三門核電汽輪機機械超速設計特點分析

葉道權

摘要：汽輪機超速時不僅損壞汽機本體，而且還可能對汽輪機廠房其他設備和人員造成潛在飛射物傷害。相比于秦山二期，三門核電汽輪機機械超速保護裝置設計上能實現遠控和就地注油試驗，注油試驗和超速試驗自動化程度也更高，從而在不降低可靠性的同時提高效率。

關鍵詞：汽輪機；機械超速；注油試驗；超速試驗；三門核電 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK269 文章編號：1009-2374（2015）31-0012-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.006

1 概述

汽輪機作為高速轉動的設備，轉動部件的離心力與轉速的平方成正比。當汽機轉速超過額定轉速20%時，不僅轉動部件中按預緊力配合的部套會發生松動，而且離心應力將超過材料所允許的強度極限，引起動靜相碰，葉片斷裂，甚至造成斷軸等嚴重事故，而且高速旋轉的部件會對汽輪機廠房的其他設備或人員造成潛在飛射物傷害，因此故障或事故工況下的汽輪機超速保護非常重要。三門核電一期工程汽輪機采用日本三菱公司的設計。汽輪機采用整鍛轉子，四缸六排汽雙流對稱結構，額定功率1251MW，額定轉速1500轉/分。針對汽輪機超速不同程度，設置了包括超速保護控制（OPC）、機械超速、電氣超速等多重措施。本文通過與秦山二期對比，詳細分析三門核電汽輪機機械超速及相關試驗的特點。

2 設計特點

汽輪機機械超速裝置的核心動作部件是危急保安器，目前應用最廣泛的是飛錘式。飛錘重心與轉子旋轉重心偏心布置。汽機轉子旋轉時，偏心飛錘所受的離心力為：

式中：

——飛錘的質量

——飛錘重心與轉子重心的距離

——飛錘的飛出距離

——轉子角速度

汽機工作在額定轉速時，壓縮彈簧的預緊力可以克服飛錘離心力，將飛錘約束在縱向孔內。當汽機超速至一定值時，飛錘離心力大于壓縮彈簧的彈力而使小飛錘擊出，引起相應的油路泄壓，汽機緊急停機。

三門核電汽輪機機械超速裝置安裝在汽機高壓轉子接長軸內，包括帶壓縮彈簧和注油孔的偏心小飛錘、碰鉤、危急遮斷錯油閥、手動脫扣、復位和試驗杠桿、遠程復位裝置、兩級減壓孔板、隔膜閥、兩個溢流閥、手動脫扣滑閥、試驗滑閥、試驗三通電磁閥以及相關的儀表和管線。如圖1所示：

圖1 三門核電汽輪機機械超速裝置簡圖

機組運行時，自汽輪發電機組潤滑油系統的控制油泵或主油泵來的高壓油通過一級節流孔板后降壓為保安油，進入隔膜閥的下腔室內，克服彈簧作用力而使隔膜閥關閉。隔膜閥作為潤滑油與汽輪機EH油系統（LHS）的唯一接口，控制著LHS中AST母管的泄壓通道之一，AST母管的另一泄壓通道為AST電磁閥。當AST母管卸壓，將會關閉汽機所有進汽閥門，從而緊急停機。

當汽機轉速達到機械超速動作定值時，偏心飛錘擊出，撞擊碰鉤，與碰鉤相連的危急遮錯油閥動作，使保安油通過試驗滑閥和錯油閥回到主油箱泄壓。保安油泄壓后，隔膜閥在彈簧的作用下打開，使AST母管卸壓，緊急停機。如果汽機轉速達到機械超速動作定值后，偏心飛錘未能擊出或危急遮斷錯油閥故障，可就地操作前軸承箱邊上的手動脫扣杠桿，使保安油通過試驗滑閥和手動脫扣滑閥回油至主油箱，同樣可使汽機緊急停機。

偏心飛錘擊出后，在重新啟動機組前，需對機械超速裝置進行復位。通過操作手動復位杠桿，關閉危急遮斷錯油閥，重新恢復保安油壓，使隔膜閥關閉，AST母管建立油壓，從而可開啟汽機進汽閥。也可在主控室按下汽機復位按鈕，圖1右上角的四通電磁閥得電，壓縮空氣進入復位活塞的上腔室，同時下腔室與大氣相通，活塞在壓縮空氣的作用下向下移動，推動復位杠桿動作碰鉤，從而使危急遮斷錯油閥關閉。

3 與秦山二期汽輪機機械超速設計的差異

秦山二期汽輪機結構上與三門核電基本類似，機組單機容量650MW，額定工作轉速為3000rpm。下面對三門核電與秦山二期汽輪機機械超速的設計包括從裝置、注油試驗、超速試驗等方面詳細分析二者之間的差異。

3.1 機械超速裝置設計的差異

秦山二期機械超速手動脫扣杠桿和手動復位杠桿都是直接作用于碰鉤，兩個杠桿連成一體，如下圖2所示。當汽機超速至一定值時，如果危急遮斷錯油閥發生卡澀，秦山二期的設計將無法實現就地手動緊急停機。三門核電汽輪機通過設計單獨的手動脫扣滑閥和手動脫扣杠桿來手動緊急泄壓，則可避免錯油閥故障而無法就地手動停機的風險。三門核電汽輪機將手動脫扣與復位杠桿完全分離，也能降低誤操作的可能性。

圖2 秦山二期汽輪機機械超速裝置簡圖

另外，三門核電設計有注油試驗三通電磁閥和注油電磁閥，并設置有一些壓力儀表和位置開關，可進行遠程注油試驗，并可通過儀表的變化確定機械超速裝置的動作情況。

3.2 試驗的差異

為驗證機械超速裝置的可靠性，機組在首次啟動和每次大修后需進行注油試驗和超速試驗。注油試驗時，機組未真超速，而是通過向偏心飛錘內注入高壓油，利用油壓取代實際超速時飛錘產生的離心力，克服彈簧約束而使飛錘擊出，以驗證機械超速裝置的可靠性。注油試驗通常在每次機組啟動沖轉至額定轉速時進行。超速試驗則是在機組帶負荷運行一段時間后，與電網解列，使機組真正超速，以驗證包括OPC保護、機械超速保護、電氣超速保護等動作的可靠性。三門核電與秦山二期汽輪機機械超速裝置設計上的差異決定了二者在注油試驗和超速試驗上有區別。

3.2.1 遠控注油試驗差異分析。三門核電通過設置三個電磁閥、兩個壓力開關、一個壓差開關和一個限位開關，可實現主控室或就地進注油試驗，而秦山二期僅能在就地進行注油試驗。三門核電汽輪機遠控注油試驗過程如下（參考圖1）：（1）主控室在汽機保護系統試驗界面上選擇“Mechanical overspeed”；（2）選擇“MOST Test（Lockout）”，阻斷AST母管通過隔膜閥泄壓通路，同時接通EH油供油母管通過隔膜閥的泄壓路徑；（3）由于EH油供油母管設置了節流孔板，壓力P4低于AST母管的油壓P1，正常運行時，AST母管與隔膜閥相通，P1壓力等于P3，當試驗三通電磁閥動作后，油路改變，P4壓力等于P3卻低于P1，當壓差開關PDS072探測到P1與P3之間存在的壓差后，即向主控室發出信號顯示“Under MOST Test”；（4）在主控室持續按下“Test ON”按鈕，以使注油試驗電磁閥得電開啟，向飛錘內油孔注油，當油壓超過彈簧的約束，飛錘擊出；（5）當飛錘擊出時，保安油壓快速下降，壓力開關PS026動作；（6）保安油壓下降至一定值時，使隔膜閥動作，EH油供油母管通過隔膜閥的泄壓通路打開，P4壓力等于P3，且下降為回油壓力，P3油壓的下降引起PS073壓力開關的動作。當PS073與PS026都動作后，即在主控室顯示“MOST Test Operation”。EH油供油母管由于節流孔板的作用，不會下降太多，因此不會影響整個EH油系統的工作；（7）放開“Test ON”按鈕，注油電磁閥失電，終止向飛錘注油；（8）點擊“Test reset”，使遠程復位電磁閥得電，進行汽機復置。遠程復位裝置推動復位杠桿動作碰鉤及危急遮斷錯油閥，當復位杠桿復位成功后，觸發限位開關動作，從而在主控室顯示“During reset”。錯油閥復位后，保安油壓開始建立，PS026復位，隔膜閥關閉，P3壓力恢復，PS073也復位。當PS026與PS073都復位后，主控室“MOST Test Operation”信號消失；（9）當“MOST Test Operation”信號消失3秒后，復位杠桿限位開關觸發主控室“During reset”信號也消失；（10）當P3和P4壓力恢復后，試驗三通電磁閥也自動復位，接通AST母管通過隔膜閥泄壓的路徑，同時阻斷EH油供油母管通過隔膜閥的泄壓通路。這樣P3壓力上升至等于P1，引起壓差開關PDS072的復位，進而主控顯示“Under MOST Test”信號消失；（11）主控選擇“Mode selection OFF”，試驗結束。endprint

3.2.2 就地注油試驗的差異分析。如圖2所示，秦山二期在進行就地汽輪機注油試驗時，首先將試驗滑閥轉至“試驗”位置并保持該位置，然后將手動脫扣杠桿轉至“復位”位置，再緩慢打開飛錘注油閥，當就地觀察到手動脫扣杠桿振動且有移向“脫扣”位置趨勢時，記錄009LP所示的注油壓力并關閉注油閥，然后將手動脫扣手柄置于“正常”位置，最后將試驗滑閥轉至“正常”位置，完成試驗。

三門核電汽輪機就地注油試驗過程為：如圖1所示，首先將試驗滑閥轉至“試驗”位置并保持，然后緩慢打開注油試驗手動閥，通過就地壓力儀表PI006觀察注油壓力緩慢上升，當油壓上升至克服飛錘彈簧約束力而擊出飛錘的時候，危急遮斷錯油閥動作，就地觀察到PI005指示的壓力突然下降，此時記錄PI006所指示的注油壓力，然后關閉注油手動閥，再將手動復位杠桿置于“復位”位置，通過就地手動復位杠桿對碰鉤及危急遮斷錯油閥復位，再松開試驗滑閥回到“正常”位置，注意觀察PI005所示的保安油壓恢復正常后，完成試驗。

用于指示保安油壓的儀表，三門核電將PI005設置在試驗滑閥下游，而秦山二期則將018LP設置在試驗滑閥上游。秦山二期進行就地汽輪機注油試驗時，由于試驗滑閥的動作，阻斷了保安油通過危急遮斷錯油閥正常泄壓的通路，另外一路保安油經過兩個溢流閥進入危急遮斷錯油閥的通路由于設置有一個二級降壓孔板，018LP所指示的壓力基本不受飛錘和危急遮斷錯油閥的動作影響，而三門核電的PI005所指示的壓力則會隨著危急遮斷錯油閥的動作泄壓而突然下降至零。因此秦山二期在就地注油試驗中，無法通過儀表的顯示來判斷飛錘及危急遮斷錯油閥的動作情況，僅能通過手動脫扣杠桿的移動趨勢來確定，給試驗操作人員比較模糊的判斷依據，增加了試驗的不確定性；而三門核電則通過PI005的指示變化，可準確判斷飛錘及危急遮斷錯油閥的動作情況，減小了人為失誤的概率，提高了試驗的可靠性。

3.2.3 超速試驗差異分析。注油試驗僅能驗證脫扣飛錘能否正常動作，還不能確定飛錘實際動作轉速，因此還須進行實際超速試驗。目前核電機組普遍采用帶10%左右負荷運行一段時間后，與電網解列，汽機空載穩定在額定轉速運行時，在短時間內進行超速試驗。以使汽輪發電機組充分預熱，盡可能接近實際工況。秦山二期機械超速和電氣超速設定值分別為109%～110%額定轉速。三門核電機械超速與電氣超速設定值分別為110%和111%額定轉速。

秦山二期在超速試驗中，首先儀控人員將機組轉速限值從正常運行時的3050rpm修改為3331rpm，以便于機組實際超速。然后開始設定目標轉速和升速率，驗證OPC超速（103%額定轉速）動作是否正常，正常后將OPC超速保護切除，重新升速，直至在3270～3300rpm范圍內機組保護跳閘后，根據DEH中的首發信號判斷機械超速還是電氣超速先動作。如機械超速先動作，則待汽機恢復額定轉速后，將機械超速試驗滑閥置于“試驗”位置并保持，重新升速，直至電氣超速保護動作，機組緊急停機。而如是電氣超速先動作，則待機組恢復額定轉速后，由儀控人員將電氣超速動作定值調整至3331rpm，再重新升速，進行機械超速試驗。在試驗過程中，如果機組轉速超過111%額定轉速，而電氣超速保護還未動作時，則主控立即打閘停機或就地緊急松開機械超速“試驗”杠桿動作停機。

三門核電機械超速和電氣超速試驗則不同。當點擊“MOST Test ON”后，電氣超速定值自動修改為1725rpm（115%額定轉速）。同時，邏輯自動閉鎖OPC保護功能，并將機組的轉速限值也由正常運行時的1590rpm自動修改為1670rpm，以防止機組轉速意外超限。轉速達到1650rpm（110%額定轉速）時，機械超速保護動作，機組緊急停機。點擊“MOST Test OFF”，電氣超速動作定值自動恢復至1665rpm（111%額定轉速），恢復OPC保護功能，并將機組轉速限值恢復至1590rpm。進行電氣超速試驗時，主控動作試驗三通電磁閥，閉鎖機械超速保護跳機，而無需如秦山二期一樣指派人員在就地長時間操作試驗滑閥。當機組超速至電氣超速保護動作定值而未能緊急停機，也可在主控或就地動作緊急停機。

三門核電相比于秦山二期的汽輪機超速試驗設計，具有以下兩點優勢：（1）在超速過程中，由控制邏輯自動修改相應限值和相關的閉鎖功能，從而一方面提高了運行自動化程度，減輕了運行人員和儀控人員工作量，另一方面也降低了人為失誤的概率；（2）機械超速定值略低于電氣超速定值，在進行機械超速試驗時，電氣超速定值自動提高，這樣更明確甄別試驗過程中兩種保護的動作情況，使試驗更具有可操作性。

4 結語

汽輪機是核電廠重要的設備之一，而機械超速保護對于汽輪機的安全可靠運行又發揮著至關重要的作用。三門核電汽輪機機械超速及相關試驗的設計與秦山二期相比，具有明顯的先進性：（1）通過增設手動脫扣滑閥，使手動脫扣杠桿與手動復位杠桿完全獨立，可避免危機遮斷錯油閥卡澀引起的無法就地手動停機事故，有利于機組安全運行；（2）通過增設兩個電磁閥和一些壓力、位置開關，可實現主控注油試驗，利于提高機組自動化程度，減少運行就地工作量，提高工作效率；（3）通過在試驗滑閥下游設置就地壓力儀表PI005，在就地試驗時依靠其壓力變化即可確定機械超速裝置動作情況，提高就地注油試驗的可操作性。

參考文獻

[1] 張濤，等.秦山第二核電廠高級運行.核電秦山聯營有限公司，2005.

[2] 陳曉珊，等.200MW汽輪機機械超速危急遮斷系統改造的可行性研究[J].東北電力學院學報，2005，（6）.

（責任編輯：周 瓊）endprint