葉道權(quán)

摘要：汽輪機(jī)超速時(shí)不僅損壞汽機(jī)本體，而且還可能對(duì)汽輪機(jī)廠房其他設(shè)備和人員造成潛在飛射物傷害。相比于秦山二期，三門核電汽輪機(jī)機(jī)械超速保護(hù)裝置設(shè)計(jì)上能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控和就地注油試驗(yàn)，注油試驗(yàn)和超速試驗(yàn)自動(dòng)化程度也更高，從而在不降低可靠性的同時(shí)提高效率。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；機(jī)械超速；注油試驗(yàn)；超速試驗(yàn)；三門核電 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK269 文章編號(hào)：1009-2374（2015）31-0012-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.006

1 概述

汽輪機(jī)作為高速轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速20%時(shí)，不僅轉(zhuǎn)動(dòng)部件中按預(yù)緊力配合的部套會(huì)發(fā)生松動(dòng)，而且離心應(yīng)力將超過(guò)材料所允許的強(qiáng)度極限，引起動(dòng)靜相碰，葉片斷裂，甚至造成斷軸等嚴(yán)重事故，而且高速旋轉(zhuǎn)的部件會(huì)對(duì)汽輪機(jī)廠房的其他設(shè)備或人員造成潛在飛射物傷害，因此故障或事故工況下的汽輪機(jī)超速保護(hù)非常重要。三門核電一期工程汽輪機(jī)采用日本三菱公司的設(shè)計(jì)。汽輪機(jī)采用整鍛轉(zhuǎn)子，四缸六排汽雙流對(duì)稱結(jié)構(gòu)，額定功率1251MW，額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分。針對(duì)汽輪機(jī)超速不同程度，設(shè)置了包括超速保護(hù)控制（OPC）、機(jī)械超速、電氣超速等多重措施。本文通過(guò)與秦山二期對(duì)比，詳細(xì)分析三門核電汽輪機(jī)機(jī)械超速及相關(guān)試驗(yàn)的特點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

汽輪機(jī)機(jī)械超速裝置的核心動(dòng)作部件是危急保安器，目前應(yīng)用最廣泛的是飛錘式。飛錘重心與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)重心偏心布置。汽機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，偏心飛錘所受的離心力為：

式中：

——飛錘的質(zhì)量

——飛錘重心與轉(zhuǎn)子重心的距離

——飛錘的飛出距離

——轉(zhuǎn)子角速度

汽機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，壓縮彈簧的預(yù)緊力可以克服飛錘離心力，將飛錘約束在縱向孔內(nèi)。當(dāng)汽機(jī)超速至一定值時(shí)，飛錘離心力大于壓縮彈簧的彈力而使小飛錘擊出，引起相應(yīng)的油路泄壓，汽機(jī)緊急停機(jī)。

三門核電汽輪機(jī)機(jī)械超速裝置安裝在汽機(jī)高壓轉(zhuǎn)子接長(zhǎng)軸內(nèi)，包括帶壓縮彈簧和注油孔的偏心小飛錘、碰鉤、危急遮斷錯(cuò)油閥、手動(dòng)脫扣、復(fù)位和試驗(yàn)杠桿、遠(yuǎn)程復(fù)位裝置、兩級(jí)減壓孔板、隔膜閥、兩個(gè)溢流閥、手動(dòng)脫扣滑閥、試驗(yàn)滑閥、試驗(yàn)三通電磁閥以及相關(guān)的儀表和管線。如圖1所示：

圖1 三門核電汽輪機(jī)機(jī)械超速裝置簡(jiǎn)圖

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，自汽輪發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)的控制油泵或主油泵來(lái)的高壓油通過(guò)一級(jí)節(jié)流孔板后降壓為保安油，進(jìn)入隔膜閥的下腔室內(nèi)，克服彈簧作用力而使隔膜閥關(guān)閉。隔膜閥作為潤(rùn)滑油與汽輪機(jī)EH油系統(tǒng)（LHS）的唯一接口，控制著LHS中AST母管的泄壓通道之一，AST母管的另一泄壓通道為AST電磁閥。當(dāng)AST母管卸壓，將會(huì)關(guān)閉汽機(jī)所有進(jìn)汽閥門，從而緊急停機(jī)。

當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到機(jī)械超速動(dòng)作定值時(shí)，偏心飛錘擊出，撞擊碰鉤，與碰鉤相連的危急遮錯(cuò)油閥動(dòng)作，使保安油通過(guò)試驗(yàn)滑閥和錯(cuò)油閥回到主油箱泄壓。保安油泄壓后，隔膜閥在彈簧的作用下打開(kāi)，使AST母管卸壓，緊急停機(jī)。如果汽機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到機(jī)械超速動(dòng)作定值后，偏心飛錘未能擊出或危急遮斷錯(cuò)油閥故障，可就地操作前軸承箱邊上的手動(dòng)脫扣杠桿，使保安油通過(guò)試驗(yàn)滑閥和手動(dòng)脫扣滑閥回油至主油箱，同樣可使汽機(jī)緊急停機(jī)。

偏心飛錘擊出后，在重新啟動(dòng)機(jī)組前，需對(duì)機(jī)械超速裝置進(jìn)行復(fù)位。通過(guò)操作手動(dòng)復(fù)位杠桿，關(guān)閉危急遮斷錯(cuò)油閥，重新恢復(fù)保安油壓，使隔膜閥關(guān)閉，AST母管建立油壓，從而可開(kāi)啟汽機(jī)進(jìn)汽閥。也可在主控室按下汽機(jī)復(fù)位按鈕，圖1右上角的四通電磁閥得電，壓縮空氣進(jìn)入復(fù)位活塞的上腔室，同時(shí)下腔室與大氣相通，活塞在壓縮空氣的作用下向下移動(dòng)，推動(dòng)復(fù)位杠桿動(dòng)作碰鉤，從而使危急遮斷錯(cuò)油閥關(guān)閉。

3 與秦山二期汽輪機(jī)機(jī)械超速設(shè)計(jì)的差異

秦山二期汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)上與三門核電基本類似，機(jī)組單機(jī)容量650MW，額定工作轉(zhuǎn)速為3000rpm。下面對(duì)三門核電與秦山二期汽輪機(jī)機(jī)械超速的設(shè)計(jì)包括從裝置、注油試驗(yàn)、超速試驗(yàn)等方面詳細(xì)分析二者之間的差異。

3.1 機(jī)械超速裝置設(shè)計(jì)的差異

秦山二期機(jī)械超速手動(dòng)脫扣杠桿和手動(dòng)復(fù)位杠桿都是直接作用于碰鉤，兩個(gè)杠桿連成一體，如下圖2所示。當(dāng)汽機(jī)超速至一定值時(shí)，如果危急遮斷錯(cuò)油閥發(fā)生卡澀，秦山二期的設(shè)計(jì)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)緊急停機(jī)。三門核電汽輪機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)單獨(dú)的手動(dòng)脫扣滑閥和手動(dòng)脫扣杠桿來(lái)手動(dòng)緊急泄壓，則可避免錯(cuò)油閥故障而無(wú)法就地手動(dòng)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。三門核電汽輪機(jī)將手動(dòng)脫扣與復(fù)位杠桿完全分離，也能降低誤操作的可能性。

圖2 秦山二期汽輪機(jī)機(jī)械超速裝置簡(jiǎn)圖

另外，三門核電設(shè)計(jì)有注油試驗(yàn)三通電磁閥和注油電磁閥，并設(shè)置有一些壓力儀表和位置開(kāi)關(guān)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程注油試驗(yàn)，并可通過(guò)儀表的變化確定機(jī)械超速裝置的動(dòng)作情況。

3.2 試驗(yàn)的差異

為驗(yàn)證機(jī)械超速裝置的可靠性，機(jī)組在首次啟動(dòng)和每次大修后需進(jìn)行注油試驗(yàn)和超速試驗(yàn)。注油試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組未真超速，而是通過(guò)向偏心飛錘內(nèi)注入高壓油，利用油壓取代實(shí)際超速時(shí)飛錘產(chǎn)生的離心力，克服彈簧約束而使飛錘擊出，以驗(yàn)證機(jī)械超速裝置的可靠性。注油試驗(yàn)通常在每次機(jī)組啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)行。超速試驗(yàn)則是在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后，與電網(wǎng)解列，使機(jī)組真正超速，以驗(yàn)證包括OPC保護(hù)、機(jī)械超速保護(hù)、電氣超速保護(hù)等動(dòng)作的可靠性。三門核電與秦山二期汽輪機(jī)機(jī)械超速裝置設(shè)計(jì)上的差異決定了二者在注油試驗(yàn)和超速試驗(yàn)上有區(qū)別。

3.2.1 遠(yuǎn)控注油試驗(yàn)差異分析。三門核電通過(guò)設(shè)置三個(gè)電磁閥、兩個(gè)壓力開(kāi)關(guān)、一個(gè)壓差開(kāi)關(guān)和一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)主控室或就地進(jìn)注油試驗(yàn)，而秦山二期僅能在就地進(jìn)行注油試驗(yàn)。三門核電汽輪機(jī)遠(yuǎn)控注油試驗(yàn)過(guò)程如下（參考圖1）：（1）主控室在汽機(jī)保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)界面上選擇“Mechanical overspeed”；（2）選擇“MOST Test（Lockout）”，阻斷AST母管通過(guò)隔膜閥泄壓通路，同時(shí)接通EH油供油母管通過(guò)隔膜閥的泄壓路徑；（3）由于EH油供油母管設(shè)置了節(jié)流孔板，壓力P4低于AST母管的油壓P1，正常運(yùn)行時(shí)，AST母管與隔膜閥相通，P1壓力等于P3，當(dāng)試驗(yàn)三通電磁閥動(dòng)作后，油路改變，P4壓力等于P3卻低于P1，當(dāng)壓差開(kāi)關(guān)PDS072探測(cè)到P1與P3之間存在的壓差后，即向主控室發(fā)出信號(hào)顯示“Under MOST Test”；（4）在主控室持續(xù)按下“Test ON”按鈕，以使注油試驗(yàn)電磁閥得電開(kāi)啟，向飛錘內(nèi)油孔注油，當(dāng)油壓超過(guò)彈簧的約束，飛錘擊出；（5）當(dāng)飛錘擊出時(shí)，保安油壓快速下降，壓力開(kāi)關(guān)PS026動(dòng)作；（6）保安油壓下降至一定值時(shí)，使隔膜閥動(dòng)作，EH油供油母管通過(guò)隔膜閥的泄壓通路打開(kāi)，P4壓力等于P3，且下降為回油壓力，P3油壓的下降引起PS073壓力開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。當(dāng)PS073與PS026都動(dòng)作后，即在主控室顯示“MOST Test Operation”。EH油供油母管由于節(jié)流孔板的作用，不會(huì)下降太多，因此不會(huì)影響整個(gè)EH油系統(tǒng)的工作；（7）放開(kāi)“Test ON”按鈕，注油電磁閥失電，終止向飛錘注油；（8）點(diǎn)擊“Test reset”，使遠(yuǎn)程復(fù)位電磁閥得電，進(jìn)行汽機(jī)復(fù)置。遠(yuǎn)程復(fù)位裝置推動(dòng)復(fù)位杠桿動(dòng)作碰鉤及危急遮斷錯(cuò)油閥，當(dāng)復(fù)位杠桿復(fù)位成功后，觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而在主控室顯示“During reset”。錯(cuò)油閥復(fù)位后，保安油壓開(kāi)始建立，PS026復(fù)位，隔膜閥關(guān)閉，P3壓力恢復(fù)，PS073也復(fù)位。當(dāng)PS026與PS073都復(fù)位后，主控室“MOST Test Operation”信號(hào)消失；（9）當(dāng)“MOST Test Operation”信號(hào)消失3秒后，復(fù)位杠桿限位開(kāi)關(guān)觸發(fā)主控室“During reset”信號(hào)也消失；（10）當(dāng)P3和P4壓力恢復(fù)后，試驗(yàn)三通電磁閥也自動(dòng)復(fù)位，接通AST母管通過(guò)隔膜閥泄壓的路徑，同時(shí)阻斷EH油供油母管通過(guò)隔膜閥的泄壓通路。這樣P3壓力上升至等于P1，引起壓差開(kāi)關(guān)PDS072的復(fù)位，進(jìn)而主控顯示“Under MOST Test”信號(hào)消失；（11）主控選擇“Mode selection OFF”，試驗(yàn)結(jié)束。endprint

3.2.2 就地注油試驗(yàn)的差異分析。如圖2所示，秦山二期在進(jìn)行就地汽輪機(jī)注油試驗(yàn)時(shí)，首先將試驗(yàn)滑閥轉(zhuǎn)至“試驗(yàn)”位置并保持該位置，然后將手動(dòng)脫扣杠桿轉(zhuǎn)至“復(fù)位”位置，再緩慢打開(kāi)飛錘注油閥，當(dāng)就地觀察到手動(dòng)脫扣杠桿振動(dòng)且有移向“脫扣”位置趨勢(shì)時(shí)，記錄009LP所示的注油壓力并關(guān)閉注油閥，然后將手動(dòng)脫扣手柄置于“正常”位置，最后將試驗(yàn)滑閥轉(zhuǎn)至“正常”位置，完成試驗(yàn)。

三門核電汽輪機(jī)就地注油試驗(yàn)過(guò)程為：如圖1所示，首先將試驗(yàn)滑閥轉(zhuǎn)至“試驗(yàn)”位置并保持，然后緩慢打開(kāi)注油試驗(yàn)手動(dòng)閥，通過(guò)就地壓力儀表PI006觀察注油壓力緩慢上升，當(dāng)油壓上升至克服飛錘彈簧約束力而擊出飛錘的時(shí)候，危急遮斷錯(cuò)油閥動(dòng)作，就地觀察到PI005指示的壓力突然下降，此時(shí)記錄PI006所指示的注油壓力，然后關(guān)閉注油手動(dòng)閥，再將手動(dòng)復(fù)位杠桿置于“復(fù)位”位置，通過(guò)就地手動(dòng)復(fù)位杠桿對(duì)碰鉤及危急遮斷錯(cuò)油閥復(fù)位，再松開(kāi)試驗(yàn)滑閥回到“正?！蔽恢茫⒁庥^察PI005所示的保安油壓恢復(fù)正常后，完成試驗(yàn)。

用于指示保安油壓的儀表，三門核電將PI005設(shè)置在試驗(yàn)滑閥下游，而秦山二期則將018LP設(shè)置在試驗(yàn)滑閥上游。秦山二期進(jìn)行就地汽輪機(jī)注油試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)滑閥的動(dòng)作，阻斷了保安油通過(guò)危急遮斷錯(cuò)油閥正常泄壓的通路，另外一路保安油經(jīng)過(guò)兩個(gè)溢流閥進(jìn)入危急遮斷錯(cuò)油閥的通路由于設(shè)置有一個(gè)二級(jí)降壓孔板，018LP所指示的壓力基本不受飛錘和危急遮斷錯(cuò)油閥的動(dòng)作影響，而三門核電的PI005所指示的壓力則會(huì)隨著危急遮斷錯(cuò)油閥的動(dòng)作泄壓而突然下降至零。因此秦山二期在就地注油試驗(yàn)中，無(wú)法通過(guò)儀表的顯示來(lái)判斷飛錘及危急遮斷錯(cuò)油閥的動(dòng)作情況，僅能通過(guò)手動(dòng)脫扣杠桿的移動(dòng)趨勢(shì)來(lái)確定，給試驗(yàn)操作人員比較模糊的判斷依據(jù)，增加了試驗(yàn)的不確定性；而三門核電則通過(guò)PI005的指示變化，可準(zhǔn)確判斷飛錘及危急遮斷錯(cuò)油閥的動(dòng)作情況，減小了人為失誤的概率，提高了試驗(yàn)的可靠性。

3.2.3 超速試驗(yàn)差異分析。注油試驗(yàn)僅能驗(yàn)證脫扣飛錘能否正常動(dòng)作，還不能確定飛錘實(shí)際動(dòng)作轉(zhuǎn)速，因此還須進(jìn)行實(shí)際超速試驗(yàn)。目前核電機(jī)組普遍采用帶10%左右負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后，與電網(wǎng)解列，汽機(jī)空載穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行超速試驗(yàn)。以使汽輪發(fā)電機(jī)組充分預(yù)熱，盡可能接近實(shí)際工況。秦山二期機(jī)械超速和電氣超速設(shè)定值分別為109%～110%額定轉(zhuǎn)速。三門核電機(jī)械超速與電氣超速設(shè)定值分別為110%和111%額定轉(zhuǎn)速。

秦山二期在超速試驗(yàn)中，首先儀控人員將機(jī)組轉(zhuǎn)速限值從正常運(yùn)行時(shí)的3050rpm修改為3331rpm，以便于機(jī)組實(shí)際超速。然后開(kāi)始設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率，驗(yàn)證OPC超速（103%額定轉(zhuǎn)速）動(dòng)作是否正常，正常后將OPC超速保護(hù)切除，重新升速，直至在3270～3300rpm范圍內(nèi)機(jī)組保護(hù)跳閘后，根據(jù)DEH中的首發(fā)信號(hào)判斷機(jī)械超速還是電氣超速先動(dòng)作。如機(jī)械超速先動(dòng)作，則待汽機(jī)恢復(fù)額定轉(zhuǎn)速后，將機(jī)械超速試驗(yàn)滑閥置于“試驗(yàn)”位置并保持，重新升速，直至電氣超速保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組緊急停機(jī)。而如是電氣超速先動(dòng)作，則待機(jī)組恢復(fù)額定轉(zhuǎn)速后，由儀控人員將電氣超速動(dòng)作定值調(diào)整至3331rpm，再重新升速，進(jìn)行機(jī)械超速試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，如果機(jī)組轉(zhuǎn)速超過(guò)111%額定轉(zhuǎn)速，而電氣超速保護(hù)還未動(dòng)作時(shí)，則主控立即打閘停機(jī)或就地緊急松開(kāi)機(jī)械超速“試驗(yàn)”杠桿動(dòng)作停機(jī)。

三門核電機(jī)械超速和電氣超速試驗(yàn)則不同。當(dāng)點(diǎn)擊“MOST Test ON”后，電氣超速定值自動(dòng)修改為1725rpm（115%額定轉(zhuǎn)速）。同時(shí)，邏輯自動(dòng)閉鎖OPC保護(hù)功能，并將機(jī)組的轉(zhuǎn)速限值也由正常運(yùn)行時(shí)的1590rpm自動(dòng)修改為1670rpm，以防止機(jī)組轉(zhuǎn)速意外超限。轉(zhuǎn)速達(dá)到1650rpm（110%額定轉(zhuǎn)速）時(shí)，機(jī)械超速保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組緊急停機(jī)。點(diǎn)擊“MOST Test OFF”，電氣超速動(dòng)作定值自動(dòng)恢復(fù)至1665rpm（111%額定轉(zhuǎn)速），恢復(fù)OPC保護(hù)功能，并將機(jī)組轉(zhuǎn)速限值恢復(fù)至1590rpm。進(jìn)行電氣超速試驗(yàn)時(shí)，主控動(dòng)作試驗(yàn)三通電磁閥，閉鎖機(jī)械超速保護(hù)跳機(jī)，而無(wú)需如秦山二期一樣指派人員在就地長(zhǎng)時(shí)間操作試驗(yàn)滑閥。當(dāng)機(jī)組超速至電氣超速保護(hù)動(dòng)作定值而未能緊急停機(jī)，也可在主控或就地動(dòng)作緊急停機(jī)。

三門核電相比于秦山二期的汽輪機(jī)超速試驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）在超速過(guò)程中，由控制邏輯自動(dòng)修改相應(yīng)限值和相關(guān)的閉鎖功能，從而一方面提高了運(yùn)行自動(dòng)化程度，減輕了運(yùn)行人員和儀控人員工作量，另一方面也降低了人為失誤的概率；（2）機(jī)械超速定值略低于電氣超速定值，在進(jìn)行機(jī)械超速試驗(yàn)時(shí)，電氣超速定值自動(dòng)提高，這樣更明確甄別試驗(yàn)過(guò)程中兩種保護(hù)的動(dòng)作情況，使試驗(yàn)更具有可操作性。

4 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)是核電廠重要的設(shè)備之一，而機(jī)械超速保護(hù)對(duì)于汽輪機(jī)的安全可靠運(yùn)行又發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。三門核電汽輪機(jī)機(jī)械超速及相關(guān)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與秦山二期相比，具有明顯的先進(jìn)性：（1）通過(guò)增設(shè)手動(dòng)脫扣滑閥，使手動(dòng)脫扣杠桿與手動(dòng)復(fù)位杠桿完全獨(dú)立，可避免危機(jī)遮斷錯(cuò)油閥卡澀引起的無(wú)法就地手動(dòng)停機(jī)事故，有利于機(jī)組安全運(yùn)行；（2）通過(guò)增設(shè)兩個(gè)電磁閥和一些壓力、位置開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)主控注油試驗(yàn)，利于提高機(jī)組自動(dòng)化程度，減少運(yùn)行就地工作量，提高工作效率；（3）通過(guò)在試驗(yàn)滑閥下游設(shè)置就地壓力儀表PI005，在就地試驗(yàn)時(shí)依靠其壓力變化即可確定機(jī)械超速裝置動(dòng)作情況，提高就地注油試驗(yàn)的可操作性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張濤，等.秦山第二核電廠高級(jí)運(yùn)行.核電秦山聯(lián)營(yíng)有限公司，2005.

[2] 陳曉珊，等.200MW汽輪機(jī)機(jī)械超速危急遮斷系統(tǒng)改造的可行性研究[J].東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（6）.

（責(zé)任編輯：周 瓊）endprint