汽輪機超速原因及預防策略探討

朱勝濤

摘 要：汽輪機超速可能導致汽輪機損壞報廢，同時還會產生潛在飛射物，對人員廠房及設備造成損傷，由此帶來的經濟損失巨大。近些年來，國內外發生了多起汽輪機超速飛車損壞事故，該文主要闡述了AP1000核電汽輪機超速保護設計上的特點、汽輪機超速的主要原因，結合汽輪機運行、預防性維修項目和定期試驗項目等，提出了汽輪機超速的預防措施。

關鍵詞：汽輪機 超速 維修 定期試驗

中圖分類號：TK267 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0092-02

汽輪機是在高溫、高壓下運轉的機械，其旋轉部件承受著巨大的離心應力，該離心力與轉速的平方成正比（F=mω2R），因此隨著轉速的升高，其離心力快速上升。汽輪機轉子一般是按照額定轉速的120%設計的，一旦轉速超過了設計的強度極限，將造成葉片斷裂、動靜摩擦，甚至斷軸等嚴重事故。汽輪機超速不僅造成汽輪機本體損壞，同時還會產生潛在飛射物，對人員廠房及設備造成損傷，由此帶來的經濟損失巨大。

1 AP1000核電汽輪機超速保護特點

AP1000主汽輪機控制和診斷系統（TOS）由三菱設計，通過西屋的OVATION平臺實現，是全數字電液調速系統（DEH）。汽輪機主要配置了OPC超速保護、機械超速和電氣超速保護。

1.1 OPC超速保護

OPC是指當汽輪機轉速非預期升高時，快速關閉主調門GV和再熱蒸汽調門ICV，防止汽輪機超速跳機，使汽輪機能夠在發生瞬態工況時過渡到穩態工況。OPC超速保護通過汽輪機轉速實際升高或汽輪發電機組機械功率和電功率不平衡構成超速預測單元，實現汽輪機超速預保護，發電機功率由發電機定子電流表征，而汽輪機機械功率由低壓缸入口壓力表征。

1.2 機械超速保護（MOST）

機械超速保護（MOST）是通過一個彈簧加壓的偏心飛錘來實現的。當汽輪機轉速上升至110%額定轉速時，飛錘在離心力作用下飛出，從而使得危急遮斷滑閥打開，保安油母管卸壓，隔膜閥開啟，進而使AST和OPC母管卸壓，各蒸汽閥門關閉實現停機。

1.3 電氣超速保護（EOST）

電氣超速共有12個保護模塊，分為4組，每組三取二邏輯，對應于AST4個電磁閥。當轉速測量值超過保護設定值111%額定轉速時，4個AST電磁閥斷電開啟，AST母管和OPC母管卸壓后，各蒸汽閥門關閉，從而實現汽輪機超速保護停機。

2 導致汽輪機超速的主要原因

汽輪機作為核電廠主要設備之一，雖然與核安全無關，但直接影響著電廠的安全運行。近些年來，國內外發生了多起汽輪機超速飛車損壞事故。2011年2月10日，南非Duvha電廠一臺600 MW機組做超速試驗時，10 s內汽輪機轉速由3 000 r/min上升至4 250 r/min，3套電超速保護及機械超速保護均未動作，整臺機組報廢。汽輪機超速原因較多，可以從汽輪機本體結構、容量影響及調速和保護系統來進行分析，運行、維修及試驗也非常重要。

2.1 汽輪機本體特征對超速的影響

汽輪機甩負荷后的動態最大飛升速度可以用公式進行估算。其中為甩負荷后最大飛升速度，為汽輪機額定轉速，為轉子飛升時間常數，為甩負荷率，和為油動機的滯后時間和關閉時間，為蒸汽容積時間常數。

隨著機組容量的增加時間常數逐漸減小，中間再熱機組的時間常數更小，僅為5～8 s；蒸汽容積時間常數隨著機組容量增加逐漸增大，所以機組容量越大，甩負荷率越高，超速的可能性越大，甩負荷后超速的控制越來越困難。

2.2 調速系統缺陷對汽輪機超速的影響

汽輪機調速系統要保證汽輪機在額定轉速下運行，還要保證甩負荷后汽輪機轉速不超過機械超速保護動作值，調速系統是防止汽輪機超速的第一道防線，如果汽輪機甩負荷后不能保證汽輪機空載運行，就可能會導致汽輪機超速，甩負荷引起超速的主要原因有如下幾點。

（1）調速汽門不能關閉或漏汽量大，抽汽逆止門不嚴或不能關閉，蒸汽繼續進入汽輪機做功，導致汽輪機超速。

（2）調速系統遲緩率過大，導致閥門關閉時間過長引起汽輪機超速。現在DEH控制的汽輪機遲緩率小于0.06%，閥門關閉小于0.5 s甚至更低，AP1000汽輪機主汽門和主調門設計關閉時間分別為0.18 s和0.15 s。

（3）調速系統速度變動率過大。根據試驗，汽輪機甩負荷后汽輪機轉速升高值是速度變動率的1.5倍，假如汽輪機速度變動率為6%，那么甩負荷后汽輪機轉速將升高9%額定轉速[2]，故汽輪機速度變動率一般不超過6%，但過小會引起負荷波動較大，故一般維持在3%～6%，AP1000汽輪機設計速度變動率為4.5%，三菱給出的計算結果，100%甩負荷后，轉速飛升不會超過105.6%。

2.3 汽輪機調速汽門及超速保護裝置故障

如果在汽輪機轉速升高時，而危急保安器不動作或動作過遲的主要原因有飛錘卡澀、彈簧在受力后產生過大的變形、危急遮斷器滑閥卡澀等，致使危急保安器不動作或動作過遲。

2.4 油質及蒸汽品質不合格或超速試驗時操作不當

運行中化學監督不力，EH油、潤滑油及蒸汽品質不合格也會導致汽輪機調速汽門卡澀或機械超速保護裝置故障。

（1）油質管理不善，潤滑油水分及顆粒度長期超標運行，引起機械超速保護裝置腐蝕卡澀。

（2）EH油質不合格導致調速系統部件腐蝕卡澀，停機時進汽閥門無法關閉導致汽輪機超速。

（3）化學監督未執行行業標準，運行中蒸汽品質變差且沒有采取有效措施，長期運行會造成蒸汽閥門結垢卡澀。

3 防止汽輪機超速的策略

鑒于汽輪機超速事故所造成的嚴重后果，通過對超速原因的分析采取針對性策略可以有效避免事故的發生。預防性維修、定期試驗和監督是防止可靠性降級的有效手段。

預防性維修、定期試驗應用如下。

汽輪機超速的主要原因之一為各汽門卡澀或無法關嚴，針對調速汽門及抽氣止回閥卡澀、無法關嚴導致汽輪機超速，采取針對性的預防性維修項目有各調速汽門、油動機及抽汽止回閥解體檢查。調速汽門解體檢查主要對閥門閥桿彎曲度、光滑度、閥座損傷情況及彈簧整體情況等進行檢查，通過這些預防性維修項目可以防止閥桿彎曲變形、彈簧損壞、閥座及閥體損傷等導致閥門無法關閉或無法關嚴；檢查油動機缸體是否存在劃痕磨損等情況，從而發現油動機卡澀的早期征兆；抽汽止回閥的檢修主要對氣動執行機構附件、電磁閥及閥體進行檢查。

針對汽輪機超速保護相關設備開發的針對性的預防性維修項目主要有各轉速探頭定期校驗、轉速卡件功能驗證、伺服閥檢修和伺服閥濾網更換、LVDT定期檢修；在發生超速事故時需要AST母管油壓能快速泄壓，為此需要對隔膜閥定期檢查，并對超速電磁閥（即AST及OPC電磁閥）及卸荷閥定期進行檢修。

定期試驗能夠提前發現能動設備或保護邏輯故障，提早處理，對系統和電站可靠性非常重要。定期試驗開發原則為，在設備可靠性分級后需要對不可見、失效的重要能動設備或邏輯開發定期試驗項目。超速相關的試驗主要包括MOST遠方和就地充油試驗、EOST停機試驗、OPC試驗、機械超速試驗（真實超速）、調速汽閥及抽氣止回閥全關試驗等。

4 結語

AP1000汽輪機配置了OPC超速、電超速及機械超速保護，同時保護系統也有著自己的特點，如OPC動作后通過PLS發關閉信號給各抽汽止回閥；EOST充油試驗可以在主控室內實現等。鑒于汽輪機超速產生的嚴重后果，通過對超速原因的分析采取針對性策略可以有效避免事故的發生。

參考文獻

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[3] 賈超，謝誕梅，董川，等.超臨界汽輪機超速保護系統分析[J].電站系統工程，2007，23（1）：57-59.

[4] 楊曉輝，單世超.核電汽輪機與火電汽輪機比較分析[J].汽輪機技術，2006，48（6）：404-406.

[5] AP1000主汽輪機控制和診斷系統（TOS）系統說明書[Z].