汽轮机超速原因及预防策略探讨

朱胜涛

摘 要：汽轮机超速可能导致汽轮机损坏报废，同时还会产生潜在飞射物，对人员厂房及设备造成损伤，由此带来的经济损失巨大。近些年来，国内外发生了多起汽轮机超速飞车损坏事故，该文主要阐述了AP1000核电汽轮机超速保护设计上的特点、汽轮机超速的主要原因，结合汽轮机运行、预防性维修项目和定期试验项目等，提出了汽轮机超速的预防措施。

关键词：汽轮机 超速 维修 定期试验

中图分类号：TK267 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0092-02

汽轮机是在高温、高压下运转的机械，其旋转部件承受着巨大的离心应力，该离心力与转速的平方成正比（F=mω2R），因此随着转速的升高，其离心力快速上升。汽轮机转子一般是按照额定转速的120%设计的，一旦转速超过了设计的强度极限，将造成叶片断裂、动静摩擦，甚至断轴等严重事故。汽轮机超速不仅造成汽轮机本体损坏，同时还会产生潜在飞射物，对人员厂房及设备造成损伤，由此带来的经济损失巨大。

1 AP1000核电汽轮机超速保护特点

AP1000主汽轮机控制和诊断系统（TOS）由三菱设计，通过西屋的OVATION平台实现，是全数字电液调速系统（DEH）。汽轮机主要配置了OPC超速保护、机械超速和电气超速保护。

1.1 OPC超速保护

OPC是指当汽轮机转速非预期升高时，快速关闭主调门GV和再热蒸汽调门ICV，防止汽轮机超速跳机，使汽轮机能够在发生瞬态工况时过渡到稳态工况。OPC超速保护通过汽轮机转速实际升高或汽轮发电机组机械功率和电功率不平衡构成超速预测单元，实现汽轮机超速预保护，发电机功率由发电机定子电流表征，而汽轮机机械功率由低压缸入口压力表征。

1.2 机械超速保护（MOST）

机械超速保护（MOST）是通过一个弹簧加压的偏心飞锤来实现的。当汽轮机转速上升至110%额定转速时，飞锤在离心力作用下飞出，从而使得危急遮断滑阀打开，保安油母管卸压，隔膜阀开启，进而使AST和OPC母管卸压，各蒸汽阀门关闭实现停机。

1.3 电气超速保护（EOST）

电气超速共有12个保护模块，分为4组，每组三取二逻辑，对应于AST4个电磁阀。当转速测量值超过保护设定值111%额定转速时，4个AST电磁阀断电开启，AST母管和OPC母管卸压后，各蒸汽阀门关闭，从而实现汽轮机超速保护停机。

2 导致汽轮机超速的主要原因

汽轮机作为核电厂主要设备之一，虽然与核安全无关，但直接影响着电厂的安全运行。近些年来，国内外发生了多起汽轮机超速飞车损坏事故。2011年2月10日，南非Duvha电厂一台600 MW机组做超速试验时，10 s内汽轮机转速由3 000 r/min上升至4 250 r/min，3套电超速保护及机械超速保护均未动作，整台机组报废。汽轮机超速原因较多，可以从汽轮机本体结构、容量影响及调速和保护系统来进行分析，运行、维修及试验也非常重要。

2.1 汽轮机本体特征对超速的影响

汽轮机甩负荷后的动态最大飞升速度可以用公式进行估算。其中为甩负荷后最大飞升速度，为汽轮机额定转速，为转子飞升时间常数，为甩负荷率，和为油动机的滞后时间和关闭时间，为蒸汽容积时间常数。

随着机组容量的增加时间常数逐渐减小，中间再热机组的时间常数更小，仅为5～8 s；蒸汽容积时间常数随着机组容量增加逐渐增大，所以机组容量越大，甩负荷率越高，超速的可能性越大，甩负荷后超速的控制越来越困难。

2.2 调速系统缺陷对汽轮机超速的影响

汽轮机调速系统要保证汽轮机在额定转速下运行，還要保证甩负荷后汽轮机转速不超过机械超速保护动作值，调速系统是防止汽轮机超速的第一道防线，如果汽轮机甩负荷后不能保证汽轮机空载运行，就可能会导致汽轮机超速，甩负荷引起超速的主要原因有如下几点。

（1）调速汽门不能关闭或漏汽量大，抽汽逆止门不严或不能关闭，蒸汽继续进入汽轮机做功，导致汽轮机超速。

（2）调速系统迟缓率过大，导致阀门关闭时间过长引起汽轮机超速。现在DEH控制的汽轮机迟缓率小于0.06%，阀门关闭小于0.5 s甚至更低，AP1000汽轮机主汽门和主调门设计关闭时间分别为0.18 s和0.15 s。

（3）调速系统速度变动率过大。根据试验，汽轮机甩负荷后汽轮机转速升高值是速度变动率的1.5倍，假如汽轮机速度变动率为6%，那么甩负荷后汽轮机转速将升高9%额定转速[2]，故汽轮机速度变动率一般不超过6%，但过小会引起负荷波动较大，故一般维持在3%～6%，AP1000汽轮机设计速度变动率为4.5%，三菱给出的计算结果，100%甩负荷后，转速飞升不会超过105.6%。

2.3 汽轮机调速汽门及超速保护装置故障

如果在汽轮机转速升高时，而危急保安器不动作或动作过迟的主要原因有飞锤卡涩、弹簧在受力后产生过大的变形、危急遮断器滑阀卡涩等，致使危急保安器不动作或动作过迟。

2.4 油质及蒸汽品质不合格或超速试验时操作不当

运行中化学监督不力，EH油、润滑油及蒸汽品质不合格也会导致汽轮机调速汽门卡涩或机械超速保护装置故障。

（1）油质管理不善，润滑油水分及颗粒度长期超标运行，引起机械超速保护装置腐蚀卡涩。

（2）EH油质不合格导致调速系统部件腐蚀卡涩，停机时进汽阀门无法关闭导致汽轮机超速。

（3）化学监督未执行行业标准，运行中蒸汽品质变差且没有采取有效措施，长期运行会造成蒸汽阀门结垢卡涩。

3 防止汽轮机超速的策略

鉴于汽轮机超速事故所造成的严重后果，通过对超速原因的分析采取针对性策略可以有效避免事故的发生。预防性维修、定期试验和监督是防止可靠性降级的有效手段。

预防性维修、定期试验应用如下。

汽轮机超速的主要原因之一为各汽门卡涩或无法关严，针对调速汽门及抽气止回阀卡涩、无法关严导致汽轮机超速，采取针对性的预防性维修项目有各调速汽门、油动机及抽汽止回阀解体检查。调速汽门解体检查主要对阀门阀杆弯曲度、光滑度、阀座损伤情况及弹簧整体情况等进行检查，通过这些预防性维修项目可以防止阀杆弯曲变形、弹簧损坏、阀座及阀体损伤等导致阀门无法关闭或无法关严；检查油动机缸体是否存在划痕磨损等情况，从而发现油动机卡涩的早期征兆；抽汽止回阀的检修主要对气动执行机构附件、电磁阀及阀体进行检查。

针对汽轮机超速保护相关设备开发的针对性的预防性维修项目主要有各转速探头定期校验、转速卡件功能验证、伺服阀检修和伺服阀滤网更换、LVDT定期检修；在发生超速事故时需要AST母管油压能快速泄压，为此需要对隔膜阀定期检查，并对超速电磁阀（即AST及OPC电磁阀）及卸荷阀定期进行检修。

定期试验能够提前发现能动设备或保护逻辑故障，提早处理，对系统和电站可靠性非常重要。定期试验开发原则为，在设备可靠性分级后需要对不可见、失效的重要能动设备或逻辑开发定期试验项目。超速相关的试验主要包括MOST远方和就地充油试验、EOST停机试验、OPC试验、机械超速试验（真实超速）、调速汽阀及抽气止回阀全关试验等。

4 结语

AP1000汽轮机配置了OPC超速、电超速及机械超速保护，同时保护系统也有着自己的特点，如OPC动作后通过PLS發关闭信号给各抽汽止回阀；EOST充油试验可以在主控室内实现等。鉴于汽轮机超速产生的严重后果，通过对超速原因的分析采取针对性策略可以有效避免事故的发生。

参考文献

[1] 国家能源局.国能安全[2014]161号关于印发《防止电力生产事故的二十五项重点要求》的通知[Z].2014.

[2] 沈士一，庄贺庆，康松，等.汽轮机原理[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3] 贾超，谢诞梅，董川，等.超临界汽轮机超速保护系统分析[J].电站系统工程，2007，23（1）：57-59.

[4] 杨晓辉，单世超.核电汽轮机与火电汽轮机比较分析[J].汽轮机技术，2006，48（6）：404-406.

[5] AP1000主汽轮机控制和诊断系统（TOS）系统说明书[Z].