汽輪機(jī)超速原因及預(yù)防策略探討

朱勝濤

摘 要：汽輪機(jī)超速可能導(dǎo)致汽輪機(jī)損壞報(bào)廢，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生潛在飛射物，對(duì)人員廠房及設(shè)備造成損傷，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失巨大。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起汽輪機(jī)超速飛車損壞事故，該文主要闡述了AP1000核電汽輪機(jī)超速保護(hù)設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)、汽輪機(jī)超速的主要原因，結(jié)合汽輪機(jī)運(yùn)行、預(yù)防性維修項(xiàng)目和定期試驗(yàn)項(xiàng)目等，提出了汽輪機(jī)超速的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī) 超速 維修 定期試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TK267 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（a）-0092-02

汽輪機(jī)是在高溫、高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，其旋轉(zhuǎn)部件承受著巨大的離心應(yīng)力，該離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比（F=mω2R），因此隨著轉(zhuǎn)速的升高，其離心力快速上升。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子一般是按照額定轉(zhuǎn)速的120%設(shè)計(jì)的，一旦轉(zhuǎn)速超過(guò)了設(shè)計(jì)的強(qiáng)度極限，將造成葉片斷裂、動(dòng)靜摩擦，甚至斷軸等嚴(yán)重事故。汽輪機(jī)超速不僅造成汽輪機(jī)本體損壞，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生潛在飛射物，對(duì)人員廠房及設(shè)備造成損傷，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失巨大。

1 AP1000核電汽輪機(jī)超速保護(hù)特點(diǎn)

AP1000主汽輪機(jī)控制和診斷系統(tǒng)（TOS）由三菱設(shè)計(jì)，通過(guò)西屋的OVATION平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，是全數(shù)字電液調(diào)速系統(tǒng)（DEH）。汽輪機(jī)主要配置了OPC超速保護(hù)、機(jī)械超速和電氣超速保護(hù)。

1.1 OPC超速保護(hù)

OPC是指當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速非預(yù)期升高時(shí)，快速關(guān)閉主調(diào)門(mén)GV和再熱蒸汽調(diào)門(mén)ICV，防止汽輪機(jī)超速跳機(jī)，使汽輪機(jī)能夠在發(fā)生瞬態(tài)工況時(shí)過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)工況。OPC超速保護(hù)通過(guò)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際升高或汽輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械功率和電功率不平衡構(gòu)成超速預(yù)測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)超速預(yù)保護(hù)，發(fā)電機(jī)功率由發(fā)電機(jī)定子電流表征，而汽輪機(jī)機(jī)械功率由低壓缸入口壓力表征。

1.2 機(jī)械超速保護(hù)（MOST）

機(jī)械超速保護(hù)（MOST）是通過(guò)一個(gè)彈簧加壓的偏心飛錘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升至110%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，飛錘在離心力作用下飛出，從而使得危急遮斷滑閥打開(kāi)，保安油母管卸壓，隔膜閥開(kāi)啟，進(jìn)而使AST和OPC母管卸壓，各蒸汽閥門(mén)關(guān)閉實(shí)現(xiàn)停機(jī)。

1.3 電氣超速保護(hù)（EOST）

電氣超速共有12個(gè)保護(hù)模塊，分為4組，每組三取二邏輯，對(duì)應(yīng)于AST4個(gè)電磁閥。當(dāng)轉(zhuǎn)速測(cè)量值超過(guò)保護(hù)設(shè)定值111%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，4個(gè)AST電磁閥斷電開(kāi)啟，AST母管和OPC母管卸壓后，各蒸汽閥門(mén)關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)超速保護(hù)停機(jī)。

2 導(dǎo)致汽輪機(jī)超速的主要原因

汽輪機(jī)作為核電廠主要設(shè)備之一，雖然與核安全無(wú)關(guān)，但直接影響著電廠的安全運(yùn)行。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起汽輪機(jī)超速飛車損壞事故。2011年2月10日，南非Duvha電廠一臺(tái)600 MW機(jī)組做超速試驗(yàn)時(shí)，10 s內(nèi)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速由3 000 r/min上升至4 250 r/min，3套電超速保護(hù)及機(jī)械超速保護(hù)均未動(dòng)作，整臺(tái)機(jī)組報(bào)廢。汽輪機(jī)超速原因較多，可以從汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)、容量影響及調(diào)速和保護(hù)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行分析，運(yùn)行、維修及試驗(yàn)也非常重要。

2.1 汽輪機(jī)本體特征對(duì)超速的影響

汽輪機(jī)甩負(fù)荷后的動(dòng)態(tài)最大飛升速度可以用公式進(jìn)行估算。其中為甩負(fù)荷后最大飛升速度，為汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)子飛升時(shí)間常數(shù)，為甩負(fù)荷率，和為油動(dòng)機(jī)的滯后時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間，為蒸汽容積時(shí)間常數(shù)。

隨著機(jī)組容量的增加時(shí)間常數(shù)逐漸減小，中間再熱機(jī)組的時(shí)間常數(shù)更小，僅為5～8 s；蒸汽容積時(shí)間常數(shù)隨著機(jī)組容量增加逐漸增大，所以機(jī)組容量越大，甩負(fù)荷率越高，超速的可能性越大，甩負(fù)荷后超速的控制越來(lái)越困難。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)缺陷對(duì)汽輪機(jī)超速的影響

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要保證汽輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，還要保證甩負(fù)荷后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不超過(guò)機(jī)械超速保護(hù)動(dòng)作值，調(diào)速系統(tǒng)是防止汽輪機(jī)超速的第一道防線，如果汽輪機(jī)甩負(fù)荷后不能保證汽輪機(jī)空載運(yùn)行，就可能會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)超速，甩負(fù)荷引起超速的主要原因有如下幾點(diǎn)。

（1）調(diào)速汽門(mén)不能關(guān)閉或漏汽量大，抽汽逆止門(mén)不嚴(yán)或不能關(guān)閉，蒸汽繼續(xù)進(jìn)入汽輪機(jī)做功，導(dǎo)致汽輪機(jī)超速。

（2）調(diào)速系統(tǒng)遲緩率過(guò)大，導(dǎo)致閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起汽輪機(jī)超速?，F(xiàn)在DEH控制的汽輪機(jī)遲緩率小于0.06%，閥門(mén)關(guān)閉小于0.5 s甚至更低，AP1000汽輪機(jī)主汽門(mén)和主調(diào)門(mén)設(shè)計(jì)關(guān)閉時(shí)間分別為0.18 s和0.15 s。

（3）調(diào)速系統(tǒng)速度變動(dòng)率過(guò)大。根據(jù)試驗(yàn)，汽輪機(jī)甩負(fù)荷后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高值是速度變動(dòng)率的1.5倍，假如汽輪機(jī)速度變動(dòng)率為6%，那么甩負(fù)荷后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速將升高9%額定轉(zhuǎn)速[2]，故汽輪機(jī)速度變動(dòng)率一般不超過(guò)6%，但過(guò)小會(huì)引起負(fù)荷波動(dòng)較大，故一般維持在3%～6%，AP1000汽輪機(jī)設(shè)計(jì)速度變動(dòng)率為4.5%，三菱給出的計(jì)算結(jié)果，100%甩負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速飛升不會(huì)超過(guò)105.6%。

2.3 汽輪機(jī)調(diào)速汽門(mén)及超速保護(hù)裝置故障

如果在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，而危急保安器不動(dòng)作或動(dòng)作過(guò)遲的主要原因有飛錘卡澀、彈簧在受力后產(chǎn)生過(guò)大的變形、危急遮斷器滑閥卡澀等，致使危急保安器不動(dòng)作或動(dòng)作過(guò)遲。

2.4 油質(zhì)及蒸汽品質(zhì)不合格或超速試驗(yàn)時(shí)操作不當(dāng)

運(yùn)行中化學(xué)監(jiān)督不力，EH油、潤(rùn)滑油及蒸汽品質(zhì)不合格也會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)速汽門(mén)卡澀或機(jī)械超速保護(hù)裝置故障。

（1）油質(zhì)管理不善，潤(rùn)滑油水分及顆粒度長(zhǎng)期超標(biāo)運(yùn)行，引起機(jī)械超速保護(hù)裝置腐蝕卡澀。

（2）EH油質(zhì)不合格導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)部件腐蝕卡澀，停機(jī)時(shí)進(jìn)汽閥門(mén)無(wú)法關(guān)閉導(dǎo)致汽輪機(jī)超速。

（3）化學(xué)監(jiān)督未執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行中蒸汽品質(zhì)變差且沒(méi)有采取有效措施，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成蒸汽閥門(mén)結(jié)垢卡澀。

3 防止汽輪機(jī)超速的策略

鑒于汽輪機(jī)超速事故所造成的嚴(yán)重后果，通過(guò)對(duì)超速原因的分析采取針對(duì)性策略可以有效避免事故的發(fā)生。預(yù)防性維修、定期試驗(yàn)和監(jiān)督是防止可靠性降級(jí)的有效手段。

預(yù)防性維修、定期試驗(yàn)應(yīng)用如下。

汽輪機(jī)超速的主要原因之一為各汽門(mén)卡澀或無(wú)法關(guān)嚴(yán)，針對(duì)調(diào)速汽門(mén)及抽氣止回閥卡澀、無(wú)法關(guān)嚴(yán)導(dǎo)致汽輪機(jī)超速，采取針對(duì)性的預(yù)防性維修項(xiàng)目有各調(diào)速汽門(mén)、油動(dòng)機(jī)及抽汽止回閥解體檢查。調(diào)速汽門(mén)解體檢查主要對(duì)閥門(mén)閥桿彎曲度、光滑度、閥座損傷情況及彈簧整體情況等進(jìn)行檢查，通過(guò)這些預(yù)防性維修項(xiàng)目可以防止閥桿彎曲變形、彈簧損壞、閥座及閥體損傷等導(dǎo)致閥門(mén)無(wú)法關(guān)閉或無(wú)法關(guān)嚴(yán)；檢查油動(dòng)機(jī)缸體是否存在劃痕磨損等情況，從而發(fā)現(xiàn)油動(dòng)機(jī)卡澀的早期征兆；抽汽止回閥的檢修主要對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)附件、電磁閥及閥體進(jìn)行檢查。

針對(duì)汽輪機(jī)超速保護(hù)相關(guān)設(shè)備開(kāi)發(fā)的針對(duì)性的預(yù)防性維修項(xiàng)目主要有各轉(zhuǎn)速探頭定期校驗(yàn)、轉(zhuǎn)速卡件功能驗(yàn)證、伺服閥檢修和伺服閥濾網(wǎng)更換、LVDT定期檢修；在發(fā)生超速事故時(shí)需要AST母管油壓能快速泄壓，為此需要對(duì)隔膜閥定期檢查，并對(duì)超速電磁閥（即AST及OPC電磁閥）及卸荷閥定期進(jìn)行檢修。

定期試驗(yàn)?zāi)軌蛱崆鞍l(fā)現(xiàn)能動(dòng)設(shè)備或保護(hù)邏輯故障，提早處理，對(duì)系統(tǒng)和電站可靠性非常重要。定期試驗(yàn)開(kāi)發(fā)原則為，在設(shè)備可靠性分級(jí)后需要對(duì)不可見(jiàn)、失效的重要能動(dòng)設(shè)備或邏輯開(kāi)發(fā)定期試驗(yàn)項(xiàng)目。超速相關(guān)的試驗(yàn)主要包括MOST遠(yuǎn)方和就地充油試驗(yàn)、EOST停機(jī)試驗(yàn)、OPC試驗(yàn)、機(jī)械超速試驗(yàn)（真實(shí)超速）、調(diào)速汽閥及抽氣止回閥全關(guān)試驗(yàn)等。

4 結(jié)語(yǔ)

AP1000汽輪機(jī)配置了OPC超速、電超速及機(jī)械超速保護(hù)，同時(shí)保護(hù)系統(tǒng)也有著自己的特點(diǎn)，如OPC動(dòng)作后通過(guò)PLS發(fā)關(guān)閉信號(hào)給各抽汽止回閥；EOST充油試驗(yàn)可以在主控室內(nèi)實(shí)現(xiàn)等。鑒于汽輪機(jī)超速產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，通過(guò)對(duì)超速原因的分析采取針對(duì)性策略可以有效避免事故的發(fā)生。

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