張利冰，丁近厚，沈元帆，楊 帆

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山第二核電廠（簡(jiǎn)稱秦二廠）是中國(guó)自主設(shè)計(jì)、自主建造、自主管理和自主運(yùn)營(yíng)的首座60萬千瓦商用壓水堆核電站，4臺(tái)機(jī)組汽輪機(jī)都是國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)廠制造，其機(jī)械超速保護(hù)系統(tǒng)來源于國(guó)外引進(jìn)的早期技術(shù)，目前運(yùn)行情況良好，歷次大修后啟機(jī)時(shí)超速保護(hù)試驗(yàn)都順利執(zhí)行完成。但隨著對(duì)于汽輪機(jī)可靠性的進(jìn)一步研究，由于試驗(yàn)時(shí)需將汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)際升到超速值，對(duì)葉片的損傷較大，且每次機(jī)械超速試驗(yàn)前需要帶低負(fù)荷暖機(jī)8 h，影響二次并網(wǎng)的時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益差。因此，迫切需要一種高可靠性的汽輪發(fā)電機(jī)組的超速保護(hù)，以數(shù)字化控制為基礎(chǔ)，更適應(yīng)現(xiàn)代化、智能化發(fā)電廠的發(fā)展。

本次改造是國(guó)內(nèi)首次對(duì)在役核電站汽輪機(jī)進(jìn)行機(jī)械超速保護(hù)系統(tǒng)的改造，屬于國(guó)內(nèi)大型核電機(jī)組首創(chuàng)。利用冗余轉(zhuǎn)速通道進(jìn)行三取二的保護(hù)邏輯配置替代傳統(tǒng)的機(jī)械超速保護(hù)裝置，整套系統(tǒng)完全獨(dú)立于現(xiàn)有的超速保護(hù)裝置。

1 項(xiàng)目背景

秦二廠汽輪機(jī)原有的超速保護(hù)，配置了電超速和機(jī)械超速兩套不同原理的雙重保護(hù)。機(jī)械超速保護(hù)裝置在機(jī)組大修后和機(jī)組運(yùn)行期間均要定期做注油試驗(yàn)和超速試驗(yàn)，必要時(shí)還要停機(jī)進(jìn)行調(diào)整和二次試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，容易發(fā)生飛錘卡澀不能正常出擊；遮斷器滑閥不能正常遠(yuǎn)方掛閘；飛錘間隙調(diào)整不當(dāng)，使機(jī)組跳閘等狀況，大大降低了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的安全系數(shù)[1]。

機(jī)械超速保護(hù)裝置配置及原理如圖1所示。

圖1 機(jī)械超速保護(hù)裝置原理[2]Fig.1 Principle of mechanical overspeed protection device[2]

近年來，有關(guān)汽輪機(jī)葉片疲勞斷裂的各類事件一直引發(fā)各方對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行可靠性的高度關(guān)注。保險(xiǎn)公司最新數(shù)據(jù)顯示，汽輪機(jī)故障損失約有半數(shù)是在進(jìn)行機(jī)械超速保護(hù)試驗(yàn)加速時(shí)所發(fā)生的。

鑒于“機(jī)械超速存在設(shè)定值不精確，系統(tǒng)缺乏診斷、系統(tǒng)維護(hù)困難，試驗(yàn)存在難度和風(fēng)險(xiǎn)，一個(gè)燃料循環(huán)中無法試驗(yàn)，試驗(yàn)中使汽機(jī)葉片和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子承受不必要的應(yīng)力”等固有缺點(diǎn)，秦二廠首次提出專項(xiàng)改造申請(qǐng)。數(shù)字化超速保護(hù)系統(tǒng)可以在汽輪機(jī)不超速的狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，從而完全避免了超速引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字化系統(tǒng)精確度更高，自動(dòng)判斷力更強(qiáng)，因此可靠性更強(qiáng)，預(yù)維費(fèi)用更低。

2 改造方案

總體思路：以數(shù)字化控制為基礎(chǔ)，新增一套獨(dú)立的電超速保護(hù)裝置替代傳統(tǒng)機(jī)械超速保護(hù)裝置。

1）新設(shè)計(jì)三取二跳機(jī)裝置

在機(jī)頭新增一個(gè)三取二跳機(jī)模塊，與原有的集成跳機(jī)塊并聯(lián)布置，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立電超速保護(hù)、獨(dú)立跳機(jī)的功能。三取二設(shè)計(jì)有效避免了單通道故障帶來的安全隱患，新增跳機(jī)裝置為原有跳機(jī)裝置的冗余配置，真正實(shí)現(xiàn)了超速保護(hù)的獨(dú)立動(dòng)作。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和泛在技術(shù)的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏也越來越快，“與時(shí)俱進(jìn)、終身學(xué)習(xí)”是這個(gè)時(shí)代對(duì)人們提出的要求，而碎片化及個(gè)性化學(xué)習(xí)也逐漸受到學(xué)習(xí)者們的青睞。泛在學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、基于任何計(jì)算設(shè)備獲取任何所需的學(xué)習(xí)資源，享受無處不在的學(xué)習(xí)服務(wù)，符合人們碎片化、個(gè)性化、終身化學(xué)習(xí)的需求。對(duì)學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)能力較弱、自覺性相對(duì)較差的高職學(xué)生來說，課堂學(xué)習(xí)效果可能并不理想，在不久的將來，泛在學(xué)習(xí)將成為他們的一種重要學(xué)習(xí)方式。泛在學(xué)習(xí)要成為現(xiàn)實(shí)，構(gòu)建無處不在的隨時(shí)可以獲取的學(xué)習(xí)資源是核心問題。

2）多重冗余的控制回路

新增獨(dú)立電超速由兩路外部電源供電，確保在一路外部電源喪失的情況下不會(huì)誤跳機(jī)。三取二跳機(jī)塊的3個(gè)電磁閥由兩路外部給電磁閥配電模塊供電，確保在喪失一路外部電源的情況下只有一個(gè)電磁閥會(huì)失電，不會(huì)出現(xiàn)誤跳機(jī)的情況。為了在線進(jìn)行跳機(jī)塊通道試驗(yàn)，在每個(gè)電磁閥的控制回路上都增加了試驗(yàn)回路。為保證操縱員在緊急情況下能及時(shí)停機(jī)，主控跳機(jī)按鈕和就地跳機(jī)按鈕的跳機(jī)信號(hào)均接入到各個(gè)電磁閥的控制回路[3]。

3）新設(shè)計(jì)就地跳機(jī)按鈕

在機(jī)頭新增一個(gè)手動(dòng)跳機(jī)按鈕以代替原機(jī)械超速的手動(dòng)停機(jī)操縱桿，該按鈕觸發(fā)的跳機(jī)信號(hào)同時(shí)接入跳機(jī)繼電器回路和獨(dú)立電超跳機(jī)回路，確保緊急情況下能及時(shí)停機(jī)。

4）新設(shè)計(jì)專用能動(dòng)式超速保護(hù)探頭

加工新的安裝支架，用于安裝原有探頭及新增的4個(gè)獨(dú)立電超專用測(cè)速探頭（一個(gè)為備用）。原超速保護(hù)探頭為非能動(dòng)式磁阻探頭，新增獨(dú)立電超保護(hù)探頭選用能動(dòng)式霍爾效應(yīng)探頭，在設(shè)計(jì)上同時(shí)考慮了獨(dú)立性和多樣性。

5）設(shè)計(jì)有控制監(jiān)測(cè)試驗(yàn)功能的畫面

汽輪機(jī)保護(hù)和控制系統(tǒng)所使用的設(shè)備及組態(tài)保持現(xiàn)狀不變。在操縱員站的圖形接口界面上，增加獨(dú)立電超保護(hù)通道試驗(yàn)的圖形界面，增加首出邏輯對(duì)新增跳機(jī)按鈕及獨(dú)立電超跳機(jī)信號(hào)的捕捉，增加對(duì)獨(dú)立電超的電源及跳機(jī)通道的異常監(jiān)視報(bào)警功能，增加獨(dú)立電超跳機(jī)后的主控復(fù)位功能。在線試驗(yàn)是保證安全裝置可靠運(yùn)行的必備手段，可視化的在線試驗(yàn)監(jiān)控手段有效避免了以前現(xiàn)場(chǎng)注油試驗(yàn)帶來的跳機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

拆除機(jī)械超速裝置相關(guān)設(shè)備，包括隔膜閥、危急遮斷器（其中，短軸上的飛錘式撞擊子保留，并將緊固螺絲擰緊）、危急遮斷器滑閥，以及保安操縱裝置等其他相關(guān)的油路管線。油管切除后，遺留的接管口及前箱穿缸孔洞均進(jìn)行焊封。取消了飛錘動(dòng)作機(jī)構(gòu)，避免因保安油管路上各部件因接頭漏油、溢油閥整定值漂移、危急遮斷滑閥的扭彈簧加載力矩不當(dāng)、危急遮斷滑閥及試驗(yàn)滑閥的閥芯或閥桿不嚴(yán)密等易發(fā)故障使保安油泄壓，從而使遮斷滑閥的背壓降低導(dǎo)致遮斷滑閥不正常，提前動(dòng)作使機(jī)組跳閘的非停事件出現(xiàn)，避免了定期注油試驗(yàn)帶來的機(jī)組誤跳風(fēng)險(xiǎn)。

7）設(shè)計(jì)取消關(guān)鍵敏感設(shè)備

取消了薄膜閥（油壓控制薄膜閥是觸發(fā)機(jī)械跳機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于關(guān)鍵敏感設(shè)備），避免了因膜頭漏油、定值調(diào)整過大、閥門本身故障等缺陷導(dǎo)致的機(jī)組誤跳。

3 關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)

獨(dú)立電超速保護(hù)裝置的可靠性要求極高，與現(xiàn)有的跳機(jī)保護(hù)系統(tǒng)必須分離，之間不能有控制、配電之間的交集?，F(xiàn)有機(jī)械超速設(shè)備的拆除不能影響汽輪機(jī)軸系，盡量減少可能的漏油風(fēng)險(xiǎn)。

原有機(jī)械超速涉及汽輪機(jī)控制的氣回路和油回路，這些回路都是汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的必要基石，如果改動(dòng)不當(dāng)，則直接導(dǎo)致汽輪機(jī)無法正常啟用，對(duì)電廠影響巨大，或?qū)窈髾C(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行留下隱患。

新的電超速涉及到配電穩(wěn)定性、信號(hào)傳輸質(zhì)量、邏輯質(zhì)量位判定等問題，都需要在實(shí)施前多方驗(yàn)證，以確保不影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

探頭安裝支架等就地設(shè)備都需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，日常運(yùn)行期間不具備工作條件，只有利用機(jī)組大修窗口，無形中增加了大修工作量，工期更為緊迫。

4 效果與創(chuàng)新點(diǎn)

本次改造是目前國(guó)內(nèi)核電廠汽輪機(jī)組首次進(jìn)行機(jī)械超速改電超速項(xiàng)目，對(duì)標(biāo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求都是核電站所獨(dú)有的。通過改造后機(jī)組的運(yùn)行情況和歷次邏輯驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，目前秦二廠采用的技術(shù)已經(jīng)驗(yàn)證是成熟可靠的，整套設(shè)備的可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，且已向其它核電機(jī)組進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)共享。

超速試驗(yàn)可在3000RPM完成，避免了在3300RPM試驗(yàn)時(shí)對(duì)汽輪機(jī)組造成的不必要損傷。

新增三取二跳機(jī)電磁閥及獨(dú)立供電裝置，設(shè)計(jì)了多重冗余的控制回路，分別使用3塊轉(zhuǎn)速卡件對(duì)3個(gè)轉(zhuǎn)速探頭進(jìn)行獨(dú)立采集，通道之間完全獨(dú)立，設(shè)計(jì)有控制監(jiān)測(cè)試驗(yàn)功能的畫面。

新設(shè)計(jì)三取二跳機(jī)裝置、就地跳機(jī)按鈕、專用能動(dòng)式超速保護(hù)探頭、重新設(shè)計(jì)機(jī)械超速拆除后的油回路、同時(shí)取消了關(guān)鍵敏感設(shè)備。相對(duì)于原超速保護(hù)從配電、轉(zhuǎn)速測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、完成跳機(jī)動(dòng)作等整個(gè)回路完全獨(dú)立，有效防止了共因故障。

改造前的前箱內(nèi)機(jī)械式飛錘撞擊子液壓超速控制回路布置緊密，設(shè)備和管路排布錯(cuò)綜復(fù)雜，故障點(diǎn)多。改造后對(duì)前箱內(nèi)的管路和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，整潔美觀，如圖2所示。

圖2 改造后前箱內(nèi)部圖Fig.2 Internal drawing of front box after transformation

改造后新增的控制機(jī)柜，包含三取二控制模塊及電磁閥配電回路，控制柜內(nèi)布置科學(xué)合理，如圖3所示。

圖3 新增控制機(jī)柜圖Fig.3 Diagram of new control cabinet

5 效益及推廣前景

直接經(jīng)濟(jì)效益：增加獨(dú)立電超后，大修結(jié)束機(jī)組首次并網(wǎng)后無需再次解列執(zhí)行超速試驗(yàn)，這樣可使每次大修關(guān)鍵路徑均減少10個(gè)小時(shí)以上。如按秦二廠4臺(tái)機(jī)組分別要進(jìn)行20次大修計(jì)算，可直接增加滿負(fù)荷發(fā)電800 h，效益巨大。

間接經(jīng)濟(jì)效益：機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的超速試驗(yàn)可以在3000 RPM執(zhí)行（修改電超速定值），降低了以往在3300 RPM附近機(jī)械超速真實(shí)動(dòng)作試驗(yàn)對(duì)汽機(jī)葉片造成應(yīng)力損害的風(fēng)險(xiǎn)，使機(jī)組的安全性得到提高。

目前，秦二廠4臺(tái)機(jī)組都已順利實(shí)施改造工作，改造后系統(tǒng)運(yùn)行良好、穩(wěn)定。此技術(shù)優(yōu)化已經(jīng)在海南核電站得到了推廣應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)其它核電廠也正處于調(diào)研階段，前景廣泛。

6 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)是發(fā)電廠的重要保護(hù)系統(tǒng)，是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)機(jī)械超速的改造在國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域中尚屬首次實(shí)施。

新增獨(dú)立電超速保護(hù)裝置，從測(cè)速探頭選型、安裝到控制回路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)都充分考慮了多樣性和獨(dú)立性，為超速保護(hù)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了保證。

通過定值修改的方式完成定期的超速保護(hù)試驗(yàn)，避免了汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的上升，減少對(duì)于汽輪機(jī)葉片的損傷。原有機(jī)械超速的暖機(jī)時(shí)間需求也無要求，能夠提前大致10 h完成二次并網(wǎng)工作，改造后效益顯著，機(jī)組運(yùn)行性能進(jìn)一步改善。

在同行觀望中，工作人員勇于實(shí)踐，有效避免改造中的各種風(fēng)險(xiǎn)，成功實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo)，起到了很好的示范效應(yīng)，其中的改造經(jīng)驗(yàn)為同行實(shí)施提供了參考依據(jù)。