國內(nèi)也有多個電廠曾發(fā)生過危急遮斷裝置故障導(dǎo)致機(jī)組運行期間誤跳機(jī)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(shè)計合理，且響應(yīng)快速、準(zhǔn)確，不存在類似機(jī)械式危急遮斷裝置的弊端。加上秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)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(wěn)定性都更勝于機(jī)械式超速。

如果能取消機(jī)械超速，用雙電超來替代，機(jī)組可以在任一轉(zhuǎn)速下進(jìn)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(jī)組真實“超速”，提升了機(jī)組的壽命，并且可以省去并網(wǎng)后的8h 暖機(jī)，大幅度提升了電廠效益。

但電超速探頭偶有發(fā)生失效故障，之前秦二廠1 號機(jī)組超速保護(hù)探頭ETSSPD1 在2016 年5 月9 日機(jī)組滿功率運行時突然失效，變?yōu)閴狞c、轉(zhuǎn)速顯示為0，經(jīng)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(qiáng)，可以在確定3 個通道質(zhì)量報警狀態(tài)、是否有報警偏差、是否有控制偏差等不同種狀態(tài)下，選擇合理、恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速值輸出。所以，其實在當(dāng)前只有一個探頭故障的情況下，也可以不作任何干預(yù)，此時超速跳機(jī)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(jī)組安全，并權(quán)衡電廠效益，1 號機(jī)組辦理了臨時變更在DEH 中將故障的ETSSPD1 探頭點質(zhì)量強(qiáng)制為good，測量值強(qiáng)制為3000rpm。此狀態(tài)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(shè)計的超速保護(hù)也是允許在兩個超速保護(hù)探頭故障的情況下繼續(xù)運行的（3 個超速保護(hù)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(jī)）?，F(xiàn)階段，正在討論、研究相關(guān)變更改造，分析是否能引入控制用轉(zhuǎn)速信號參與超速保護(hù)，減少單純探頭故障而導(dǎo)致的發(fā)電量損失及降低在兩個超速保護(hù)探頭故障情況下的運行風(fēng)險。

5.3 國內(nèi)、外取消機(jī)械超速的案例調(diào)研

目前國內(nèi)大多數(shù)的汽輪機(jī)機(jī)組，依然保留著機(jī)械超速危急遮斷裝置作為超速保護(hù)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(jī)械超速保護(hù)裝置，增加了一套電氣超速保護(hù)系統(tǒng)。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(jī)械超速危急遮斷器的設(shè)計，且至今也沒有關(guān)于保護(hù)系統(tǒng)故障的案例報道[3]。目前，秦山方家山擴(kuò)建機(jī)組出廠也無機(jī)械超速的設(shè)計和裝置。

5.4 秦二廠650MW擴(kuò)建機(jī)組取消機(jī)械超速的可行性

秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組之前改造已利用控制平臺的自身優(yōu)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(zhí)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(jī)比邏輯跳機(jī)響應(yīng)更準(zhǔn)確、及時，再次證明了基于原本控制平臺的電超速系統(tǒng)保護(hù)功能更強(qiáng)大、系統(tǒng)更穩(wěn)定。另外，加上機(jī)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(jié)論

目前秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組的超速保護(hù)系統(tǒng)功能完整、有效，在防止汽輪機(jī)超速的相關(guān)試驗、規(guī)程、PM 項中，已經(jīng)基本涵蓋了必要的技術(shù)防范措施，對于一些可以細(xì)化和改進(jìn)的部分，也通過變更改造不斷優(yōu)化。

防止汽輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)超速事故，最重要、最根本的是基于DEH 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常調(diào)節(jié)功能來完成，而不是單純依靠作為“最后一道屏障”的停機(jī)保護(hù)來實現(xiàn)。秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組的100%甩負(fù)荷試驗已證明當(dāng)前的DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)有能力對機(jī)組瞬態(tài)工況進(jìn)行控制；對于利用平臺優(yōu)勢對電超速進(jìn)行的“軟、硬結(jié)合”的雙控制改造應(yīng)用，在目前現(xiàn)有的擁有一套電超速、一套機(jī)超的機(jī)組中，也處于領(lǐng)先位置。

在“一電、一機(jī)”的模式下，秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)組的超速保護(hù)性能已經(jīng)優(yōu)化至最高級別，但相對于“雙電超”保護(hù)模式，機(jī)械超速保護(hù)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(jī)保護(hù)系統(tǒng)，所以秦二廠650MW 擴(kuò)建機(jī)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(chǎn)制造的秦二廠650MW 的汽輪發(fā)電機(jī)組的超速保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化分析，對于同類型、同廠家機(jī)組具有一定的借鑒意義。當(dāng)然，優(yōu)化超速保護(hù)系統(tǒng)本身的同時，仍需要不斷提高機(jī)組大、小修檢修質(zhì)量，規(guī)范運行人員及維修人員的相關(guān)技能操作。