汽轮机保护和脱扣系统的优化与改造

刘 林

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

汽机保护和脱扣系统的功能是当汽轮机发生任何预定的机械故障或发变组出现故障时，为汽轮机提供安全停机的手段，防止事故发生、扩大和设备损坏。因此，脱扣装置至关重要，既要防止误动，又要防止拒动。

1 汽轮机保护和脱扣系统概况

汽轮机保护包括甩全负荷保护、甩部分负荷保护、超速保护。脱扣由汽机自动保护装置（ETS）实现。汽机共有18个阀门，其中2个主汽阀、4个主调阀、6个再热主汽阀和6个再热截止阀。汽机脱扣是使这18个阀门全部关闭。

1）甩全负荷保护：当由于电力系统故障导致汽轮发电机跳闸或电网解列仅带厂用电运行时，DEH系统能立即关闭主调阀和再热截止阀，并在延迟一段时间后，再自动将主调阀和再热截止阀重新开启，维持汽轮机在额定转速下空转（或带厂用电运行）；2）甩部分负荷保护：当由于电气故障引起汽轮发电机功率突降，从而使汽轮机实发功率与发电机功率不匹配时，DEH系统能立即关闭再热截止阀（然后开启）；3）超速保护：当汽轮机转速超过额定转速的103%时，DEH系统能作用于快关阀门回路；当转速达到额定转速的110%时，DEH系统能发出指令，关闭主汽门和调节汽门，防止进一步超速。

汽机自动保护装置（ETS）用以监视汽轮机的某些参数，当这些参数超过其运行限制值时，该系统就关闭全部汽轮机蒸汽进汽阀门，紧急停机。这些参数是：远方手动停机、汽机的转速超过动作转速、真空低于极限值、润滑油压下降超过极限值、转子轴向位移超过极限、汽机差胀超过极限值、推力瓦温度超过极限值、汽机轴振动达到危险值、轴承润滑油压力低保护、抗燃油压过低、发电机保护、DEH故障信号、反应堆的信号。ETS系统布置成“与——或”门的通道方式，即可防误跳也可防拒跳，同时允许在线试验。ETS控制柜是系统的核心部分，完成系统的控制和监视。它是由电气超速组件、逻辑组件、电源组件及端子排组成[1]。

图1 机械超速系统图Fig.1 Mechanical overspeed system diagram

2 超速保护的优化与改造

2.1 超速改造前

机械超速及手动停机装置包含有危急遮断器、危急遮断器滑阀以及保安操纵装置。如图1所示，危急遮断器设有一套飞锤式撞击子，控制一个危急遮断器滑阀。飞锤偏心装在汽轮机转轴上，并被压缩弹簧压在飞锤端部的定位块上。靠弹簧的压力来克服转子转动时所产生的离心力，在3000r/min 时，由于飞锤的离心力小于阻止飞锤移动的弹簧压缩力，飞锤不能飞出。当汽轮机工作转速达额定转速的110%～112%时，撞击子的离心力克服了弹簧的约束力，撞击子便飞出打击危急遮断器滑阀扳机，使危急遮断器滑阀向右移动，于是保安油与排油相通，致使薄膜阀迅速打开，泄去高压遮断安全油，快速关闭主汽门及调速汽门。

飞锤出击动作定值的整定较为麻烦, 不准确、误差大以及响应油路上增加许多不安全点、泄漏点，加大了油路的维护量；为了保证汽轮机保护和脱扣系统能可靠动作必须进行一些保护试验，包括手动脱扣试验、充油试验及超速试验。其中，手动脱扣检查了脱扣机构及危急遮断滑阀控制的可靠性，但未对飞锤进行试验。因此，设置了超速离心跳闸装置的注油试验，试验时将手动超速试验手柄扳至试验位置，且保持该位置不松手，缓慢开启危急遮断器注油阀，通过将润滑油注到与撞击子底部连通的孔里面，使撞击子底部空间增加有质量的介质，同时也产生一定的压力，从而实现在额定转速下就能够将撞击子推出，当手动脱扣手柄振动且有移向“脱扣”位置趋势时，记录此时注油压力，然而注油试验并不能完全证实真正运行中飞锤动作的正确性。因此，还设置了超速试验。超速试验具有一定得危险性，所以为了防止超速试验带来的危险，在做超速试验时不希望转子再有其它热应力出现，也不希望转子处于低温脆化点附近进行试验。规定：大修后起机时做机械超速试验前，机组需已带10%以上负荷至少运行8h后使转子温度均匀升高后，允许与电网解列且稳定在3000rpm上运行，进行超速试验。试验时间不允许过长，超速试验持续时间不应超过2min[2]。若超速机构解体检修过，机械超速动作值验证两次。由此可见，机械超速装置试验困难且风险也高，试验易导致汽机转速超过限值，这也影响了二次并网的时间，经济效益差，同时汽轮机机械超速试验时，对叶片的损伤较大。

图2 独立电超三取二跳机模块工作原理图Fig.2 Working schematic diagram of independent electric ultra-triple take Two jumping machine module

根据EPRI——美国电力研究协会（Electric Power Research Institute）2006年11月的1份技术报告，美国汽轮发电机组的超速毁机恶性事故，50%发生于超速试验中，美国各核电厂从2000年开始已陆续经系统升级改造取消了危急遮断系统。国内部分电厂的实践，中国发电厂的超速毁机也大多发生于超速试验中。由此可见，机械超速危急遮断系统可靠性较差，威胁着机组运行安全。

2.2 采取的改造优化措施

取消机械超速相关的装置及设备，具体包括：隔膜阀、机械超速及手动停机装置（包含有危急遮断器、危急遮断器滑阀以及保安操纵装置），其中的飞锤式撞击子保留，并将紧固螺丝拧紧；增加一套独立电超装置（新增设备包括一套Diverse Overspeed Protection（DOPS）、一个三取二跳机模块（Trip Dump Manifolds (TDM)）、4个转速探头（其中一个作为备用探头）、一个带指示灯的就地跳机及继电器回路），新增4个转速探头安装在前箱，取代目前使用的就地手动打闸及机械超速保护系统，在操纵员站增加相关图形按钮。DEH/ETS目前所使用的设备及组态保持现状不变，现有的人机接口硬件保持不变，只在操纵员站的ETS图形接口界面上增加独立电超保护试验的相关图形按钮并对原四取二通道试验修改为三取二通道试验，其余图形接口界面保持现状不变。人机接口与原系统基本保持不变，改造实施后基本不影响操纵员的正常使用。

机超取消后，机头的手动停机及试验拨杆也一并取消，在机头新装的一个停机按钮实现就地打闸的功能。

独立电超速保护装置独立于DEH、ETS系统，以三冗余超速保护控制器为核心，每个控制模块独立接收转速信号并做出超速判断[3]。

独立电超装置只与安装在前箱独立的3个测速速探头配合使用，当汽轮机超速时，发出跳机指令给三取二跳机模块，卸去EH油，触发跳机。独立电超装置通过硬接线输出转速信号至汽机自动保护装置用于主控室画面显示；汽机自动保护装置通过硬接线输出复位指令至独立电超装置，用于独立电超装置跳机后汽轮机挂闸。汽机自动保护装置还通过硬接线输出信号至独立电超装置电磁阀的供电回路，用于正常运行时的跳机电磁阀试验。

如图2所示，3个电磁阀为机组正常运行得电开，失电关，一个电磁阀控制两个二级阀门，一个模块的二级阀共计6个，分别为A1A2，B1B2，C1C2；分别由ABC 3个电磁阀控制，当出现跳机信号时必须有两个电磁阀动作，才能实现跳机动作，如A-B或者B-C，ABC 3个电磁阀任意组合。一个模块的正常泄漏量为1.6加仑（约6.05666升）。

改造完成后，有两个并联布置的跳机模块，其中一个是OPC-AST联合四取二跳机块，一个是新增用于实现独立电超速保护跳机功能的三取二跳机块。

取消机超改为增加一路电超可以避免汽机在执行超速试验时受到的过大应力损害风险；同时，改造后超速试验可以在3000rpm下执行（通过改电超速定值试验），首次并网后无需再执行超速试验，这样可使大修关键路径减少10个小时以上，提高了经济效益。

3 EH油压低跳机定值优化与改造

当系统甩负荷OPC动作时及一次调频等工况时，系统用油量大幅增大，系统压力会有下降但要保证主汽阀不关闭，如果定值设置较高，会容易导致跳机事件的误发生。因此，在保证系统安全的前提下的最低压力设定为跳机值，将EH油压低跳机值由9.8MPa修改为9.31MPa。

4 结束语

通过取消机械超速，增加电气超速及部分跳机信号的优化，提高了机组运行的安全性和可靠性及系统的稳定性，缩短了试验时间，提高了经济效益。