核电汽轮机组取消机械超速遮断的可行性研究

2022-03-19 10:03:51 | 浏览次数：

【摘要】介绍了350MWe核电汽轮机组ETS（Emergency Trip Ssystem）系统改造过程中，针对机械超速危急遮断系统存在的不足，提出以电子超速保护系统替代，并对超速保护改造方案及有关设备的选择进行了分析，经过现场实施后，取得了良好的效果。

【关键词】汽轮机;机械超速危急遮断系统;电子超速保护系统

中图分类号：TK文献标志码：B

0 引言

根据国家标准GB/T 5578-2007《固定式发电用汽轮机规范》、GB/T 10086-2001《汽轮机调节（控制）系统技术条件》，其中对汽轮机超速保护的要求，已不将机械超速危急遮断作为必备，可与电子超速保护系统一起配置或只配置电子超速保护系统[1][2];根据国外核电厂运行经验，国内火电厂同类机组改造取消机械液压超速保护装置的成功案例，经长期稳定运行检验，安全可控。

本文以秦山核电厂300MWe机组为例，进行深入分析和研究，探讨取消核电站汽轮机组的机械超速危急遮断系统的可行性，并提出改造的方向，以及在2018年机组的第十八次换料大修过程中实施的细节。截止到2019年，秦山核电厂已安全稳定运行近28年，汽轮机组采用上海汽轮厂的HN350-5.34机型，单轴、三缸、四排汽、两级MSR、凝汽式全速机组，期间，通过两次设备改造更新，机组电功率已从300MWe提升至350MWe，而汽轮机本体上的机械超速危急遮断装置，一直保留至2018年。

1 机械超速危急遮断系统介绍

1.1机械超速危急遮断装置结构及工作原理

汽轮机是高速转动设备，转动部件的离心应力与转速的平方成正比，即转速增高时，离心应力将迅速增加。当汽轮机转速超过额定转速的20%时，离心应力接近于额定转速下应力的1.5倍，此时不仅转动部件中部套会发生松动，而且离心应力将超过材料所允许的强度使部件损坏。为此，汽轮机均设置超速保护装置，它能在汽轮机转速超过额定转速10～12%（即3300～3360转/分）时动作，迅速切断进汽，使汽轮机停止运转[3]。

机械超速危急遮断系统，是汽轮机超速保护装置的一种，一般由危急保安器和危急遮断滑阀共同组成，按结构形式的不同，危急保安器可分为飞锤式或飞环式两种，它们的工作原理完全相同。

图1是飞锤式危急保安器的结构示意图。它装于机头侧的汽轮机主轴4上，由飞锤1、弹簧3和调整螺母5等主要部件组成。由于飞锤的重心Q和旋转中心O偏离r0，故称为偏心飞锤。弹簧3一端作用在调整螺母5上，另一端支在飞锤凸肩上，当汽轮机转速低于飞锤的动作转速时，弹簧力大于飞锤的离心力，飞锤处于图示位置不动。当汽轮机转速高于飞锤动作转速时，飞锤的离心力大于弹簧力，飞锤向外移动，随着飞锤的移动，飞锤的偏心距离越来越大，其离心力也越来越大，直到飞锤迅速走完全部行程为止。飞锤飞出后，打击脱扣拉钩，使危急遮断滑阀动作，关闭主汽门、调速汽门、再热主汽门、再热调速汽门，汽轮机迅速停机。在汽轮机转速降低的过程中，飞锤的离心力逐渐减小，当转速低到某一数值时，飞锤的离心力小于弹簧力，飞锤便在弹簧力的作用下回到原来位置。调整螺母5用以改变弹簧的紧力，以便调整飞锤的动作转速。

1.2机械超速危急遮断装置固有缺陷

尽管机械超速危急遮断装置普遍采用，但其固有缺陷仍然困扰着机组的运行安全，表现在以下五个方面：

第一，试验、检测极不方便且充满风险。超速危急保安器是一个机械部件，要检测和调整其动作转速值，必须在高速旋转状态下进行，无论采用什么方式设定动作转速值（如在现场机组或专用试验装置上进行标定），最终都必须在机组的超速试验中验证。在危急保安器动作值大于电子超速保护装置动作值的机组中（秦山核电厂350MWe机组即是如此），在做机械超速危急遮断系统动作试验时，需要在其它超速保护装置全部解除情况下进行，这种情况下，机械超速危急遮断系统往往就是机组超速保护的最后一道屏障，试验操作过程中如果升速速率过快，超速危急遮断器一旦存在故障，很容易引發超速，甚至发生毁机恶性事故。据美国保险公司统计，汽轮发电机组发生超速毁机恶性事故，50%左右发生于超速试验中。

第二，机械超速危急遮断系统在机组功率运行期间试验几乎不能进行，正常运行中不能及时发现故障，危急遮断系统中各部套长期不动，在需要动作时极易造成动作迟缓和卡涩。

第三，机械超速危急遮断系统特点，决定了其遮断动作值是一个范围，不定，在无首发记录的ETS系统中，超速遮断发生后，对判断是电超速还是机械超速比较困难。

第四，国产300MWe机组轴封系统蒸汽泄漏仍是一个难题，润滑油系统中带水严重影响机械超速保护系统的工作可靠性，润滑油系统中带水、机械杂质等油污染对机械超速危急遮断系统部件产生锈蚀、卡涩，致使机械超速危急遮断系统工作可靠性变差，既影响正常生产和增加维修费用，又留下了安全隐患。

第五，保安油与危急遮断总管AST油之间的连接部件薄膜阀，缺陷不断，阀体垫圈渗油、薄膜压盖渗油、驱动机构中开面渗油、活节渗油，此阀位置特殊，机组功率运行期间，缺陷极难处理，有停汽轮机的风险。

2 电子超速保护系统介绍

2.1电子超速保护系统特点

电子超速保护系统（简称电超速，EOPS，Electronic Overspeed Protection Systems）是一套防止旋转机械超速而损毁设备的保护装置，由测速齿轮盘、无源（如磁阻式）或有源（如电涡流式、光电式、霍尔等）转速传感器为一次检测元件，以智能处理器为监控装置，对被检测的转速信号进行计数和逻辑处理后输出相应的保护信号，泄去危急遮断总管AST油压，使汽轮机组停机。电超速保护系统一般采用三套相同的监控装置对同一位置的转速进行测量，经“三取二”逻辑处理后输出失电动作的保护信号。

现在，电超速保护系统还具有智能化自诊断功能，除随时对转速传感器进行无损伤的在线检测、保证一次检测回路的正确可靠外，还能够利用超速保护系统“三取二”冗余逻辑回路单通道故障不会引起机组跳机的特点，通过模拟产生转速脉冲频率信号，定期或不定期地分别对各监控装置进行在线检测，及时发现监控装置的故障。

一般电超速系统采用模块化的设计，机组运行期间出现故障时能够在线更换模件，而不会引起机组跳停机。因为电超速系统的自诊断功能和模块化的设计，所以最大限度地保证了电超速保护系统极高的可靠性。

因FLASH存储单元的广泛应用，电超速保护系统超速保护动作的定值可按要求任意设置，并能用标准转速校验台或信号发生器代替转速传感器进行模拟试验，其试验的方便性、重复性是机械超速危急遮断系统无法比拟的。

正是以上电子超速保护系统的优点，使之替代机械超速危急遮断系统的条件已经成熟，目前新的机组不再配备机械超速危急遮断装置，一些老的机组也通过改造逐步取消机械超速危急遮断装置。

2.2典型电子超速保护系统的组成

德国BRAUN公司产品在国内应用比较广泛，以下以其为例介紹。

德国BRAUN公司E16型电子超速保护系统是通过了SIL/IEC61508认证的产品，由三块独立的测速模块E1667.013、一块测试模块E1691和三只磁阻转速传感器组成，见图2、图3。其主要功能有：

（1）三块测速模块E1667配合磁阻转速传感器，在机组静态及运行状态下对转速传感器、传输线路进行监测，每块测速模块E1667不仅接收本通道的转速脉冲信号，同时还接收其它两个通道的转速脉冲信号，并持续地对三个通道的转速脉冲信号进行比对，如果某通道的转速信号与其它两个通道的转速信号有明显偏差，则认定该通道传感器有故障。

（2）每块测速模块均可向外输出转速脉冲信号，以供其它设备使用。

（3）汽轮机转速超过设定的保护动作转速值（SPl）、转速传感器故障及供电中断时，E1667的两个超速保护继电器输出两路相互独立的失电跳机信号。

（4）测试模块E1691可对测速模块E1667进行“定期自诊断检测”和“外部测试”，为了避免在对测速通道进行测试时引起误动，在用“外部测试”方式测试，其他两个通道都被闭锁;测试模块进行“定期自诊断检测”时，依次给各个测速模块输出高于或低于SP1的转速信号，相应通道在高于SP1时出现超速跳机信号，低于SP1时不出现超速跳机信号，最后再依次输出“强制跳机”信号，相应通道出现跳机信号，如果在测试和巡检中发现某一通道出现错误，则巡检过程自动被终止，同时，系统由三取二转为二取一，并向外发出“ 系统故障”信号。

（5）磁阻探头SFS-2用于对现场转速信号的检测。

E16型超速保护系统的采样时间为5 ms，整体响应时间小于 15 ms，能满足超速保护快速性要求。

3 改造方案

改造的设计思想是：拆除原可靠性差、技术落后的机械超速危急遮断系统，增设一套E16型电子超速保护系统、增设就地手动机械停机按钮，从而构成DEH（Digital Electro-Hydraulic System）超速保护控制（0PC（Overspeed Protection Controller））、ETS电子超速保护系统一（原系统配置）、ETS电子超速保护系统二（本次改造新增）和就地手动停机按钮（本次改造新增）四道安全屏障，按分层保护的设计原则，设计超速保护动作转速分别为3090转/分（103%）、3300转/分（110%）、3300转/分（110%），当机组转速上升至103%额定转速时，DEH系统的“二取一”OPC电磁阀组带电动作泄去超速保护控制总管OPC油压，快速关闭调速汽门、再热调速汽门;超速事故工况下，当机组转速上升至110%额定转速时，两套电子超速保护装置中任一套动作，输出超速跳机信号，不经过ETS系统直接送AST电磁阀组泄去危急遮断总管AST油压，主汽门、调速汽门、再热主汽门、再热调速汽门快速关闭，汽轮机停机。

3.1取消机械超速危急遮断系统

取消机械超速系统，相应取消整套危急遮断油门复位装置、喷油试验手柄、喷油试验阀门、危急遮断油门、薄膜阀等。

3.2增设一套电子超速保护系统

增设一套采用“三取二”保护逻辑的德国BRAUN公司生产的E16型汽轮机专用转速监测系统，设定保护动作转速值为3300转/分（110%），与原电超速定值相同。

增加的三个磁阻探头安装于两个低压缸之间的盘车齿轮上，齿数83齿。

3.3增设就地手动停机按钮

就地紧急停机按钮，安装于汽轮机机头附近，安装位置牢固抗震动。

4 可能的问题

对于改造机组，取消机械超速保护系统后，传统意义上防止飞车的最后一道屏障被替换，需加强对运行、维修人员的培训，熟悉机组保护系统的特点。

电子超速保护系统的动作定值设置方便，应有专用的操作规程规范维修人员对定值的修改，防范参数设置错误引入人因风险危及机组安全。

5 结论

改造后的汽轮机超速保护系统，具有两套“三取二”转速测量装置，启机过程中，进行了全面的性能试验，各项试验均一次成功，超速动作定值正确可靠，定值修改十分方便，电超速试验也可通过修改两套系统的定值，在低转速下验证电超速系统的可靠性，从安全性上进一步降低超速试验时的风险。