650MW核电机组汽轮机超速保护系统性能及重要变更改造分析

李 倩

（中核核电运行管理有限公司 维修四处，浙江 海盐 314300）

0 引言

汽轮机是在高压、高温的蒸汽环境下高速运转的大型旋转机械设备，转动部分工作时承受着相当大的离心力。随着转速的升高，其离心力会急剧上升，当超过极限转速时，需要通过汽轮机超速保护装置快速减小离心力、降低转速，避免机组出现飞车事故。核电机组不同于火电机组等其它电厂，具有单机容量大、核安全要求高等特点。因此，汽轮机超速保护系统的可靠性是保证核电厂安全稳定运行的重要标准之一，对汽轮机超速保护的研究，具有极其重要的安全意义。

图1 超速保护系统结构图Fig.1 Structure diagram of over-speed protection system

1 汽轮机超速的原因及危害

汽轮机组的最高转速在汽轮机调节系统动态特性允许范围内称“正常转速飞升”，超过危急保安器动作转速至3600r/min 称“事故超速”，大于3600r/min 称为“严重超速”。“严重超速”可以导致汽轮发电机严重损坏甚至报废，是电厂的汽轮发电设备破坏性最大的事故[1]。

1.1 汽轮机超速的原因

汽轮机超速事故是由于汽轮机在调速和保护系统故障及本身的缺陷造成的，具体原因有很多：有如调门不能关闭或漏汽量大、抽汽逆止阀不严或拒绝动作、危急保安装置拒动、AST（Auto Shut-down Trip 自动停机遮断）电磁阀卡涩，主汽门或主调门卡涩等。

1.2 汽轮机超速的危害

汽轮机转子的强度在设计上有一定要求，一般规定为额定转速的110%～120%，零部件的强度裕量相对比较小。当转速超过了其强度极限，可能会造成动静摩擦、叶片断裂、对轮松脱、大轴断裂等严重事故，同时还往往伴有重大人员伤亡等特大事故。所以，一旦汽轮机发生超速且不可控时，往往会给电厂带来巨大的破坏性事故，甚至是毁灭性灾难。

2 秦二厂650MW扩建机组超速保护分析

2.1 超速保护系统结构

秦二厂650MW 扩建机组汽轮机的超速保护主要由DEH（Digital Electro-Hydraulic Control，数字电液控制）调节控制系统、ETS（Emergency Trip System，紧急停机系统）保护系统和机械式危急遮断系统组成，如图1 所示（注：此处仅为出厂时超速保护系统结构，后续技改增加硬件超速保护继电器回路未提及）。在汽轮机前箱小轴的60齿位置有6 个转速探头，包括送TSI（Turbine Supervisory Instrument，汽轮机安全监测）系统的转速探头、零转速探头、送就地转速表的转速探头、送DEH 的OA（Operator Auto， 操 作 员 自 动） 站 参 与OPC（Over speed Protect Controller，超速保护控制）动作的3 个转速探头。其中，送TSI 的两个探头为霍尔效应式的，其余送OA 的及送就地转速表的均为磁阻式的。另外，盘车位置88 齿处也安装有3 个磁阻式转速探头，送DEH 的ETS 站参与紧急停机功能。除此之外，还有1 套飞锤式危急遮断装置，实现了多层保护、冗余设置。

2.2 超速保护功能分析

2.2.1 OPC 103%超速保护

OPC 功能是超速保护的第一步手段，当汽机转速等于或大于额定转速的103%时，DEH 控制指令使主调节阀（GV）和再热调节阀（IV）关闭。当转速降低至103%以下时，GV 和IV 重新开启。OPC 信号触发后，一路送关闭指令给阀门，一路送OPC 电磁阀带电打开卸油，进而再次确保阀门关闭，双路控制双保险。OPC 功能可实现超速的预保护，将超速事故消除在初始阶段。另外，OPC 系统具有在线试验功能，每次大修后可以在线检测OPC 功能完整性。

2.2.2 CIV快关功能

CIV 功能（快关再热调阀IV）一般发生在发电机部分甩负荷，一般情况为电网的短期故障（如瞬间短路），此时必须紧急甩去部分负荷来保持做功平衡。650MW 扩建机组汽轮机的低压缸约带70%的负荷，瞬间快速关闭再热调阀，避免引起机组超速导致更大的事故。

当监测到汽机功率（低压缸进汽压力）超出电功率的80%时，CIV 命令发出，使再热调阀快速关闭并保持0.5s，之后重新开启；如果功率不匹配还存在，10s 后再热调阀会再次动作，直到功率不匹配信号消失为止。随着电网容量的扩大，从故障发生到处理的时间要求越来越短，必须迅速发出控制信号，希望在0.5s 内完成响应。650MW 扩建机组从DEH 控制系统发出命令至IV 阀门本体的完全关闭，经测定能够在0.3s 内完成。

2.2.3 LDA失负荷预测

当汽机功率大于30%，且断路器打开时，被认为是失负荷故障。此时，DEH 的设定值为额定转速，LDA 发出命令同样分两路：一路使OPC 电磁阀动作卸油，一路让所有GV 和IV 迅速关闭并保持2.4s 后再开启，实际转速由PID控制至3000RPM。

采用了失负荷预测功能后，能够减少OPC 的动作次数，较快地达到目标转速，极大地降低了超速风险，且保证了用电品质，减少了瞬态事件的概率。秦二厂650MW 扩建机组在调试期间的100%功率（650MW）下的甩负荷试验趋势如图2 所示，OPC 仅动作3 次就已将汽机转速稳定在3000 RPM，控制品质良好，负荷预测功能有效。

图2 调试期间100%功率下甩负荷试验趋势图Fig.2 Trend diagram of load rejection test under 100% power during commissioning

2.2.4 110%电超速保护

现场盘车位置的3 个转速探头将测得的转速信号送到ETS 机柜3 个高速转速处理卡件，经过中选后的转速模拟量信号通过阈值判断送至ETS 逻辑中的两个跳闸通道，最终使得4 个AST 电磁阀失电卸去AST 油压实现机组停机，以防系统超速。

2.2.5 危急遮断保护

飞锤式机械超速和电气超速遮断值整定在同一转速，它是由位于转子外伸轴上一个横穿孔中的受弹簧载荷的遮断重锤所组成。当汽轮机转速达到遮断整定值时，所增加的离心力克服了弹簧的压力，就将遮断重锤击出并打击在拉钩上。拉钩移动，使杯阀离座而将机械超速和手动遮断总管中油压泄掉。该总管中的油压骤跌，作为接口的薄膜阀动作，将卸去AST 母管油压实现汽轮机停机[2]。

2.2.6 手动打闸

秦二厂650MW 扩建机组分别设有就地手动遮断手柄和主控手动停机按钮两种手动打闸方式，供运行人员进行人为的停机操作。

利用主控停机按钮的两副常开触点，通过硬接线送到DEH 的ETS 站，经逻辑判断输出到AST 电磁阀，使AST电磁阀泄油实现汽轮机停机。利用机头的手动脱扣手柄，可以使保安油卸压实现停机。就地手动脱扣作为汽机保护脱扣的最后一种手段，在其他手段失效时，操作人员可到机头进行手动脱扣。

3 关于增加超速跳机和手动打闸硬件回路的变更改造

3.1 变更原因

650MW 扩建机组原出厂设计的超速保护系统功能已非常成熟，但仍存在两点问题：

1）650MW 扩建机组出厂设计时超速保护相关汽机保护信号，包括超速信号、主控的紧急停机按钮信号，全部送ETS，通过DPU 处理后再输出指令给AST 电磁阀，过于依赖于上层逻辑控制系统，一旦上层逻辑控制系统的ETS系统自身功能发生故障或崩溃，则不能保证有效地停机。

2）ETS 电超速保护采用系统自带的新型带芯片的智能转速卡，卡件本身带有阈值继电器，能够不经过DPU 直接完成阈值运算后输出干触点至AST 电磁阀，且扫描周期极为迅速，仅为10ms。如按初始设计只将速度信号送ETS 的DPU，需经过50ms 的周期运算时间才能跳机。对于汽机保护，尤其是超速保护，越快响应则越安全，很可能是仅仅提高了毫秒级的响应即能够避免一次飞车事故。

3.2 增加电超速硬件跳机

考虑以上存在的问题，秦二厂650MW 扩建机组对汽机超速增加了硬件跳机项，通过增加一个继电器组搭建逻辑和AST 电磁阀的控制串接起来。这不仅将超速卡件自身阈值继电器的功能利用了起来，同时原有的模拟转速信号继续送ETS 参与逻辑运算。

总的来说，秦二厂650MW 扩建机组电超速停机，增加了一路不经过DPU 的硬件跳机控制回路，除了让保护系统更加可靠之外，也增加了保护系统的敏捷性，可以更迅速地实现超速停机。即秦二厂650MW 扩建机组的汽轮机110%电超速保护，实质上有两套电控系统。

3.3 增加手动打闸硬件回路

在ETS 机柜中增加两个手动停机继电器，分别连接到手动停机按钮的两副常开触点。将两个手动停机继电器的各一副常闭触点送到ETS 系统DI 通道，由ETS 系统逻辑判断输出到 AST 电磁阀，将两个手动停机按钮的各两副常闭触点直接串接到AST 电磁阀控制回路。这样就变成了包含继电器控制回路和逻辑运算回路两种保护方式的手动跳闸系统，保证了手动紧急停机保护的可靠性。

增加后的超速保护系统结构示意图如图3 所示。

4 增加机械超速动作或就地打闸监视的优化

由于机械超速和电气超速遮断值基本一致，在进行超速试验时，为了便于主控操纵员及DEH 工程师第一时间捕捉机械超速跳机信号，在《取消650MW 扩建机组汽机远传气动挂闸》的变更改造中，增加了薄膜阀上腔室压力开关，以实现对薄膜阀上腔室油压进行监视（机械超速动作或就地打闸），增加了薄膜阀上腔式油压监控后的超速试验曲线更加直观。

图3 增加硬件跳机后的超速保护系统结构Fig.3 New structure diagram of over-speed protection system

5 取消机械超速变更改造可行性分析

650MW 扩建机组计划在405、306 大修中，实施对两台机组的取消机械超速的变更改造工作。

5.1 机械超速的可靠性分析

超速试验本身是一项“破坏性”试验，需要机组模拟超速工况。尤其是机械超速试验必须将汽轮机真实冲转至3300rpm 左右才能进行试验，且如果试验不合格，需停机调整并重新并网带负荷运行8h 后，再次试验。

另外，由于机械飞锤式危急遮断器设备本身由飞锤、弹簧、调节螺母等一系列部件组成， 各部件存在松脱的可能，误动风险较大；又容易受油质影响，出现液压元件、阀门的卡涩，拒动风险偏高；响应滞后且需定期保养和试验，维护成本较高。

所以综上所述，机械式危急遮断器存在较大隐患，国内也有多个电厂曾发生过危急遮断装置故障导致机组运行期间误跳机的事例。

5.2 电超速的可靠性分析

电超速由于其自身功能完善，逻辑设计合理，且响应快速、准确，不存在类似机械式危急遮断装置的弊端。加上秦二厂650MW 扩建机组电超速有逻辑、硬件“双保险”，相对来说电超速的安全可靠性、稳定性都更胜于机械式超速。

如果能取消机械超速，用双电超来替代，机组可以在任一转速下进行超速性能试验，即只需验证电超速逻辑指令正常且继电器动作阈值正常，不需要机组真实“超速”，提升了机组的寿命，并且可以省去并网后的8h 暖机，大幅度提升了电厂效益。

但电超速探头偶有发生失效故障，之前秦二厂1 号机组超速保护探头ETSSPD1 在2016 年5 月9 日机组满功率运行时突然失效，变为坏点、转速显示为0，经检查判断该磁阻探头已损坏。用于超速的中选块功能性较强，可以在确定3 个通道质量报警状态、是否有报警偏差、是否有控制偏差等不同种状态下，选择合理、恰当的转速值输出。所以，其实在当前只有一个探头故障的情况下，也可以不作任何干预，此时超速跳机的功能性和安全等级完全没有降低，只是误动性略有增加。最终考虑机组安全，并权衡电厂效益，1 号机组办理了临时变更在DEH 中将故障的ETSSPD1 探头点质量强制为good，测量值强制为3000rpm。此状态下，考虑极端情况若又有一个超速探头故障，按照西屋公司原设计的超速保护也是允许在两个超速保护探头故障的情况下继续运行的（3 个超速保护探头在ETS 中使用中选算法，如果两个探头故障，第3 个探头正常，则取第3 个探头输出与3300rpm 比较，超出则跳机）。现阶段，正在讨论、研究相关变更改造，分析是否能引入控制用转速信号参与超速保护，减少单纯探头故障而导致的发电量损失及降低在两个超速保护探头故障情况下的运行风险。

5.3 国内、外取消机械超速的案例调研

目前国内大多数的汽轮机机组，依然保留着机械超速危急遮断装置作为超速保护的最后一道安全屏障。但国外的西门子和阿尔斯通等知名公司，十几年前已全面淘汰了机械超速保护装置，增加了一套电气超速保护系统。河北邯峰、山西阳城、山东日照、华能福州等电厂也采用取消机械超速危急遮断器的设计，且至今也没有关于保护系统故障的案例报道[3]。目前，秦山方家山扩建机组出厂也无机械超速的设计和装置。

5.4 秦二厂650MW扩建机组取消机械超速的可行性

秦二厂650MW 扩建机组之前改造已利用控制平台的自身优势，将电超速变成逻辑、硬件“双控模式”，虽然其测量装置（超速探头）及最终执行装置（AST 电磁阀）还是共用的一套装置，但是增加的卡件硬件跳机比逻辑跳机响应更准确、及时，再次证明了基于原本控制平台的电超速系统保护功能更强大、系统更稳定。另外，加上机械超速本身存在些许弊端，如有更合适、更安全的方式可以考虑替代。

6 结论

目前秦二厂650MW 扩建机组的超速保护系统功能完整、有效，在防止汽轮机超速的相关试验、规程、PM 项中，已经基本涵盖了必要的技术防范措施，对于一些可以细化和改进的部分，也通过变更改造不断优化。

防止汽轮发电机组出现超速事故，最重要、最根本的是基于DEH 调节系统的正常调节功能来完成，而不是单纯依靠作为“最后一道屏障”的停机保护来实现。秦二厂650MW 扩建机组的100%甩负荷试验已证明当前的DEH调节系统有能力对机组瞬态工况进行控制；对于利用平台优势对电超速进行的“软、硬结合”的双控制改造应用，在目前现有的拥有一套电超速、一套机超的机组中，也处于领先位置。

在“一电、一机”的模式下，秦二厂650MW 扩建机组的超速保护性能已经优化至最高级别，但相对于“双电超”保护模式，机械超速保护仍有其自身固有的劣势，且目前“双电超”已是西屋公司一套非常成熟、完整的汽机保护系统，所以秦二厂650MW 扩建机组对于“双电超”的变更改造势在必行。

本文旨在针对西屋公司生产制造的秦二厂650MW 的汽轮发电机组的超速保护进行优化分析，对于同类型、同厂家机组具有一定的借鉴意义。当然，优化超速保护系统本身的同时，仍需要不断提高机组大、小修检修质量，规范运行人员及维修人员的相关技能操作。