在役核电站一种高可靠性的汽轮机超速保护的研究与实践

张利冰，丁近厚，沈元帆，杨 帆

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

秦山第二核电厂（简称秦二厂）是中国自主设计、自主建造、自主管理和自主运营的首座60万千瓦商用压水堆核电站，4台机组汽轮机都是国内汽轮机厂制造，其机械超速保护系统来源于国外引进的早期技术，目前运行情况良好，历次大修后启机时超速保护试验都顺利执行完成。但随着对于汽轮机可靠性的进一步研究，由于试验时需将汽轮机的转速实际升到超速值，对叶片的损伤较大，且每次机械超速试验前需要带低负荷暖机8 h，影响二次并网的时间，经济效益差。因此，迫切需要一种高可靠性的汽轮发电机组的超速保护，以数字化控制为基础，更适应现代化、智能化发电厂的发展。

本次改造是国内首次对在役核电站汽轮机进行机械超速保护系统的改造，属于国内大型核电机组首创。利用冗余转速通道进行三取二的保护逻辑配置替代传统的机械超速保护装置，整套系统完全独立于现有的超速保护装置。

1 项目背景

秦二厂汽轮机原有的超速保护，配置了电超速和机械超速两套不同原理的双重保护。机械超速保护装置在机组大修后和机组运行期间均要定期做注油试验和超速试验，必要时还要停机进行调整和二次试验。在试验中，容易发生飞锤卡涩不能正常出击；遮断器滑阀不能正常远方挂闸；飞锤间隙调整不当，使机组跳闸等状况，大大降低了机组稳定运行的安全系数[1]。

机械超速保护装置配置及原理如图1所示。

图1 机械超速保护装置原理[2]Fig.1 Principle of mechanical overspeed protection device[2]

近年来，有关汽轮机叶片疲劳断裂的各类事件一直引发各方对汽轮机运行可靠性的高度关注。保险公司最新数据显示，汽轮机故障损失约有半数是在进行机械超速保护试验加速时所发生的。

鉴于“机械超速存在设定值不精确，系统缺乏诊断、系统维护困难，试验存在难度和风险，一个燃料循环中无法试验，试验中使汽机叶片和发电机转子承受不必要的应力”等固有缺点，秦二厂首次提出专项改造申请。数字化超速保护系统可以在汽轮机不超速的状态下进行试验，从而完全避免了超速引发的风险。数字化系统精确度更高，自动判断力更强，因此可靠性更强，预维费用更低。

2 改造方案

总体思路：以数字化控制为基础，新增一套独立的电超速保护装置替代传统机械超速保护装置。

1）新设计三取二跳机装置

在机头新增一个三取二跳机模块，与原有的集成跳机块并联布置，实现独立电超速保护、独立跳机的功能。三取二设计有效避免了单通道故障带来的安全隐患，新增跳机装置为原有跳机装置的冗余配置，真正实现了超速保护的独立动作。

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2）多重冗余的控制回路

新增独立电超速由两路外部电源供电，确保在一路外部电源丧失的情况下不会误跳机。三取二跳机块的3个电磁阀由两路外部给电磁阀配电模块供电，确保在丧失一路外部电源的情况下只有一个电磁阀会失电，不会出现误跳机的情况。为了在线进行跳机块通道试验，在每个电磁阀的控制回路上都增加了试验回路。为保证操纵员在紧急情况下能及时停机，主控跳机按钮和就地跳机按钮的跳机信号均接入到各个电磁阀的控制回路[3]。

3）新设计就地跳机按钮

在机头新增一个手动跳机按钮以代替原机械超速的手动停机操纵杆，该按钮触发的跳机信号同时接入跳机继电器回路和独立电超跳机回路，确保紧急情况下能及时停机。

4）新设计专用能动式超速保护探头

加工新的安装支架，用于安装原有探头及新增的4个独立电超专用测速探头（一个为备用）。原超速保护探头为非能动式磁阻探头，新增独立电超保护探头选用能动式霍尔效应探头，在设计上同时考虑了独立性和多样性。

5）设计有控制监测试验功能的画面

汽轮机保护和控制系统所使用的设备及组态保持现状不变。在操纵员站的图形接口界面上，增加独立电超保护通道试验的图形界面，增加首出逻辑对新增跳机按钮及独立电超跳机信号的捕捉，增加对独立电超的电源及跳机通道的异常监视报警功能，增加独立电超跳机后的主控复位功能。在线试验是保证安全装置可靠运行的必备手段，可视化的在线试验监控手段有效避免了以前现场注油试验带来的跳机风险。

拆除机械超速装置相关设备，包括隔膜阀、危急遮断器（其中，短轴上的飞锤式撞击子保留，并将紧固螺丝拧紧）、危急遮断器滑阀，以及保安操纵装置等其他相关的油路管线。油管切除后，遗留的接管口及前箱穿缸孔洞均进行焊封。取消了飞锤动作机构，避免因保安油管路上各部件因接头漏油、溢油阀整定值漂移、危急遮断滑阀的扭弹簧加载力矩不当、危急遮断滑阀及试验滑阀的阀芯或阀杆不严密等易发故障使保安油泄压，从而使遮断滑阀的背压降低导致遮断滑阀不正常，提前动作使机组跳闸的非停事件出现，避免了定期注油试验带来的机组误跳风险。

7）设计取消关键敏感设备

取消了薄膜阀（油压控制薄膜阀是触发机械跳机的执行机构，属于关键敏感设备），避免了因膜头漏油、定值调整过大、阀门本身故障等缺陷导致的机组误跳。

3 关键技术与难点

独立电超速保护装置的可靠性要求极高，与现有的跳机保护系统必须分离，之间不能有控制、配电之间的交集。现有机械超速设备的拆除不能影响汽轮机轴系，尽量减少可能的漏油风险。

原有机械超速涉及汽轮机控制的气回路和油回路，这些回路都是汽轮机稳定运行的必要基石，如果改动不当，则直接导致汽轮机无法正常启用，对电厂影响巨大，或对今后机组的安全稳定运行留下隐患。

新的电超速涉及到配电稳定性、信号传输质量、逻辑质量位判定等问题，都需要在实施前多方验证，以确保不影响机组的正常运行。

探头安装支架等就地设备都需要现场测绘，日常运行期间不具备工作条件，只有利用机组大修窗口，无形中增加了大修工作量，工期更为紧迫。

4 效果与创新点

本次改造是目前国内核电厂汽轮机组首次进行机械超速改电超速项目，对标的技术标准和要求都是核电站所独有的。通过改造后机组的运行情况和历次逻辑验证试验的结果，目前秦二厂采用的技术已经验证是成熟可靠的，整套设备的可靠性高，稳定性强，且已向其它核电机组进行经验共享。

超速试验可在3000RPM完成，避免了在3300RPM试验时对汽轮机组造成的不必要损伤。

新增三取二跳机电磁阀及独立供电装置，设计了多重冗余的控制回路，分别使用3块转速卡件对3个转速探头进行独立采集，通道之间完全独立，设计有控制监测试验功能的画面。

新设计三取二跳机装置、就地跳机按钮、专用能动式超速保护探头、重新设计机械超速拆除后的油回路、同时取消了关键敏感设备。相对于原超速保护从配电、转速测量、数据采集、完成跳机动作等整个回路完全独立，有效防止了共因故障。

改造前的前箱内机械式飞锤撞击子液压超速控制回路布置紧密，设备和管路排布错综复杂，故障点多。改造后对前箱内的管路和设备进行优化，整洁美观，如图2所示。

图2 改造后前箱内部图Fig.2 Internal drawing of front box after transformation

改造后新增的控制机柜，包含三取二控制模块及电磁阀配电回路，控制柜内布置科学合理，如图3所示。

图3 新增控制机柜图Fig.3 Diagram of new control cabinet

5 效益及推广前景

直接经济效益：增加独立电超后，大修结束机组首次并网后无需再次解列执行超速试验，这样可使每次大修关键路径均减少10个小时以上。如按秦二厂4台机组分别要进行20次大修计算，可直接增加满负荷发电800 h，效益巨大。

间接经济效益：机组启动时的超速试验可以在3000 RPM执行（修改电超速定值），降低了以往在3300 RPM附近机械超速真实动作试验对汽机叶片造成应力损害的风险，使机组的安全性得到提高。

目前，秦二厂4台机组都已顺利实施改造工作，改造后系统运行良好、稳定。此技术优化已经在海南核电站得到了推广应用，目前国内其它核电厂也正处于调研阶段，前景广泛。

6 结语

汽轮机超速保护系统是发电厂的重要保护系统，是机组安全稳定运行的关键，对机械超速的改造在国内核电领域中尚属首次实施。

新增独立电超速保护装置，从测速探头选型、安装到控制回路设计及实现都充分考虑了多样性和独立性，为超速保护系统的可靠运行提供了保证。

通过定值修改的方式完成定期的超速保护试验，避免了汽轮机实际转速的上升，减少对于汽轮机叶片的损伤。原有机械超速的暖机时间需求也无要求，能够提前大致10 h完成二次并网工作，改造后效益显著，机组运行性能进一步改善。

在同行观望中，工作人员勇于实践，有效避免改造中的各种风险，成功实现改造目标，起到了很好的示范效应，其中的改造经验为同行实施提供了参考依据。