在役核電站一種高可靠性的汽輪機超速保護的研究與實踐

張利冰，丁近厚，沈元帆，楊 帆

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山第二核電廠（簡稱秦二廠）是中國自主設計、自主建造、自主管理和自主運營的首座60萬千瓦商用壓水堆核電站，4臺機組汽輪機都是國內汽輪機廠制造，其機械超速保護系統來源于國外引進的早期技術，目前運行情況良好，歷次大修后啟機時超速保護試驗都順利執行完成。但隨著對于汽輪機可靠性的進一步研究，由于試驗時需將汽輪機的轉速實際升到超速值，對葉片的損傷較大，且每次機械超速試驗前需要帶低負荷暖機8 h，影響二次并網的時間，經濟效益差。因此，迫切需要一種高可靠性的汽輪發電機組的超速保護，以數字化控制為基礎，更適應現代化、智能化發電廠的發展。

本次改造是國內首次對在役核電站汽輪機進行機械超速保護系統的改造，屬于國內大型核電機組首創。利用冗余轉速通道進行三取二的保護邏輯配置替代傳統的機械超速保護裝置，整套系統完全獨立于現有的超速保護裝置。

1 項目背景

秦二廠汽輪機原有的超速保護，配置了電超速和機械超速兩套不同原理的雙重保護。機械超速保護裝置在機組大修后和機組運行期間均要定期做注油試驗和超速試驗，必要時還要停機進行調整和二次試驗。在試驗中，容易發生飛錘卡澀不能正常出擊；遮斷器滑閥不能正常遠方掛閘；飛錘間隙調整不當，使機組跳閘等狀況，大大降低了機組穩定運行的安全系數[1]。

機械超速保護裝置配置及原理如圖1所示。

圖1 機械超速保護裝置原理[2]Fig.1 Principle of mechanical overspeed protection device[2]

近年來，有關汽輪機葉片疲勞斷裂的各類事件一直引發各方對汽輪機運行可靠性的高度關注。保險公司最新數據顯示，汽輪機故障損失約有半數是在進行機械超速保護試驗加速時所發生的。

鑒于“機械超速存在設定值不精確，系統缺乏診斷、系統維護困難，試驗存在難度和風險，一個燃料循環中無法試驗，試驗中使汽機葉片和發電機轉子承受不必要的應力”等固有缺點，秦二廠首次提出專項改造申請。數字化超速保護系統可以在汽輪機不超速的狀態下進行試驗，從而完全避免了超速引發的風險。數字化系統精確度更高，自動判斷力更強，因此可靠性更強，預維費用更低。

2 改造方案

總體思路：以數字化控制為基礎，新增一套獨立的電超速保護裝置替代傳統機械超速保護裝置。

1）新設計三取二跳機裝置

在機頭新增一個三取二跳機模塊，與原有的集成跳機塊并聯布置，實現獨立電超速保護、獨立跳機的功能。三取二設計有效避免了單通道故障帶來的安全隱患，新增跳機裝置為原有跳機裝置的冗余配置，真正實現了超速保護的獨立動作。

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2）多重冗余的控制回路

新增獨立電超速由兩路外部電源供電，確保在一路外部電源喪失的情況下不會誤跳機。三取二跳機塊的3個電磁閥由兩路外部給電磁閥配電模塊供電，確保在喪失一路外部電源的情況下只有一個電磁閥會失電，不會出現誤跳機的情況。為了在線進行跳機塊通道試驗，在每個電磁閥的控制回路上都增加了試驗回路。為保證操縱員在緊急情況下能及時停機，主控跳機按鈕和就地跳機按鈕的跳機信號均接入到各個電磁閥的控制回路[3]。

3）新設計就地跳機按鈕

在機頭新增一個手動跳機按鈕以代替原機械超速的手動停機操縱桿，該按鈕觸發的跳機信號同時接入跳機繼電器回路和獨立電超跳機回路，確保緊急情況下能及時停機。

4）新設計專用能動式超速保護探頭

加工新的安裝支架，用于安裝原有探頭及新增的4個獨立電超專用測速探頭（一個為備用）。原超速保護探頭為非能動式磁阻探頭，新增獨立電超保護探頭選用能動式霍爾效應探頭，在設計上同時考慮了獨立性和多樣性。

5）設計有控制監測試驗功能的畫面

汽輪機保護和控制系統所使用的設備及組態保持現狀不變。在操縱員站的圖形接口界面上，增加獨立電超保護通道試驗的圖形界面，增加首出邏輯對新增跳機按鈕及獨立電超跳機信號的捕捉，增加對獨立電超的電源及跳機通道的異常監視報警功能，增加獨立電超跳機后的主控復位功能。在線試驗是保證安全裝置可靠運行的必備手段，可視化的在線試驗監控手段有效避免了以前現場注油試驗帶來的跳機風險。

拆除機械超速裝置相關設備，包括隔膜閥、危急遮斷器（其中，短軸上的飛錘式撞擊子保留，并將緊固螺絲擰緊）、危急遮斷器滑閥，以及保安操縱裝置等其他相關的油路管線。油管切除后，遺留的接管口及前箱穿缸孔洞均進行焊封。取消了飛錘動作機構，避免因保安油管路上各部件因接頭漏油、溢油閥整定值漂移、危急遮斷滑閥的扭彈簧加載力矩不當、危急遮斷滑閥及試驗滑閥的閥芯或閥桿不嚴密等易發故障使保安油泄壓，從而使遮斷滑閥的背壓降低導致遮斷滑閥不正常，提前動作使機組跳閘的非停事件出現，避免了定期注油試驗帶來的機組誤跳風險。

7）設計取消關鍵敏感設備

取消了薄膜閥（油壓控制薄膜閥是觸發機械跳機的執行機構，屬于關鍵敏感設備），避免了因膜頭漏油、定值調整過大、閥門本身故障等缺陷導致的機組誤跳。

3 關鍵技術與難點

獨立電超速保護裝置的可靠性要求極高，與現有的跳機保護系統必須分離，之間不能有控制、配電之間的交集。現有機械超速設備的拆除不能影響汽輪機軸系，盡量減少可能的漏油風險。

原有機械超速涉及汽輪機控制的氣回路和油回路，這些回路都是汽輪機穩定運行的必要基石，如果改動不當，則直接導致汽輪機無法正常啟用，對電廠影響巨大，或對今后機組的安全穩定運行留下隱患。

新的電超速涉及到配電穩定性、信號傳輸質量、邏輯質量位判定等問題，都需要在實施前多方驗證，以確保不影響機組的正常運行。

探頭安裝支架等就地設備都需要現場測繪，日常運行期間不具備工作條件，只有利用機組大修窗口，無形中增加了大修工作量，工期更為緊迫。

4 效果與創新點

本次改造是目前國內核電廠汽輪機組首次進行機械超速改電超速項目，對標的技術標準和要求都是核電站所獨有的。通過改造后機組的運行情況和歷次邏輯驗證試驗的結果，目前秦二廠采用的技術已經驗證是成熟可靠的，整套設備的可靠性高，穩定性強，且已向其它核電機組進行經驗共享。

超速試驗可在3000RPM完成，避免了在3300RPM試驗時對汽輪機組造成的不必要損傷。

新增三取二跳機電磁閥及獨立供電裝置，設計了多重冗余的控制回路，分別使用3塊轉速卡件對3個轉速探頭進行獨立采集，通道之間完全獨立，設計有控制監測試驗功能的畫面。

新設計三取二跳機裝置、就地跳機按鈕、專用能動式超速保護探頭、重新設計機械超速拆除后的油回路、同時取消了關鍵敏感設備。相對于原超速保護從配電、轉速測量、數據采集、完成跳機動作等整個回路完全獨立，有效防止了共因故障。

改造前的前箱內機械式飛錘撞擊子液壓超速控制回路布置緊密，設備和管路排布錯綜復雜，故障點多。改造后對前箱內的管路和設備進行優化，整潔美觀，如圖2所示。

圖2 改造后前箱內部圖Fig.2 Internal drawing of front box after transformation

改造后新增的控制機柜，包含三取二控制模塊及電磁閥配電回路，控制柜內布置科學合理，如圖3所示。

圖3 新增控制機柜圖Fig.3 Diagram of new control cabinet

5 效益及推廣前景

直接經濟效益：增加獨立電超后，大修結束機組首次并網后無需再次解列執行超速試驗，這樣可使每次大修關鍵路徑均減少10個小時以上。如按秦二廠4臺機組分別要進行20次大修計算，可直接增加滿負荷發電800 h，效益巨大。

間接經濟效益：機組啟動時的超速試驗可以在3000 RPM執行（修改電超速定值），降低了以往在3300 RPM附近機械超速真實動作試驗對汽機葉片造成應力損害的風險，使機組的安全性得到提高。

目前，秦二廠4臺機組都已順利實施改造工作，改造后系統運行良好、穩定。此技術優化已經在海南核電站得到了推廣應用，目前國內其它核電廠也正處于調研階段，前景廣泛。

6 結語

汽輪機超速保護系統是發電廠的重要保護系統，是機組安全穩定運行的關鍵，對機械超速的改造在國內核電領域中尚屬首次實施。

新增獨立電超速保護裝置，從測速探頭選型、安裝到控制回路設計及實現都充分考慮了多樣性和獨立性，為超速保護系統的可靠運行提供了保證。

通過定值修改的方式完成定期的超速保護試驗，避免了汽輪機實際轉速的上升，減少對于汽輪機葉片的損傷。原有機械超速的暖機時間需求也無要求，能夠提前大致10 h完成二次并網工作，改造后效益顯著，機組運行性能進一步改善。

在同行觀望中，工作人員勇于實踐，有效避免改造中的各種風險，成功實現改造目標，起到了很好的示范效應，其中的改造經驗為同行實施提供了參考依據。