羅吉江

(山東核電有限公司，煙臺(tái)265116)

AP1000核電技術(shù)是我國(guó)引進(jìn)美國(guó)西屋公司的第三代核電技術(shù)，核島反應(yīng)堆是采用非能動(dòng)理念模塊化建造的兩環(huán)路壓水堆，首批依托項(xiàng)目的常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)組為哈動(dòng)-三菱聯(lián)合公司提供的1 000 MW級(jí)核電機(jī)組。汽輪機(jī)是由1個(gè)高壓缸、3個(gè)低壓缸組成的凝汽式半速汽輪機(jī)，沒有中壓缸。每個(gè)汽缸的通流部分均采用雙分流對(duì)稱布置。機(jī)組共有4個(gè)高壓主汽閥、4個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥、6個(gè)再熱主汽閥和6個(gè)再熱調(diào)節(jié)閥[1]。

AP1000核電廠的儀表控制系統(tǒng)為數(shù)字化分布式控制系統(tǒng)，采用了西屋的Common Q 和Ovation兩種平臺(tái)。Common Q平臺(tái)屬1E級(jí)，用于實(shí)現(xiàn)安全儀控功能，設(shè)備能夠滿足抗震要求；Ovation平臺(tái)屬非1E級(jí)， 是全數(shù)字化控制系統(tǒng)平臺(tái)，為分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)。Ovation系統(tǒng)由Emerson公司設(shè)計(jì)和開發(fā)，具有監(jiān)視電廠實(shí)時(shí)狀態(tài)、分散電廠信息及電廠過程控制等功能，可以實(shí)現(xiàn)電廠啟動(dòng)、升功率、功率運(yùn)行及停堆等功能。汽輪機(jī)控制與診斷系統(tǒng)(TOS)被納入一體化的Ovation平臺(tái)，由汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TSI)、汽輪機(jī)控制系統(tǒng)(MTC)、汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)(MTP)和汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)(TDM)組成[2]。本文將對(duì)AP1000汽輪機(jī)保護(hù)配置進(jìn)行簡(jiǎn)介，重點(diǎn)對(duì)汽輪機(jī)軸振保護(hù)、機(jī)械超速保護(hù)及主油箱低油位保護(hù)配置進(jìn)行探討，為后續(xù)AP1000汽輪機(jī)保護(hù)配置優(yōu)化提供建議。

1 AP1000核電汽輪機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)

AP1000核電主汽輪機(jī)MTP是由日本三菱公司設(shè)計(jì)的，由5個(gè)CPU機(jī)柜構(gòu)成，其中4個(gè)CPU機(jī)柜為保護(hù)柜，每個(gè)保護(hù)機(jī)柜對(duì)應(yīng)一個(gè)跳閘繼電器，另一個(gè)機(jī)柜為公用機(jī)柜，由其進(jìn)行CPU管理和在線試驗(yàn)。該保護(hù)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1)采用四冗余布置。4個(gè)跳閘繼電器各配置1個(gè)CPU機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜又設(shè)置2個(gè)CPU，正常運(yùn)行時(shí)1個(gè)運(yùn)行，1個(gè)熱備用。另外凝汽器真空、軸承潤(rùn)滑油壓等保護(hù)測(cè)點(diǎn)均使用四冗余配置，任何1個(gè)測(cè)點(diǎn)故障均不會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作。四冗余布置進(jìn)一步提高了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

2)主機(jī)保護(hù)采用經(jīng)典的緊急跳閘控制單元。系統(tǒng)采用雙通道，布置成“或-與”門的通道方式，可有效防止“誤動(dòng)”和“拒動(dòng)”，大大提高其動(dòng)作可靠性。汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)控制4個(gè)跳閘電磁閥, 當(dāng)2個(gè)通道都有電磁閥打開時(shí)，泄去危急遮斷母管油, 實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)所有進(jìn)汽閥門快速關(guān)閉的目的。緊急跳閘控制單元示意圖如圖1所示。

圖1 緊急跳閘控制單元示意圖

3)MTP采用失電跳閘的原理。4個(gè)停機(jī)電磁閥正常運(yùn)行時(shí)帶電關(guān)閉，當(dāng)保護(hù)程序動(dòng)作時(shí)電磁閥失電開啟，卸去安全油壓，汽輪機(jī)停機(jī)。該設(shè)計(jì)可避免系統(tǒng)電源喪失造成的保護(hù)系統(tǒng)拒動(dòng)。

4)保護(hù)裝置電源冗余配置。MTP的主要硬件及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電方式采用冗余配置。MTP保護(hù)柜由UPS和AC電源兩路供電，停機(jī)電磁閥電源為兩路220V直流電，一路工作，一路熱備用。

5)具有在線試驗(yàn)功能。低真空保護(hù)、低潤(rùn)滑油壓保護(hù)和超速保護(hù)等均配置在線試驗(yàn)功能，確保了保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

6)具有首出報(bào)警功能。保護(hù)動(dòng)作前后相關(guān)信號(hào)按時(shí)間先后存儲(chǔ)，系統(tǒng)具有保護(hù)動(dòng)作首出報(bào)警功能。

2 AP1000核電汽輪機(jī)保護(hù)的配置

2.1 凝汽器真空低保護(hù)

汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，凝汽器真空下降導(dǎo)致排汽缸溫度升高，嚴(yán)重時(shí)將引起排汽缸變形及汽缸中心與轉(zhuǎn)子中心的偏移，使機(jī)組的振動(dòng)增加。因此凝汽器真空低保護(hù)是機(jī)組必備的保護(hù)項(xiàng)目之一。

AP1000機(jī)組低真空保護(hù)由凝汽器的4個(gè)低真空壓力開關(guān)信號(hào)分2個(gè)通道送入4個(gè)CPU中進(jìn)行邏輯運(yùn)算，結(jié)果輸入4個(gè)串并聯(lián)跳閘電磁閥。當(dāng)2個(gè)通道都檢測(cè)到凝汽器真空達(dá)到真空低保護(hù)定值時(shí), 才發(fā)出跳閘信號(hào)。凝汽器真空達(dá)到-86.7 kPa時(shí)報(bào)警，達(dá)到-73.3 kPa后保護(hù)程序動(dòng)作，執(zhí)行跳機(jī)。

2.2 軸承潤(rùn)滑油壓低保護(hù)

汽輪機(jī)軸承潤(rùn)滑油具有潤(rùn)滑軸承的作用，其在軸頸與軸瓦之間形成油膜，可以帶走熱量，避免軸與軸瓦磨損或者燒瓦。若汽輪機(jī)潤(rùn)滑油油壓降低，進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油流量減小，這將導(dǎo)致軸承內(nèi)油溫升高，使油膜承受載荷的能力下降，危及軸承和軸的安全運(yùn)行。

AP1000機(jī)組分別在1號(hào)、11號(hào)軸承處設(shè)置潤(rùn)滑油壓力變送器和壓力開關(guān)，對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。潤(rùn)滑油壓力開關(guān)為雙通道布置，以提高低油壓保護(hù)動(dòng)作的可靠性。當(dāng)潤(rùn)滑油壓力不高于0.074 MPa時(shí)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)報(bào)警信號(hào)，當(dāng)潤(rùn)滑油壓力不高于0.049 MPa時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)將觸發(fā)機(jī)組跳閘指令信號(hào)。

另外，當(dāng)潤(rùn)滑油油壓低于0.083 MPa時(shí)，系統(tǒng)將聯(lián)啟盤車油泵(即交流啟動(dòng)油泵)，潤(rùn)滑油油壓低于0.064 MPa時(shí)，系統(tǒng)將聯(lián)啟直流(事故)油泵，低于0.02 MPa時(shí)，盤車跳閘。

2.3 推力軸承磨損保護(hù)

該保護(hù)為軸向位移保護(hù)。軸向位移監(jiān)測(cè)的主要目的是為了避免機(jī)組轉(zhuǎn)子和靜子之間的軸向摩擦。另外，汽輪機(jī)在運(yùn)行中存在著軸向推力，若軸向推力增大，將使推力軸承負(fù)荷過大，破壞油膜，導(dǎo)致推力瓦塊烏金燒熔，最終使轉(zhuǎn)子發(fā)生過大的軸向移動(dòng)，造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞事故。因此進(jìn)行軸向位移的監(jiān)測(cè)和相關(guān)保護(hù)是十分必要的。

AP1000核電汽輪機(jī)軸向位移的測(cè)量采用油壓式和位移式兩種方式。油壓式軸向位移測(cè)量信號(hào)為壓力信號(hào)，在推力盤兩側(cè)各布置2個(gè)壓力開關(guān)，保護(hù)信號(hào)取自這4個(gè)壓力開關(guān)，分2個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一組汽輪機(jī)跳閘電磁閥。當(dāng)每個(gè)通道都有一個(gè)壓力開關(guān)動(dòng)作，則推力軸承磨損保護(hù)發(fā)生動(dòng)作，使汽輪機(jī)跳閘。油壓達(dá)到或超過0.21 MPa時(shí)報(bào)警，油壓達(dá)到或超過0.55 MPa時(shí)，將觸發(fā)機(jī)組跳閘指令信號(hào)。軸向位移的測(cè)量信號(hào)僅用作監(jiān)視軸向位移變化，分±0.9 mm、±1.0 mm兩級(jí)報(bào)警。

2.4 危急跳閘油壓低保護(hù)

EH油是汽輪機(jī)本體所有主汽閥和調(diào)節(jié)閥的控制和動(dòng)力油，當(dāng)油壓過低時(shí)，汽輪機(jī)閥門會(huì)失控，給機(jī)組的運(yùn)行帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，故設(shè)置了EH油壓低保護(hù)。國(guó)內(nèi)很多機(jī)組EH油壓低保護(hù)信號(hào)取自EH油母管壓力，而AP1000核電機(jī)組提取直接反映閥門控制的危急跳閘油壓信號(hào)作為保護(hù)信號(hào)。4個(gè)危急跳閘油壓信號(hào)分別進(jìn)入4個(gè)CPU進(jìn)行四取二邏輯表決運(yùn)算，表決后的結(jié)果將輸出至4個(gè)跳閘電磁閥。當(dāng)緊急跳閘油壓力低于6.9 MPa時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組跳閘指令信號(hào)。

2.5 超速保護(hù)

AP1000核電汽輪機(jī)的超速保護(hù)設(shè)置比較保守，采用機(jī)械超速保護(hù)和電氣超速保護(hù)共存的模式，將電氣超速保護(hù)作為后備保護(hù)。

電氣超速保護(hù)系統(tǒng)由獨(dú)立于MTP的4對(duì)冗余分散處理單元(DPU)構(gòu)成。用于電氣超速保護(hù)的轉(zhuǎn)速信號(hào)取自MTC，共有4個(gè)，其中一個(gè)作為備用。轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)模塊為12塊，轉(zhuǎn)速傳感器的輸入信號(hào)為3個(gè)，每個(gè)分配成4路信號(hào)，分別送到4組轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行三取二邏輯表決運(yùn)算，4組轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)模塊表決結(jié)果分別輸出至4個(gè)跳閘電磁閥。電氣超速保護(hù)邏輯圖如圖2所示。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的107.5%時(shí)，超速保護(hù)控制單元(OPC)動(dòng)作，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的111%時(shí)，電氣超速保護(hù)動(dòng)作。

圖2 電氣超速保護(hù)邏輯圖

機(jī)械超速保護(hù)機(jī)制為：當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到110%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，飛錘在離心力的作用下飛出，撞擊碰鉤，使危急遮斷滑閥移動(dòng)，快速泄掉緊急跳閘活塞閥上的低壓安全油，使其開啟，進(jìn)而泄去危急遮斷油，使汽輪機(jī)所有進(jìn)汽閥關(guān)閉而實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。

2.6 振動(dòng)大保護(hù)

AP1000核電汽輪發(fā)電機(jī)組共有11個(gè)軸瓦，每個(gè)軸瓦均設(shè)置有X方向和Y方向軸振傳感器，共計(jì)22個(gè)軸振測(cè)點(diǎn)，用于汽輪機(jī)振動(dòng)保護(hù)的信號(hào)取自TSI。如果任意一個(gè)測(cè)點(diǎn)的軸振大于報(bào)警值，同時(shí)其他任意一個(gè)測(cè)點(diǎn)的軸振大于跳閘值，信號(hào)在CPU中進(jìn)行表決后延時(shí)2 s輸入4個(gè)跳閘電磁閥。當(dāng)轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值達(dá)到0.17 mm時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)振動(dòng)幅值達(dá)到0.3 mm時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組跳閘指令信號(hào)。

2.7 低壓缸排汽溫度高保護(hù)

用于低壓缸排汽溫度高跳閘的溫度信號(hào)取自主蒸汽系統(tǒng)(MSS)就地溫度測(cè)點(diǎn)。在每個(gè)低壓缸排汽口安裝有3個(gè)雙支熱電偶，信號(hào)經(jīng)過分配后送到4個(gè)冗余的CPU中進(jìn)行邏輯表決運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸入至4個(gè)跳閘電磁閥。當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟冗_(dá)到80 ℃時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟冗_(dá)到120 ℃時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組跳閘指令信號(hào)。

2.8 所有循環(huán)水泵全停保護(hù)

AP1000核電汽輪機(jī)每臺(tái)機(jī)組有A、B、C3臺(tái)循環(huán)水泵，機(jī)組運(yùn)行期間，3臺(tái)循環(huán)水泵停止信號(hào)與機(jī)組并網(wǎng)信號(hào)在CPU中進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果分別輸至4個(gè)跳閘電磁閥，條件滿足則汽輪機(jī)跳閘。

2.9 MTC故障保護(hù)

MTC的正常運(yùn)行是汽輪機(jī)安全運(yùn)行的基本保障，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)故障將導(dǎo)致汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速失去控制，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)設(shè)置主汽輪機(jī)控制系統(tǒng)故障跳機(jī)保護(hù)。3路MTC故障監(jiān)測(cè)信號(hào)輸送到CPU中進(jìn)行三取二邏輯表決運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再分別輸至4個(gè)跳閘電磁閥，條件滿足則汽輪機(jī)跳閘。

2.10 其他

機(jī)組另外配置了手動(dòng)打閘、來自核島側(cè)及發(fā)電機(jī)側(cè)的跳閘信號(hào)等觸發(fā)汽輪機(jī)跳閘的保護(hù)。

3 核島、汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)大連鎖

核島跳閘，則汽輪機(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)跳閘。

汽輪機(jī)跳閘后分延時(shí)3 s、10 s及15 s三種情況使發(fā)電機(jī)跳閘，而核島可根據(jù)核島側(cè)工況運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作有以下類型：(1)全停，關(guān)閉主汽門(汽輪機(jī)跳閘)，斷開滅磁開關(guān)和發(fā)電機(jī)出口開關(guān)；(2)發(fā)電機(jī)解列，汽輪機(jī)帶廠用電運(yùn)行或空負(fù)荷運(yùn)行；(3)程序跳閘，關(guān)主汽門(汽輪機(jī)跳閘)，待逆功率動(dòng)作后再斷開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)和滅磁開關(guān)。

4 保護(hù)配置的探討

4.1 汽輪機(jī)軸振保護(hù)配置探討

AP1000核電汽輪機(jī)軸振保護(hù)邏輯為：當(dāng)汽輪機(jī)任意軸承的X或Y向相對(duì)振動(dòng)達(dá)到跳閘值，且任意軸承的X或Y向相對(duì)振動(dòng)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，汽輪機(jī)振動(dòng)大保護(hù)動(dòng)作將觸發(fā)。

汽輪機(jī)測(cè)振探頭的安裝質(zhì)量不佳、測(cè)量電纜接頭松動(dòng)等情況都可能導(dǎo)致軸振保護(hù)誤動(dòng)作，建議將汽輪機(jī)軸振保護(hù)邏輯修改為：當(dāng)任意軸承的X或Y向相對(duì)振動(dòng)達(dá)到跳閘值，且相鄰軸承的X或Y向相對(duì)振動(dòng)達(dá)報(bào)警值時(shí)，汽輪機(jī)振動(dòng)大保護(hù)動(dòng)作將觸發(fā)。這樣可以有效降低因振動(dòng)測(cè)量和保護(hù)回路問題造成的機(jī)組誤跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 超速保護(hù)配置探討

AP1000核電汽輪機(jī)超速保護(hù)的配置比較保守，依然保留了機(jī)械超速保護(hù)。但幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋顯示機(jī)械超速保護(hù)具有以下缺點(diǎn)：(1)系統(tǒng)布置比較復(fù)雜，對(duì)油質(zhì)和運(yùn)行人員的要求高；(2)在機(jī)組運(yùn)行中為確保機(jī)械超速保護(hù)動(dòng)作的可靠性，需要定期開展噴油試驗(yàn)；(3)機(jī)械超速保護(hù)的飛錘(飛環(huán))易發(fā)生卡澀，無法正常動(dòng)作，且存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，降低了機(jī)組的安全系數(shù)。

電氣超速保護(hù)具有可靠性高、系統(tǒng)設(shè)置簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。AP1000電氣超速保護(hù)采用三取二的保護(hù)邏輯，就地轉(zhuǎn)速測(cè)量探頭設(shè)置有備用探頭，若保護(hù)用的測(cè)量探頭有一路發(fā)生故障，則可直接切換到備用探頭，這提高了保護(hù)的可靠性。

目前西門子和阿爾斯通機(jī)組的超速保護(hù)配置均逐漸取消了機(jī)械超速保護(hù)[3]，國(guó)內(nèi)部分機(jī)組在大修期間也逐漸拆除了機(jī)械超速保護(hù)裝置，將其更換成電氣超速保護(hù)。綜上所述，可考慮取消AP1000機(jī)組汽輪機(jī)機(jī)械超速保護(hù)。

4.3 潤(rùn)滑油系統(tǒng)主油箱低油位保護(hù)配置探討

《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中規(guī)定“應(yīng)設(shè)置主油箱油位低跳機(jī)保護(hù)，必須采用測(cè)量可靠、穩(wěn)定性好的液位測(cè)量方法，并采取三取二的方式，保護(hù)動(dòng)作值應(yīng)考慮機(jī)組跳閘后的惰走時(shí)間”[4]。AP1000核電汽輪機(jī)主油箱液位測(cè)量采用頂裝型浮筒液位開關(guān)式液位計(jì)，該液位計(jì)布置在主油箱頂部，就地可顯示-150～+300 mm范圍的油箱油位，DCS無油位監(jiān)視，設(shè)計(jì)上僅有低Ⅰ值(-150 mm)開關(guān)量報(bào)警，未設(shè)置主油箱油位低跳機(jī)保護(hù)。文獻(xiàn)[5]中關(guān)于汽輪機(jī)的保護(hù)配置未明確要求設(shè)置主油箱液位低跳機(jī)保護(hù)，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造廠家也未設(shè)計(jì)該項(xiàng)保護(hù)。國(guó)內(nèi)其他電站的調(diào)研情況顯示，有的電站配置主油箱液位低跳機(jī)保護(hù)，也有的不配置該保護(hù)，但是設(shè)置主油箱油位低Ⅱ值手動(dòng)停機(jī)。建議AP1000核電汽輪機(jī)主油箱新增主油箱油位計(jì)，增大測(cè)量范圍，同時(shí)增加主油箱液位DCS實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，新增主油箱低Ⅱ值報(bào)警，用于手動(dòng)停機(jī)，并對(duì)運(yùn)行規(guī)程相應(yīng)部分進(jìn)行修訂。

5結(jié)論

汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是汽輪機(jī)運(yùn)行中至關(guān)重要的系統(tǒng)，對(duì)汽輪機(jī)保護(hù)配置進(jìn)行優(yōu)化，能有效提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。AP1000核電汽輪機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)經(jīng)過機(jī)組的調(diào)試、示范運(yùn)行，能夠滿足機(jī)組的運(yùn)行要求。通過上面的分析，本文建議： (1)優(yōu)化汽輪機(jī)軸振保護(hù)配置；(2)在后續(xù)機(jī)組換料大修時(shí)拆除汽輪機(jī)機(jī)械超速保護(hù)裝置；(3)增加可實(shí)現(xiàn)主油箱油位測(cè)量、可遠(yuǎn)方監(jiān)視的油位計(jì)，并設(shè)置主油箱低Ⅱ值手動(dòng)停機(jī)保護(hù)。