核電廠汽輪機控制系統(tǒng)設計標準適用性分析與研究

曾 彬 展曉磊 張 沖

(上海交通大學自動化系1，上海 200030 ;深圳中廣核工程設計有限公司2，廣東 深圳 518172)

0 引言

在壓水堆核電廠中，反應堆的冷卻劑在蒸汽發(fā)生器內加熱二回路的給水，使之成為飽和蒸汽，飽和蒸汽由主蒸汽管道送到汽輪機做功，帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能。

在核電廠中，汽輪機儀控技術是連接核島與常規(guī)島的中樞紐帶，除了自身重要而復雜的調節(jié)、保護功能之外，還重點涵蓋了反應堆與汽輪機協(xié)調控制保護的功能接口實現(xiàn)，以及與DCS 通信、與電網(wǎng)中調接口、與發(fā)變組保護聯(lián)鎖保護等。

從系統(tǒng)功能角度劃分，核電廠汽輪機可劃分為汽輪機專用儀控系統(tǒng)、汽輪機輔助系統(tǒng)。

1 遵循標準

從核電廠安全分級角度來看，汽輪機不執(zhí)行核安全或核安全相關功能，屬于非安全級系統(tǒng)。其設計主要參考的相關標準為IEC 標準、國家標準、電力行業(yè)和能源標準。

常用的標準主要有:

IEC 60045-1-1991，Steam turbine part1 specification;IEC 61064-1991，Acceptance Tests for steam turbine speed control system;GB 50660-2011《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》;GB/T 5578-2007《固定式發(fā)電用汽輪機規(guī)范》;DL/T 590-2010《火力發(fā)電廠凝汽式汽輪機的檢測與控制技術條件》。

標準中對汽輪機儀控設計的主要技術要求如下。

(1)汽輪機控制和保護系統(tǒng)應保證機組在各種運行模式及工況下安全、可靠、靈活、有效地運行。當機組發(fā)生故障或事故時，能使機組安全停機。

(2)用于汽輪機保護系統(tǒng)的測點應采用多點冗余、獨立取樣方式，并遵循獨立性原則。

(3)汽輪機保護系統(tǒng)應采用多通道的保護設計。用于汽輪機跳閘的泄油電磁閥應采用失電打開(泄油)方式，電磁閥應為可靠的多重化設置。

(4)根據(jù)核電廠不同的運行工況以及內、外部實際的影響，考慮下列設計原則:

①在正常運行及對于預期運行事件，應考慮提供設備計劃維護和檢修服務的可能性;

②與核電廠安全及機組運行可靠性相關的控制系統(tǒng)，采用冗余性和獨立性準則、故障安全準則、可試驗性和可維修性準則。

(5)測量和控制設備(或成套裝置)的功能、性能及配置的數(shù)量應使汽輪機在各種狀態(tài)下能自動快速安全啟動、并網(wǎng)，直至帶滿負荷;具備在正常運行時能接受電網(wǎng)調度指令、平穩(wěn)調整負荷的功能，在故障狀態(tài)時能自動處理，直至安全停機。

(6)汽輪機從沖轉、并網(wǎng)、帶基本負荷，直至帶滿負荷的全過程能投入自動控制，并能實現(xiàn)負荷限制、快速降負荷、停機保護的功能。當部分或全部甩負荷時，通過汽輪機旁路控制系統(tǒng)動作及汽輪機調節(jié)系統(tǒng)的作用，不會引起停堆和停機。

(7)汽輪機調節(jié)系統(tǒng)根據(jù)自動同期系統(tǒng)的指令完成汽輪發(fā)電機的轉速匹配，保證發(fā)電機能自動地同步并網(wǎng)。發(fā)電機并網(wǎng)后，汽輪機應迅速帶基本負荷。

(8)汽輪機在正常運行中，汽輪機調節(jié)系統(tǒng)能配合反應堆功率控制系統(tǒng)實現(xiàn)功率或進汽壓力控制功能，并具有一次調頻功能。在重要運行參數(shù)超過允許值時，汽輪機調節(jié)系統(tǒng)有完善的負荷限制功能，包括汽輪機在功率調整方式時的壓力限制功能。

(9)汽輪機調節(jié)系統(tǒng)的可靠性設計準則按照故障降級原則考慮，即根據(jù)故障的性質和范圍退出部分控制功能，但最終只能降低到保留轉速控制的水平。當轉速控制功能因故障失效時，應立即停機。不允許采用手動控制轉速方式。

2 汽輪機保護系統(tǒng)

汽輪機保護系統(tǒng)和跳閘系統(tǒng)是用于某設備或系統(tǒng)故障時盡快停止汽輪機的運行，以保護其不受損害。

對于汽輪機保護系統(tǒng)，根據(jù)設計標準，應滿足如下要求。

(1)獨立的超速保護裝置。

(2)冗余的儀表和控制器。汽輪機保護系統(tǒng)應采用多通道的保護設計。用于汽輪機跳閘的泄油電磁閥應采用失電打開(泄油)方式，電磁閥應為可靠的多重化設置;用于汽輪機保護系統(tǒng)的測點應采用多點冗余、獨立取樣方式，并遵循獨立性原則。

(3)故障安全。

A 核電廠的汽輪機保護系統(tǒng)架構如圖1 所示。其有3 個跳閘通道，每個通道由獨立的CPU 和輸入輸出卡件構成，每個通道控制一個跳閘電磁閥。3 個跳閘電磁閥控制就地的跳閘模塊(TRIP BLOCK)實現(xiàn)3 取2 跳閘邏輯，對供油母管進行卸油，從而跳機。

圖1 A 核電廠汽輪機保護系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the turbine protection system of NPP A

跳閘電磁閥由機柜提供的24 VDC 供電，電磁閥失電跳閘。在供電回路上，串聯(lián)停機按鈕觸點、超速保護觸點、MPM123 硬件跳機(潤滑油壓低、低壓缸排汽壓力低、高壓缸排汽壓力低)觸點和軟件跳機觸點。正常運行時，所有觸點閉合，跳閘電磁閥帶電。當上述任意一個觸點打開，電磁閥供電喪失，抗燃油壓失去，汽輪機跳閘。

B 核電廠的汽輪機保護系統(tǒng)架構如圖2 所示。以其中的一個主汽閥為例進行說明，該主汽閥配置兩個電磁閥GSE0313EL 和GSE0314EL，其中任意一個電磁閥失電，將導致主汽閥關閉。這兩個電磁閥由兩個failsafe 的DO 卡件分別控制。DO 卡件的供電由3 路24 V 電源通過3 取2 的邏輯進行供電，供電回路上串聯(lián)有兩套超速保護裝置、停機按鈕，只要其中任意一套超速保護裝置或者停機按鈕觸發(fā)，則DO 卡件失電，主汽閥關閉。

圖2 B 核電廠汽輪機保護系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the turbine protection system of NPP B

從上述兩個電廠的汽輪機保護系統(tǒng)方案可以看出，在獨立超速保護裝置、故障安全、冗余設置等方面，均已滿足標準基本的要求，但不同的電廠在實現(xiàn)方面存在如下技術差異。

①故障安全設計。A 電廠所有閥門由抗燃油壓母管進行供油，跳閘模塊(TRIP BLOCK)布置在母管上，保護系統(tǒng)動作直接作用于跳閘模塊，使母管油壓失去，所有閥門關閉。B 電廠中，抗燃油壓母管上無跳閘電磁模塊設計，抗燃油供油到各個閥門，保護系統(tǒng)直接動作各個閥門上的跳閘電磁閥。上述跳閘模塊或跳閘電磁閥，在汽輪機正常運行時處于帶電狀態(tài)，失電則停機，確保汽輪機在故障(供電失去)情況下處于安全狀態(tài)。

②超速保護裝置設計。A 電廠采用3 個轉速探頭，送到3 個超速保護卡件，實現(xiàn)3 取2 邏輯判斷。B 電廠采用6 個轉速探頭，分成兩組，每組3 個，送到兩套超速保護裝置中，每套超速保護裝置中將轉速進行3 取2 處理，兩套超速保護中任意一套動作即跳機。B 電廠的超速保護配置可靠性高于A 電廠。

③冗余設計。轉速探頭設置方面，A 電廠調節(jié)和保護系統(tǒng)共用3 個轉速探頭，轉速信號采集后先送到保護系統(tǒng)，再由保護系統(tǒng)送到調節(jié)系統(tǒng)。B 電廠采用9 個轉速探頭，3 個用于調節(jié)，6 個用于保護。B 電廠轉速探頭的設置方案優(yōu)于A 電廠。

④對于汽輪保護系統(tǒng)的跳機信號，設備廠家從保護設備本身的角度出發(fā)，設置較多的保護信號，確保設備本身的安全，但部分信號設置過于保守。從電廠角度來看，在滿足設備保護的情況下盡可能不誤跳機，確保電廠的可用率。跳機信號設置的確定是廠家、運營單位不斷商討的結果。

⑤多樣性和冗余設計原則

核電廠中，汽輪機是常規(guī)島重要的設備。為了保證設備和人員的安全，在汽輪機設計中，充分考慮了冗余、多樣性等原則，如表1 所示。

表1 冗余及多樣性原則考慮Tab.1 Consideration of principles of redundancy and diversity

3 汽輪機調節(jié)系統(tǒng)

根據(jù)法規(guī)標準要求，汽輪機調節(jié)系統(tǒng)作為汽輪發(fā)電機組重要的系統(tǒng)，其應具備如下主要控制功能:

(1)轉速控制;

(2)并網(wǎng)后的負荷控制和頻率控制;

(3)甩負荷控制;

(4)蒸汽流量限制和蒸汽壓力限制;

(5)一次調頻、二次調頻功能;

(6)超速保護控制。

汽機調節(jié)系統(tǒng)通過調節(jié)汽機進汽閥開度，對機組進行轉速、功率、頻率和壓力控制，并對機組的負荷和轉速實施超速、超加速、負荷速降和蒸汽需求進行限制。在不同的運行方式下，各參數(shù)之間互相制約、互相影響，汽機調節(jié)系統(tǒng)對各參數(shù)進行控制，將各參數(shù)維持在允許的范圍內。

轉速控制，是指根據(jù)機組停機狀態(tài)調節(jié)汽機進汽閥開度，使汽機轉速按要求從0 穩(wěn)步上升到1 500 r/min，完成汽機沖轉。

功率控制，是指根據(jù)電網(wǎng)功率需求自動或手動地調節(jié)汽機進汽閥開度，達到調節(jié)發(fā)電機功率的目的。

頻率控制，是指對電網(wǎng)頻率偏離額定值進行補償。

壓力控制，是指通過限制汽機進汽壓力或者限制汽機進汽壓力的增長速率，以達到保護汽機的目的。

超速限制和超加速限制，是指當汽輪機轉速或轉速加速度達到或超過限值以后，按照超過的比例關小汽機進汽閥門，以達到保護汽機的目的。

負荷速降限制，是指發(fā)生某些異常工況時，迅速地降低汽機的負荷，以防止反應堆保護系統(tǒng)的動作并保護汽機。

蒸汽需求限制，是指操作員在必要時可以通過設定汽機進汽流量進行流量限制，以保證汽機功率不超過安全值。

汽輪機調節(jié)系統(tǒng)實際上是負荷控制回路疊加轉速控制回路，輔以蒸汽流量限制、蒸汽壓力限制以及甩負荷控制。其原理圖如圖3 所示。

圖3 汽輪機調節(jié)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of turbine governing system

A 核電廠和B 核電廠的汽輪機調節(jié)系統(tǒng)設計原理類似，均能滿足標準中所具備的功能，但具體實現(xiàn)方式差異較大，主要體現(xiàn)在如下方面。

1)A 核電廠中，采用了分層的控制模式。該控制模式的劃分源于20 世紀90 年代技術。由于分散控制系統(tǒng)的可靠性越來越高，分層控制模式可取消。

2)自動化程度。A 核電廠技術路線下，汽輪機沖轉、并網(wǎng)直至帶最小負荷的過程中，需要操縱員操作的步驟較多，自動化程度較低。B 核電廠技術路線的自動化程度較高，可實現(xiàn)汽輪機自啟停控制。

4 技術要求

通過上述對這些關鍵技術方案的標準適用性研究分析以及技術對比，在吸收各個技術路線優(yōu)點的基礎上，形成如下的技術基本要求，為后續(xù)的汽輪機儀控設計標準化提供可行的技術參考。

(1)汽輪機保護系統(tǒng)架構及停機保護信號設置。

由于汽輪機廠家技術路線的不同，汽輪機保護系統(tǒng)架構存在差異，在滿足技術要求的前提下，技術差異項的存在可以接受。保護系統(tǒng)的技術要求主要包括如下幾點。

①用于汽輪機保護系統(tǒng)的測點采用多點冗余、獨立取樣方式，避免單一信號停機。

②汽輪機保護系統(tǒng)的邏輯具有冗余容錯功能，避免傳感器單一故障而停機。

③汽輪機保護系統(tǒng)應采用多通道的保護設計。

④故障安全設計，用于汽輪機跳閘的泄油電磁閥應采用失電打開(泄油)方式。

⑤超速保護裝置應獨立于其他停機保護裝置，并直接串聯(lián)在跳閘電磁閥的供電回路上，超速保護動作直接切斷跳閘電磁閥的供電。超速保護裝置采用兩套電氣超速保護，機械超速保護可選配。用于超速保護的轉速探頭應獨立設置。

⑥發(fā)變組、反應堆保護系統(tǒng)聯(lián)跳汽輪機的信號連接方式采用硬接線連接。

⑦汽輪機停機保護信號設置應與汽輪機廠家達成一致，并至少包括如下基本保護:超速、冷凝器真空、潤滑油壓力低、軸向位移大、潤滑油箱液位低、發(fā)電機輔助系統(tǒng)故障、反應堆停堆、發(fā)電機跳閘、其他(由廠家提出，與業(yè)主協(xié)商確定)。

(2)汽輪機調節(jié)系統(tǒng)。

汽輪機調節(jié)系統(tǒng)應具備如下具體的基本功能，這些功能的具體實現(xiàn)方式可以存在差異。

基本控制功能如下。

①轉速控制:啟動控制，升、降轉速控制。

②負荷控制:升、降負荷控制，穩(wěn)定負荷控制。

③一次調頻。

④二次調頻:AGC 功能，電網(wǎng)中調控制負荷方式。

⑤甩負荷控制(RB):包含手動和自動RB。

⑥同期控制:接收同期裝置的控制信號。

⑦超加速控制。

⑧防止核島超功率的限制功能。

⑨試驗功能:閥門嚴密性試驗、閥門活動性試驗、重要保護在線試驗。

可選控制功能如下。

①自啟?？刂?體現(xiàn)機組自動化水平。

②閥門管理功能:改善轉子、氣缸熱應力和部分負荷時的經(jīng)濟性(與機組特點相適應)。

5 結束語

從標準要求的角度出發(fā)，對核電廠汽輪機控制系統(tǒng)的重要技術點進行分析，并采用對比的方法，研究不同技術路線下的汽輪機技術相同點和差異。在吸收各個技術路線優(yōu)點的基礎上，形成技術基本要求，可為后續(xù)的汽輪機儀控設計標準化提供可行的技術參考。

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