三门核电汽轮机机械超速设计特点分析

叶道权

（三门核电有限公司；浙江三门 317112）

摘要：汽轮机超速时不仅损坏汽机本体，而且还可能对汽轮机厂房其他设备和人员造成潜在飞射物伤害。相比于秦山二期，三门核电汽轮机机械超速保护装置设计上能实现远控和就地注油试验，注油试验和超速试验自动化程度也更高，从而在不降低可靠性的同时提高效率。

关键词：汽轮机；机械超速；注油试验；超速试验

1前言

汽轮机作为高速转动的设备，转动部件的离心力与转速的平方成正比。当汽机转速超过额定转速20%时，不仅转动部件中按预紧力配合的部套会发生松动，而且离心应力将超过材料所允许的强度极限，引起动静相碰，叶片断裂，甚至造成断轴等严重事故，而且高速旋转的部件会对汽轮机厂房的其他设备或人员造成潜在飞射物伤害。因此故障或事故工况下的汽轮机超速保护非常重要。

三门核电一期工程汽轮机采用日本三菱公司的设计。汽轮机采用整锻转子，四缸六排汽双流对称结构，额定功率1251MW，额定转速1500转/分。针对汽轮机超速不同程度，设置了包括超速保护控制（OPC）、机械超速、电气超速等多重措施。本文通过与秦山二期对比，详细分析三门核电汽轮机机械超速及相关试验的特点。

2设计特点

汽轮机机械超速装置的核心动作部件是危急保安器，目前应用最广泛的是飞锤式。飞锤重心与转子旋转重心偏心布置。汽机转子旋转时，偏心飞锤所受的离心力为：

其中：：飞锤的质量；：飞锤重心与转子重心的距离；：飞锤的飞出距离；：转子角速度

汽机工作在额定转速时，压缩弹簧的预紧力可以克服飞锤离心力，将飞锤约束在纵向孔内。当汽机超速至一定值时，飞锤离心力大于压缩弹簧的弹力而使小飞锤击出，引起相应的油路泄压，汽机紧急停机。

三门核电汽轮机机械超速装置安装在汽机高压转子接长轴内，包括带压缩弹簧和注油孔的偏心小飞锤、碰钩、危急遮断错油阀、手动脱扣、复位和试验杠杆、远程复位装置、两级减压孔板、隔膜阀、两个溢流阀、手动脱扣滑阀、试验滑阀、试验三通电磁阀以及相关的仪表和管线。如图1所示：

图1 三门核电汽轮机机械超速装置简图

机组运行时，自汽轮发电机组润滑油系统的控制油泵或主油泵来的高压油通过一级节流孔板后降压为保安油，进入隔膜阀的下腔室内，克服弹簧作用力而使隔膜阀关闭。隔膜阀作为润滑油与汽轮机EH油系统（LHS）的唯一接口，控制着LHS中AST母管的泄压通道之一，AST母管的另一泄压通道为AST电磁阀。当AST母管卸压，将会关闭汽机所有进汽阀门，从而紧急停机。

当汽机转速达到机械超速动作定值时，偏心飞锤击出，撞击碰钩，与碰钩相连的危急遮错油阀动作，使保安油通过试验滑阀和错油阀回到主油箱泄压。保安油泄压后，隔膜阀在弹簧的作用下打开，使AST母管卸压，紧急停机。如果汽机转速达到机械超速动作定值后，偏心飞锤未能击出或危急遮断错油阀故障，可就地操作前轴承箱边上的手动脱扣杠杆，使保安油通过试验滑阀和手动脱扣滑阀回油至主油箱，同样可使汽机紧急停机。

偏心飞锤击出后，在重新启动机组前，需对机械超速装置进行复位。通过操作手动复位杠杆，关闭危急遮断错油阀，重新恢复保安油压，使隔膜阀关闭，AST母管建立油压，从而可开启汽机进汽阀。也可在主控室按下汽机复位按钮，图1右上角的四通电磁阀得电，压缩空气进入复位活塞的上腔室，同时下腔室与大气相通，活塞在压缩空气的作用下向下移动，推动复位杠杆动作碰钩，从而使危急遮断错油阀关闭。

3与秦山二期汽轮机机械超速设计差异分析

秦山二期汽轮机结构上与三门核电基本类似，机组单机容量650MW，额定工作转速为3000rpm。下面对三门核电与秦山二期汽轮机机械超速的设计包括从装置、注油试验、超速试验等方面详细分析二者之间的差异。

3.1机械超速装置设计的差异

秦山二期机械超速手动脱扣杠杆和手动复位杠杆都是直接作用于碰钩，两个杠杆连成一体，如下图2所示。当汽机超速至一定值时，如果危急遮断错油阀发生卡涩，秦山二期的设计无法实现就地手动紧急停机。三门核电汽轮机通过设计单独的手动脱扣滑阀和手动脱扣杠杆来手动紧急泄压，则可避免错油阀故障而无法就地手动停机的风险。另外，三门核电汽轮机将手动脱扣与复位杠杆完全分离，也能降低误操作的可能性。

图2 秦山二期汽轮机机械超速装置简图

其次，三门核电设计有注油试验三通电磁阀和注油电磁阀，并设置有一些压力仪表和位置开关，可进行远程注油试验，并可通过仪表的变化确定机械超速装置的动作情况。

3.2试验的差异分析

为验证机械超速装置的可靠性，机组在首次启动和每次大修后需进行注油试验和超速试验。注油试验时，机组未真超速，而是通过向偏心飞锤内注入高压油，利用油压取代实际超速时飞锤产生的离心力，克服弹簧约束而使飞锤击出，以验证机械超速装置的可靠性。注油试验通常在每次机组启动冲转至额定转速时进行。超速试验则是在机组带负荷运行一段时间后，与电网解列，使机组真正超速，以验证包括OPC保护，机械超速保护，电气超速保护等动作的可靠性。三门核电与秦山二期汽轮机机械超速装置设计上的差异决定了二者在注油试验和超速试验上有区别。

3.2.1远控注油试验差异

三门核电通过设置三个电磁阀、两个压力开关、一个压差开关和一个限位开关，可实现主控室或就地进注油试验，而秦山二期仅能在就地进行注油试验。三门核电汽轮机远控注油试验过程如下（参考图1）：

1) 主控室在汽机保护系统试验界面上选择“Mechanical overspeed”。

2) 选择“MOST Test (Lockout)”，阻断AST母管通过隔膜阀泄压通路，同时接通EH油供油母管通过隔膜阀的泄压路径。

3) 由于EH油供油母管设置了节流孔板，压力P4低于AST母管的油压P1，正常运行时，AST母管与隔膜阀相通，P1压力等于P3，当试验三通电磁阀动作后，油路改变，P4压力等于P3却低于P1，当压差开关PDS072探测到P1与P3之间存在的压差后，即向主控室发出信号显示“Under MOST Test”。

4) 在主控室持续按下“Test ON”按钮，以使注油试验电磁阀得电开启，向飞锤内油孔注油，当油压超过弹簧的约束，飞锤击出。

5) 当飞锤击出时，保安油压快速下降，压力开关PS026动作。

6) 保安油压下降至一定值时，使隔膜阀动作，EH油供油母管通过隔膜阀的泄压通路打开，P4压力等于P3，且下降为回油压力，P3油压的下降引起PS073压力开关的动作。当PS073与PS026都动作后，即在主控室显示“MOST Test Operation”。EH油供油母管由于节流孔板的作用，不会下降太多，因此不会影响整个EH油系统的工作。

7) 放开“Test ON”按钮，注油电磁阀失电，终止向飞锤注油。

8) 点击“Test reset”，使远程复位电磁阀得电，进行汽机复置。远程复位装置推动复位杠杆动作碰钩及危急遮断错油阀，当复位杠杆复位成功后，触发限位开关动作，从而在主控室显示“During reset”。错油阀复位后，保安油压开始建立，PS026复位，隔膜阀关闭，P3压力恢复，PS073也复位。当PS026与PS073都复位后，主控室“MOST Test Operation”信号消失。

9) 当“MOST Test Operation”信号消失3秒后，复位杠杆限位开关触发主控室“During reset”信号也消失。

10) 当P3和P4压力恢复后，试验三通电磁阀也自动复位，接通AST母管通过隔膜阀泄压的路径，同时阻断EH油供油母管通过隔膜阀的泄压通路。这样P3压力上升至等于P1，引起压差开关PDS072的复位，进而主控显示“Under MOST Test”信号消失。

11) 主控选择“Mode selection OFF”,试验结束。

3.2.2就地注油试验的差异分析

如图2所示，秦山二期在进行就地汽轮机注油试验时，首先将试验滑阀转至“试验”位置并保持该位置，然后将手动脱扣杠杆转至“复位”位置，再缓慢打开飞锤注油阀，当就地观察到手动脱扣杠杆振动且有移向“脱扣”位置趋势时，记录009LP所示的注油压力并关闭注油阀，然后将手动脱扣手柄置于“正常”位置，最后将试验滑阀转至“正常”位置，完成试验。

三门核电汽轮机就地注油试验过程为：如图1所示，首先将试验滑阀转至“试验”位置并保持，然后缓慢打开注油试验手动阀，通过就地压力仪表PI006观察注油压力缓慢上升，当油压上升至克服飞锤弹簧约束力而击出飞锤的时候，危急遮断错油阀动作，就地观察到PI005指示的压力突然下降，此时记录PI006所指示的注油压力，然后关闭注油手动阀，再将手动复位杠杆置于“复位”位置，通过就地手动复位杠杆对碰钩及危急遮断错油阀复位，再松开试验滑阀回到“正常”位置，注意观察PI005所示的保安油压恢复正常后，完成试验。

用于指示保安油压的仪表，三门核电将PI005设置在试验滑阀下游，而秦山二期则将018LP设置在试验滑阀上游。秦山二期进行就地汽轮机注油试验时，由于试验滑阀的动作，阻断了保安油通过危急遮断错油阀正常泄压的通路，另外一路保安油经过两个溢流阀进入危急遮断错油阀的通路由于设置有一个二级降压孔板，018LP所指示的压力基本不受飞锤和危急遮断错油阀的动作影响，而三门核电的PI005所指示的压力则会随着危急遮断错油阀的动作泄压而突然下降至零。因此秦山二期在就地注油试验中，无法通过仪表的显示来判断飞锤及危急遮断错油阀的动作情况，仅能通过手动脱扣杠杆的移动趋势来确定，给试验操作人员比较模糊的判断依据，增加了试验的不确定性；而三门核电则通过PI005的指示变化，可准确判断飞锤及危急遮断错油阀的动作情况，减小了人因失误的概率，提高了试验的可靠性。

3.2.3超速试验差异分析  

注油试验仅能验证脱扣飞锤能否正常动作，还不能确定飞锤实际动作转速，因此还须进行实际超速试验。目前核电机组普遍采用带10%左右负荷运行一段时间后，与电网解列，汽机空载稳定在额定转速运行时，在短时间内进行超速试验。以使汽轮发电机组充分预热，尽可能接近实际工况。秦山二期机械超速和电气超速设定值分别为109-110%额定转速。三门核电机械超速与电气超速设定值分别为110%和111%额定转速。

秦山二期在超速试验中，首先仪控人员将机组转速限值从正常运行时的3050rpm修改为3331rpm，以便于机组实际超速。然后开始设定目标转速和升速率，验证OPC超速（103%额定转速）动作是否正常，正常后将OPC超速保护切除，重新升速，直至在3270-3300rpm范围内机组保护跳闸后，根据DEH中的首发信号判断机械超速还是电气超速先动作。如机械超速先动作，则待汽机恢复额定转速后，将机械超速试验滑阀置于“试验”位置并保持，重新升速，直至电气超速保护动作，机组紧急停机。而如是电气超速先动作，则待机组恢复额定转速后，由仪控人员将电气超速动作定值调整至3331rpm，再重新升速，进行机械超速试验。在试验过程中，如果机组转速超过111%额定转速，而电气超速保护还未动作时，则主控立即打闸停机，或就地紧急松开机械超速“试验”杠杆动作停机。

三门核电机械超速和电气超速试验则不同。当点击“MOST Test ON”后，电气超速定值自动修改为1725rpm（115%额定转速）。同时，逻辑自动闭锁OPC保护功能，并将机组的转速限值也由正常运行时的1590rpm自动修改为1670rpm，以防止机组转速意外超限。转速达到1650rpm（110%额定转速）时，机械超速保护动作，机组紧急停机。点击“MOST Test OFF”，电气超速动作定值自动恢复至1665rpm（111%额定转速），恢复OPC保护功能，并将机组转速限值恢复至1590rpm。进行电气超速试验时，主控动作试验三通电磁阀，闭锁机械超速保护跳机，而无需如秦山二期一样指派人员在就地长时间操作试验滑阀。当机组超速至电气超速保护动作定值而未能紧急停机，也可在主控或就地动作紧急停机。

三门核电相比于秦山二期的汽轮机超速试验设计，具有以下两点优势：

1）在超速过程中，由控制逻辑自动修改相应限值和相关的闭锁功能，从而一方面提高了运行自动化程度，减轻了运行人员和仪控人员工作量，另一方面也降低了人因失误的概率。

2）机械超速定值略低于电气超速定值，在进行机械超速试验时，电气超速定值自动提高，这样更明确甄别试验过程中两种保护的动作情况，使试验更具有可操作性。

4结论

汽轮机是核电厂重要的设备之一，而机械超速保护对于汽轮机的安全可靠运行又发挥着至关重要的作用。三门核电汽轮机机械超速及相关试验的设计与秦山二期相比，具有明显的先进性：

1）通过增设手动脱扣滑阀，使手动脱扣杠杆与手动复位杠杆完全独立，可避免危机遮断错油阀卡涩引起的无法就地手动停机事故，有利于机组安全运行。

2）通过增设两个电磁阀和一些压力、位置开关，可实现主控注油试验，利于提高机组自动化程度，减少运行就地工作量，提高工作效率。

3）通过在试验滑阀下游设置就地压力仪表PI005，在就地试验时依靠其压力变化即可确定机械超速装置动作情况，提高就地注油试验的可操作性。

参考文献

[1]《秦山第二核电厂高级运行》张涛等2005.1

[2]《200MW汽轮机机械超速危急遮断系统改造的可行性研究》陈晓珊等2005.9