汽轮机超速保护系统改进技术研究

朱胜涛 吕永焕 沈艳强

摘要：机械超速作为汽轮机超速保护手段，在汽轮机发展中发挥了重要作用。但随着计算机技术的不断发展，仪控技术的可靠性和稳定性不断提升，机械超速的复杂结构、供油回路、注油试验和真超速试验等给电厂的运维、检修等带来了较大的不便，同时影响大修后并网时间，经济性较差。本文结合国内外汽机厂的技术发展和应用，对第三代核电AP1000汽轮机超速保护系统进行改进分析，并提出改进方案。

关键词：机械超速;电超速;改进

中图分类号：TM311文献标识码：A文章编号：2096-6903（2021）12-0068-02

0引言

随着仪控系统的不断发展，特别是数字化仪控的不断应用，稳定性、可靠性、准确性和响应速度不断提高，汽轮机电超速保护优势越来越明显，机械超速本身复杂的机械结构、油回路、维护困难、拒动和误动风险等问题日益显现，无机械超速设计已是国内外汽机超速保护的发展方向。采用第三代核电技术AP1000建造的三门核电一期工程，其汽轮机超速保护系统采用“机械超速+MTP电超速”配置方案，本文将以其为例，进行超速保护系统改进研究分析。

1AP1000汽轮机超速保护概述

1.1机械超速保护

汽轮机机械超速装置采用飞锤式危急保安器，位于汽机前轴承箱，在转子立面上该飞锤重心为偏心布置。飞锤由弹簧控制，并通过调节螺母调整飞锤飞出的离心力所对应的转子转速。当汽轮机转速达到了机械超速设定值，飞锤所受离心力增大飞出，进而撞击碰钩，碰钩动作后打开了危急遮滑阀，使得保安油卸压。一旦保安油卸压，用于压制隔膜阀弹簧的油压力丧失，从而打开隔膜阀，将AST母管中的油卸压，关闭汽轮机进汽阀门，最终实现紧急跳机。

1.2电超速保护

电超速保护方案采用三个磁阻转速探头，分别送到四个MTP机柜进行超速逻辑判断（MTP执行电超速的设定值为111%额定转速），经三取二后产生跳机逻辑，如图1所示。

1.3机械超速保护存在的问题

随着网控及汽轮机控制技术的发展，对汽轮机运行的安全性、稳定性提出了更高的要求，机械超速保护系统的固有不足及真超速试验中存在的巨大风险开始凸显。机械超速系统结构复杂，对油质要求高，油液污染会带来设备锈蚀、卡涩等不利影响，产生保护“拒动”或“误动”风险，且进行机械超速试验影响二次并网时间，经济性较差。

2汽机超速保护改进方案

2.1双电超速保护可行性方案

根据三门核电一期工程汽轮机超速保护系统配置特点，取消机械超速，增加一套电超速，形成独立电超速保护和原有的MTP超速保护的“双电超”，可行改造方案如下：

（1）取消MOST相关设备部件和管道，包括危急遮断器滑阀、危急遮断活塞阀、挂闸装置、就地打闸装置等;

（2）增加一套就地打闸的滑阀装置，紧急状态下就地手动泄放AST母管油压;

（3）增加一组“两或一与”跳闸电磁阀组;

（4）增加一套三冗余独立电超速控制柜;

（5）增加一组三用一备的就地转速探头等。

新增独立电超速保护逻辑如图2所示，其装置的电子设备独立于DCS及TSI，通过三冗余结构，以三取二的方式实现机组的超速保护，该装置能快速响应汽机转速变化，有效应对超速工况，并及时输出跳机指令，防止汽机超速，确保汽机安全。其有三路输入，相应设置三个模块（A/B/C），每个模块独立接收三个转速信号，并通过内置超速保护整定值对实际转速做高限判断，然后送出两路继电器输出。三个模块共计六路继电器输出在三取二表决后，经继电器扩展输出跳闸信号，其中四路驱动四个新增的跳机电磁阀。

新增电超速保护完全独立于MTP电超速保护，满足国标和二十五项规定的要求。改进后两套电超速保护动作定值设置如下：

（1）110%独立电超速保护：在事故工况下，转速升至110%额定转速时，独立电超速保护装置输出两路超速跳机信号，直接送独立电超速电磁阀组，实现汽轮机跳闸;

（2）111%MTP超速保护：111%ETS（MTP）超速保护：当汽轮机转速升至111%时，ETS（MTP）使AST电磁阀组快速泄放AST停机遮断油路油压，实现汽轮机跳闸。

2.2独立电超速相对机械超速的优势

（1）精度高：三路轉速传感器测量范围为0—4999rpm;转速传感器测量精度n≤±1rpm;转速卡转速测量周期T≤5m/s;转速判断至继电器动作输出时间≤20m/s。

（2）可靠性高：机械超速装置由于机械结构原因，撞击子容易出现卡涩及动作值偏移等问题，而采用电超速模块，动作值可靠性高达99.9%。

（3）易维护：机械超速装置安装于汽轮机前轴承箱，结构复杂维修难度大;而电子式超速，在汽轮机转子上只有测速支架及转速探头，且都为成熟配置方案，易于维护。超速保护控制柜布置于电子间，设计有自动超速试验功能，便于巡检及定期试验。

（4）节省空间：机械超速装置占用前箱较大空间，采用电子式超速后可拆除机械超速所有装置，新增设备占用空间有限。

3双电超保护方案分析

3.1可靠性分析

3.1.1成熟产品

本方案独立电超速采用WOODWARDProTech-GII系列超速测量装置，该模块是彻底的三冗余结构，能够接受冗余电源输入，满足IEC61508SIL-3（safetyintegritylevel，安全完整性水平）认证，并且在火电及核电领域大规模的应用。

3.1.2多样性配置

新增独立电超速装置与原MTP电超速多样化配置，如采用不同工作原理的转速探头、不同平台的处理装置、不同的电源来源等，能有效预防共模故障，提高可靠性，对比见下表1。

3.1.3電源可靠性分析

根据独立电超速装置的特性，配置两路独立且冗余的220VAC电源，并且通过冗余辅助电源模块给相关继电器和辅助供电。同时，引两路220VDC电源给新增跳机电磁阀。

3.1.4交叉跳机

在此方案中，两套电超速通过跳机电磁阀完成跳机保护动作。为进一步提高可靠性，可通过独立电超速装置与MTP相互跳机，避免部分设备故障带来的拒动。该互跳配置能够在任意一套控制模块故障叠加任意一组跳机电磁阀故障的情况下实现跳机保护功能，提高了超速保护的可靠性。

3.2经济性分析

以三门核电一期工程为例，汽轮机超速保护系统在实施变更改造后，每次大修将减少关键路径时间10h左右;同时因消除了机械超速的不利因素，也提高电站的设备可靠性水平。

4结语

取消机械超速保护装置是汽轮机超速保护系统的发展趋势，对第三代核电技术AP1000汽轮机超速保护系统进行改进，取消了复杂的机械超速装置系统，增加一套独立的电超速保护装置，其技术条件可行，同时也可极大的提高机组的安全性和经济性。

参考文献

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[2]TurbineOverspeedTripModernizationRequirementsandImplementationGuidance[R].EPRI，2006.

[3]防止电力生产事故的二十五项重点要求[G].国家能源局，国能安全[2014]161号.

ResearchonImprovingTechnologyofOverspeedProtectionSystemfor

NuclearTurbine

ZHUShengtao，LVYonghuan，SHENYanqiang

（SanmenNuclearPowerPlant，TaizhouZhejiang317112）

Abstract：Asaprotectionmethod，mechanicalover-speedprotectionmakesagreatcontributiontothedevelopmentofturbine.Withtheimprovementofcomputertechnology，thereliabilityandstabilityofI&Chavebeenincreasing，incontrast，thecomplexconstruction，oilloop，oilinjectingtestandactualover-speedtestofmechanicalover-speedbringinconveniencetotheoperationandmaintenanceofthepowerplant，alsoimpactthegridconnectiontimeaswellastheeconomy.Combinedwiththeturbinetechnologydevelopmentandutilization，thispaperanalyzestheimprovementofAP1000nuclearturbineoverspeedprotectionsystem，andputsforwardtheimprovementplan.

Keywords：mechanicalover-speed;electricover-speed;improvement