淺析海陽核電廠汽輪機保護系統(tǒng)

于方輝

（山東核電有限公司 山東 海陽 265116）

0 前言

海陽核電廠采用美國西屋AP1000技術(shù)，汽輪機采用日本三菱技術(shù)，采用全數(shù)字化電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）。蒸汽采用飽和蒸汽，與傳統(tǒng)火電機組相比，具有蒸汽參數(shù)低、濕度大的特點。汽輪機組共有1個高壓缸（HP）和 3 個低壓缸（LP），共有 4 個主汽門（MSV）、4 個調(diào)門（GV）、6個再熱主汽門（RSV）、6個再熱調(diào)門（ICV）。汽輪機保護系統(tǒng)采用美國西屋數(shù)字化儀控OVATION控制系統(tǒng)，與汽輪機保護相關(guān)的有4個汽輪機保護機柜和1個與汽輪機保護在線試驗有關(guān)的COMMON機柜。

1 汽輪機保護功能

海陽核電廠汽輪機保護系統(tǒng)具有跳閘保護功能，用以機組運行在異常工況下跳閘，保護機組設(shè)備安全。海陽核電站主汽輪機保護系統(tǒng)的跳閘保護功能包括以下幾種：

1）真空低跳閘

真空低壓力開關(guān)連接到對應(yīng)機柜的繼電器，相應(yīng)繼電器的觸點分別連接到每個DPU。每個繼電器由OVATION機柜內(nèi)部供電，帶四個觸點。

2）軸承潤滑油壓低跳閘

軸承潤滑油壓低測點分別選取1#軸承和11#軸承。

3）推力軸承磨損跳閘

推力軸承磨損跳閘磨損也叫軸向位移大跳閘，海陽核電廠采用液壓式，通過測量壓力信號來判斷汽輪機軸向位移大；同時電廠也配置電子式探頭，作為操作員監(jiān)視用，不參與跳閘。

4）電超速跳閘

電超速作為汽輪機超速（107.5%）和機械超速保護跳閘（111%）的后備，當汽輪機轉(zhuǎn)速超過113%時動作。其采用專門的硬件配置，采用12個轉(zhuǎn)速探測模塊組成4個3取2電路，對應(yīng)四個AST電磁閥，當轉(zhuǎn)速超過113%時，機組跳閘。電超速從探頭檢測到超速信號，到發(fā)出跳機信號不超過60ms。

5）緊急跳閘油壓機跳閘

6）軸振高跳閘

1#至11#軸，X方向和Y方向共22個探頭用于測量軸振。每個軸振信號首先經(jīng)過TSI系統(tǒng)和其繼電器柜（1分4繼電器）后，通過硬接線分別送到汽輪機保護系統(tǒng)的4個機柜。當其中任何兩個軸振高，則汽輪機跳閘。

7）低壓缸排氣室溫度高跳閘

8）汽輪機控制系統(tǒng)故障跳閘

當汽輪機控制系統(tǒng)故障或控制柜失電，則汽輪機跳閘。

9）所有的循環(huán)水泵跳泵跳閘

當所有循環(huán)水泵跳閘時，汽輪機跳閘，其實質(zhì)上是低壓缸排氣室溫度高跳機的備用。當循環(huán)水泵跳閘時，失去了熱阱，低壓缸排氣室溫度高跳機。

10）發(fā)電機跳閘

當發(fā)電機跳閘時，汽輪機跳機；同時汽輪機跳閘后，延時一定時間后，發(fā)電機跳閘。

11）來自核島的保護系統(tǒng)（PMS）和多樣性觸發(fā)系統(tǒng)（DAS）跳閘

12）遠方手動打閘

AST電磁閥正常情況下帶電關(guān)閉，當遠方手動打閘時，直接使4個AST跳閘電磁閥失電打開，從而使汽輪機跳閘。

13）就地手動打閘

通過就地打閘杠桿使自動停機油泄油，活塞閥打開，危急遮斷油泄油，汽輪機跳機。

2 汽輪機保護系統(tǒng)硬件配置

2.1 CPU冗余配置

汽輪機保護系統(tǒng)功能與其它系統(tǒng)分開，采用冗余設(shè)計。山東海陽核電廠汽輪機保護系統(tǒng)方案是，由四個冗余的CPU來完成其功能，同時為汽輪機保護系統(tǒng)在線試驗設(shè)置了一個COMMON試驗機柜。汽輪機保護系統(tǒng)CPU冗余配置見圖1所示。

2.2 汽輪機保護系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

汽輪機保護系統(tǒng)中任何一個單一的信號故障時，都不會影響到機組跳閘。為了實現(xiàn)汽輪機保護系統(tǒng)的可靠性，機組采用冗余的CPU、電源供給系統(tǒng)、重要信號的輸入/輸出設(shè)備。海陽核電站控制邏輯采用“兩個二取一”（One out of two twice），實現(xiàn)跳閘控制功能。下面以凝汽器真空低為例說明，見圖1汽輪機保護系統(tǒng)冗余配置示意圖。

圖 1 中，LV-1(低真空)、LV-2(低真空)、LV-3(低真空)、LV-4(低真空)為就地傳感器信號。CPU1、CPU2、CPU3、CPU4為四個冗余配置的控制器DPU。

該四個保護信號在CPU中進行邏輯運算，LV-1與LV-3之間二取一，LV-2與LV-4之間二取一，然后將兩個表決后信號進行“與”運算。這樣，任何一個就地保護信號故障都不會使保護系統(tǒng)出現(xiàn)誤動或拒動情況。

每個參與保護的就地信號經(jīng)過分配后，分四路輸入到四個CPU中，每個CPU輸出對應(yīng)一個現(xiàn)場的保護電磁閥（SV121/122/123/124）。這樣，任何一個CPU卡件故障，都不會引起保護系統(tǒng)拒動。

同樣，從四個跳閘電磁閥在油管路上的布置情況看出，任何一個電磁閥故障都不會影響保護系統(tǒng)的可靠性，即不會因此導(dǎo)致機組保護系統(tǒng)的拒動或誤動情況產(chǎn)生。

跳閘電磁閥工作電壓為220V DC，四個跳閘電磁閥正常工作時為帶電關(guān)閉狀態(tài)，切斷緊急跳閘油流向回油管路。緊急跳閘油維持在壓力為11.4-14.5MPa之間，安裝在每個MSV/GV/RSV/ICV閥門驅(qū)動部分的快速卸載閥維持在全關(guān)閉狀態(tài)。當MTP輸出跳閘指令信號時，SV121-124四個電磁閥失電開啟，緊急跳閘油流入回油管路，快速卸載閥因失去緊急跳閘油壓作用而在彈簧力作用下打開，油動機下腔室內(nèi)的高壓油從快速卸載閥迅速流入回油管路，各個MSV/GV/RSV/ICV閥門迅速關(guān)閉。汽輪機跳閘電磁閥采用兩個二取一邏輯，見圖1。

圖1 汽輪機保護系統(tǒng)冗余配置示意圖

3 汽輪機保護在線試驗

汽輪機保護系統(tǒng)具有在線試驗功能。試驗時，汽輪機保護系統(tǒng)的相關(guān)跳閘功能仍然可用。由于汽輪機保護系統(tǒng)保護著很重要的設(shè)備，因此對汽輪機保護系統(tǒng)進行定期在線試驗。通過在線試驗，可以確保汽輪機保護系統(tǒng)的可靠性。汽輪機保護系統(tǒng)在線試驗內(nèi)容有：

1）汽輪機跳閘電磁閥試驗

2）真空低試驗

3）軸承潤滑油壓力低試驗

4）推力軸承磨損試驗（軸向位移大）

5）電超速試驗

6）遠方跳閘試驗

如圖2所示，在汽輪機保護系統(tǒng)在線試驗時，按照通道1和通道2順序依次進行。在通道1試驗時（見圖2中虛線部分），通道2的兩個電磁閥控制的油管路是關(guān)閉的，這樣，確保緊急跳閘油不會流入回油管路。同樣在做通道2通道試驗時，通道1的電磁閥控制的緊急跳閘油管路是關(guān)閉的。

上述的汽輪機跳閘電磁閥試驗、真空低試驗、軸承潤滑油壓力低試驗、推力軸承磨損試驗（軸向位移大）、電超速試驗、遠方跳閘試驗相關(guān)邏輯均可在COMMON試驗機柜內(nèi)實現(xiàn)，操作人員在畫面上操作就可以實現(xiàn)，減少了人為失誤的可能性。

圖2 汽輪機保護系統(tǒng)在線試驗原理圖

4 結(jié)論

采用全數(shù)字化的海陽核電廠保護系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計上是有保障的，同時汽輪機保護系統(tǒng)具有在線試驗功能，試驗時不會使相關(guān)保護功能失去，又不會失去發(fā)生誤動作。汽輪機在線試驗功能減輕了操作人員的負擔。先進的汽輪機保護系統(tǒng)為電廠的可靠性和經(jīng)濟性提供了保障。先進的汽輪機保護系統(tǒng)具有以下特點：

1）冗余的硬件配置：與其他系統(tǒng)分開，采用“兩個或再與”方式，同時還冗余配置了電超速回路；

2）冗余供電：采用UPS和備用柴油AC供電；

就地信號的分配方式：每個參與保護的就地信號經(jīng)過分配后，分四路輸入到四個CPU中，每個CPU輸出對應(yīng)一個現(xiàn)場的保護電磁閥（SV121/122/123/124）；

3）可靠地系統(tǒng)設(shè)計，可以防止系統(tǒng)誤動和拒動；

4）在線試驗功能，減小了操作人員的負擔和發(fā)生失誤操作的可能性。