AP1000核電站MTP與發(fā)電機(jī)接口方案分析

鄭健 張朝銀

摘要：文章簡(jiǎn)要介紹了世界首臺(tái)AP1000核電機(jī)組、自主化依托項(xiàng)目，三門核電1#機(jī)組汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，重點(diǎn)分析汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的接口方案，并針對(duì)目前接口方案存在的問題提出了改進(jìn)方法。

關(guān)鍵詞：AP1000；汽輪機(jī)保護(hù)；發(fā)電機(jī)保護(hù)；跳機(jī)；接口

中圖分類號(hào)：TL353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）16-0127-04

汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的安全正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。在監(jiān)測(cè)到異常工況時(shí)，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)可以快速關(guān)閉主汽閥、主調(diào)閥、再熱主汽閥和再熱主調(diào)閥，切斷通往高壓缸和低壓缸的蒸汽，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。三門核電一期工程主汽輪機(jī)為日本三菱公司制造的HN1251-5.38型號(hào)汽輪機(jī)，額定功率為1251MW，轉(zhuǎn)速為1500r/min，頻率50Hz。在汽輪機(jī)打閘后，汽輪機(jī)側(cè)會(huì)送出跳機(jī)信號(hào)到發(fā)電機(jī)側(cè)，聯(lián)鎖發(fā)電機(jī)跳閘。完善的汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)接口方案設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行和設(shè)備保護(hù)都有著重要意義。

1 MTP結(jié)構(gòu)和功能

1.1 MTP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三門核電一期工程汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（MTP）主要設(shè)備包括就地儀表、就地電磁閥、中間繼電器機(jī)柜、汽輪機(jī)保護(hù)機(jī)柜。其中共配置了6個(gè)機(jī)柜，4個(gè)用于控制跳機(jī)保護(hù)功能，COM機(jī)柜用于完成在線試驗(yàn)功能，中間繼電器機(jī)柜用于連接電磁閥110VDC供電回路和24VDC控制回路。

三菱在AP1000汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（MTP）設(shè)計(jì)中，要求采用四列冗余的控制器來實(shí)施汽輪機(jī)保護(hù)。每個(gè)控制器各輸出一個(gè)跳機(jī)指令至一個(gè)AST電磁閥（SV1-SV4），實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)柜控制一個(gè)電磁閥。四個(gè)AST電磁閥構(gòu)成先并聯(lián)再串聯(lián)（兩次二取一）的控制回路，以保證跳機(jī)功能的冗余要求，提高M(jìn)TP系統(tǒng)的可靠性。三門核電1#機(jī)組中，每個(gè)跳機(jī)電磁閥分別由單獨(dú)的配電盤進(jìn)行供電，采用110VDC。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.2 MTP系統(tǒng)跳機(jī)方案

機(jī)組正常運(yùn)行期間，AST電磁閥得電，所以四個(gè)機(jī)柜的繼電器觸點(diǎn)輸出都為1，使被控制的電磁閥得電，保持油壓；當(dāng)出現(xiàn)異常工況，需要汽輪機(jī)跳機(jī)動(dòng)作時(shí)，繼電器觸點(diǎn)輸出變?yōu)?，電磁閥失電，高壓油管路泄壓，從而達(dá)到關(guān)閉主汽閥、主調(diào)閥、再熱主汽閥和再熱主調(diào)閥的功能。

參考電站的設(shè)計(jì)中，基于MELTAC系統(tǒng)的汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)使用的是四個(gè)非冗余的單控制器，而Ovation系統(tǒng)是基于雙冗余控制器設(shè)計(jì)的，不采用單控制器結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)在實(shí)施過程中采用四對(duì)雙冗余的控制器來實(shí)施MTP系統(tǒng)，可靠性比單控制器方案更高。

從圖1所示的三門核電一期工程MTP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可以得出圖2中所示的汽輪機(jī)跳機(jī)邏輯。

2 MTP與發(fā)電機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)接口方案

MTP系統(tǒng)共包括6個(gè)機(jī)柜，后面的分析只針對(duì)用于汽輪機(jī)跳機(jī)保護(hù)的4個(gè)機(jī)柜中的邏輯。三門核電一期工程汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（MTP）中，聯(lián)鎖發(fā)電機(jī)跳閘部分邏輯如下圖3所示。

圖3中的“汽輪機(jī)同步繼電器A動(dòng)作”信號(hào)，用于發(fā)電機(jī)跳閘。三門核電一期工程的設(shè)計(jì)中，分別有“汽輪機(jī)同步繼電器A動(dòng)作”和“汽輪機(jī)同步繼電器B動(dòng)作”信號(hào)，兩路信號(hào)分別送到發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)機(jī)柜。發(fā)變組保護(hù)的兩個(gè)機(jī)柜，功能是等同的，都用于發(fā)電機(jī)跳閘，互為冗余關(guān)系。圖2中的左側(cè)虛線框表示的是一個(gè)MTP機(jī)柜中的邏輯，MTP1機(jī)柜和MTP3機(jī)柜的跳機(jī)信號(hào)經(jīng)過“與”邏輯后，送出汽輪機(jī)同步繼電器A動(dòng)作信號(hào)。其中汽輪機(jī)同步繼電器A動(dòng)作信號(hào)，由硬接線從汽輪機(jī)送往發(fā)變組保護(hù)，虛線外的“與”邏輯同樣由硬接線回路完成。

下面我們分析MTP-1機(jī)柜送出“汽輪機(jī)同步繼電器A得電-1”信號(hào)條件。

（1）帶廠用電或發(fā)電機(jī)出口斷路器與主變高壓側(cè)斷路器閉合，并且主汽門全關(guān)或緊急跳機(jī)油壓低，則延遲15s后送出“汽輪機(jī)同步繼電器A得電-1”。

（2）在滿足條件1的前提下，同時(shí)推力軸承磨損跳機(jī)（lockout）信號(hào)產(chǎn)生，則會(huì)立即送出“汽輪機(jī)同步繼電器A得電”。

（3）在滿足條件1的前提下，同時(shí)軸振高跳機(jī)或汽輪機(jī)跳機(jī)硬操開關(guān)（布置在主控室的汽機(jī)保護(hù)面板上）動(dòng)作或軸承油壓低跳機(jī)信號(hào)產(chǎn)生，則延遲10s后送出“汽輪機(jī)同步繼電器A得電-1”。

當(dāng)出現(xiàn)上述任何一種情況后，汽輪機(jī)打閘且MTP系統(tǒng)都會(huì)送出發(fā)電機(jī)跳機(jī)信號(hào)。

圖3中，只描述了MTP1和MTP3機(jī)柜與發(fā)電機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)的接口部分，MTP2和MTP4與發(fā)電機(jī)的接口邏輯與圖3所示一樣。所以MTP系統(tǒng)與發(fā)變組保護(hù)的接口方案，可以用圖4來表示：

3 接口方案存在的問題

MTP系統(tǒng)動(dòng)作，可以導(dǎo)致主汽輪機(jī)打閘，同時(shí)聯(lián)鎖發(fā)電機(jī)跳機(jī)。對(duì)比圖2和圖4中的接口方案，不難發(fā)現(xiàn)，MTP系統(tǒng)汽輪機(jī)打閘方案和與發(fā)電機(jī)跳機(jī)的接口方案不一致。

圖2所示，主汽輪機(jī)側(cè)滿足如下條件，就會(huì)產(chǎn)生汽輪機(jī)跳機(jī)信號(hào)。

圖4所示，發(fā)電機(jī)側(cè)滿足如下條件，才會(huì)產(chǎn)生發(fā)電機(jī)跳機(jī)信號(hào)。

上述兩種接口方案的不一致，可能導(dǎo)致如下的問題：

（1）假設(shè)MTP1和MTP3機(jī)柜同時(shí)動(dòng)作，或MTP2和MTP4機(jī)柜同時(shí)動(dòng)作，則MTP系統(tǒng)并不會(huì)產(chǎn)生跳機(jī)信號(hào)（A=0），而發(fā)電機(jī)則會(huì)接收到來自MTP系統(tǒng)的跳機(jī)信號(hào)（B=1），而引起發(fā)電機(jī)動(dòng)作。假設(shè)由第3節(jié)分析的原因而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘，這時(shí)汽輪機(jī)并不一定滿足跳機(jī)條件，就會(huì)引起發(fā)電機(jī)誤跳閘。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)誤跳閘，反過來聯(lián)鎖汽輪機(jī)停機(jī)，顯然這種情況是我們所不希望的。

（2）假設(shè)MTP1和MTP2或MTP1和MTP4或MTP2和MTP3或MTP3和MTP4動(dòng)作，則主汽輪機(jī)側(cè)（A=1）會(huì)產(chǎn)生汽輪機(jī)打閘信號(hào)，但是發(fā)變組保護(hù)卻接收不到聯(lián)鎖跳機(jī)信號(hào)（B=0），這時(shí)程序逆功率保護(hù)功能將失去作用，只能由發(fā)變組保護(hù)的逆功率動(dòng)作，產(chǎn)生發(fā)電機(jī)跳閘。從圖3的邏輯中可以看出，若產(chǎn)生主汽門全關(guān)或緊急跳機(jī)油壓低信號(hào)，優(yōu)先考慮程序逆功率保護(hù)。若其他原因造成的停機(jī)，如主調(diào)門全部關(guān)閉等，才會(huì)使用發(fā)變組保護(hù)的逆功率。

對(duì)于上述的第一種缺陷，個(gè)人分析認(rèn)為，最可能導(dǎo)致其發(fā)生的原因是儀表故障。三門核電1#機(jī)組的設(shè)計(jì)中，一路就地信號(hào)需要同時(shí)送到4個(gè)MTP機(jī)柜，所以在儀表和MTP機(jī)柜之間增加了信號(hào)分配繼電器。儀表故障，指的是信號(hào)分配繼電器到DPU之間存在故障。出現(xiàn)此故障，則會(huì)引起相應(yīng)的汽輪機(jī)保護(hù)序列動(dòng)作。假如MTP動(dòng)作序列正好滿足上述1中分析的情況，則會(huì)引起發(fā)電機(jī)誤跳閘情況。出現(xiàn)此種情況的可能性很小，但是我們可通過后面的建議方案避免這種情況。

除了上述接口不一致可能存在汽輪機(jī)打閘，發(fā)電機(jī)不會(huì)跳閘的情況外，MTP系統(tǒng)機(jī)柜失電也可能造成此異常工況。正常工況下，圖3中的MTP系統(tǒng)送到發(fā)變組保護(hù)的聯(lián)鎖跳機(jī)信號(hào)為0，當(dāng)出現(xiàn)異常工況時(shí)，“汽輪機(jī)同步繼電器A動(dòng)作”信號(hào)變?yōu)?，才會(huì)引起發(fā)電機(jī)跳閘。MTP輸出繼電器到發(fā)變組保護(hù)的接線如圖5所示。假設(shè)MTP機(jī)柜失電而導(dǎo)致汽輪機(jī)跳機(jī)，MTP則不會(huì)送出“汽輪機(jī)同步繼電器動(dòng)作”信號(hào)，這樣發(fā)電機(jī)就不會(huì)跳閘。所以這種設(shè)計(jì)同樣可能會(huì)存在汽輪機(jī)打閘后，發(fā)電機(jī)不會(huì)聯(lián)鎖跳閘的情況，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行存在隱患。

4 接口方案的改進(jìn)方法

首先，我們應(yīng)該改進(jìn)MTP機(jī)柜失電，可能發(fā)電機(jī)不會(huì)聯(lián)鎖跳機(jī)的情況。正常情況下，“汽輪機(jī)同步繼電器得電”信號(hào)為0，只需將其更改成正常為1即可，若失電此信號(hào)將變?yōu)?。修改方法為，在“汽輪機(jī)同步繼電器得電”信號(hào)前增加“非”邏輯，并對(duì)接口方案中的接線進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)于汽輪機(jī)跳機(jī)方案和MTP與發(fā)電組保護(hù)接口方案不一致，可以通過邏輯和接線變更來完善。MTP側(cè)的邏輯修改如圖6所示：

圖6中，只表示出MTP1機(jī)柜中的邏輯，其余3個(gè)MTP機(jī)柜中的邏輯與其一樣。改進(jìn)后的“汽輪機(jī)同步繼電器得電”信號(hào)為常1，且每個(gè)MTP機(jī)柜同時(shí)送出兩路“汽輪機(jī)同步繼電器得電”信號(hào)，分別送往發(fā)變組保護(hù)的發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)機(jī)柜A和發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)機(jī)柜B。

MTP邏輯改進(jìn)后，接口方案的硬接線同樣需要更改。改進(jìn)后的硬接線方法如圖7所示：

改進(jìn)后，MTP繼電器輸出卡的NC端子與發(fā)變組保護(hù)機(jī)柜相連，且每個(gè)發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)機(jī)柜分別接收來自每個(gè)MTP機(jī)柜的1路信號(hào)。

發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)機(jī)柜中的邏輯需要改進(jìn)為如圖8所示的邏輯：

參考圖6、圖7和圖8，正常情況下，每個(gè)MTP機(jī)柜輸出為常1信號(hào)，但是通過MTP繼電器輸出卡的NC端子接線，使發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)機(jī)柜接收到的仍是“0”信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)異常工況時(shí)，4個(gè)MTP機(jī)柜同時(shí)各送出一路跳機(jī)信號(hào)至每個(gè)發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)機(jī)柜。在每個(gè)發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)機(jī)柜中完成圖8所示的邏輯，滿足條件則發(fā)電機(jī)跳閘。

綜合改進(jìn)后的邏輯和接線，可以看出汽輪機(jī)跳機(jī)和發(fā)電機(jī)跳閘邏輯保持了一致，且MTP機(jī)柜失電情況下，發(fā)變組保護(hù)機(jī)柜仍可以正確判斷是否需要發(fā)電機(jī)跳閘。

5 結(jié)語

對(duì)于核電廠的整個(gè)儀控系統(tǒng)來說，各個(gè)儀控系統(tǒng)之間不可避免地會(huì)存在信號(hào)接口。特別是需要硬接線來完成重要設(shè)備的控制、聯(lián)鎖和保護(hù)功能。在設(shè)計(jì)儀控系統(tǒng)之間的接口方案時(shí)，儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不僅要考慮自身系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能需求，還要充分了解對(duì)方系統(tǒng)的保護(hù)原理和安全策略，只有這樣才能設(shè)計(jì)出更加完善的接口方案。否則，可能會(huì)對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行帶來安全隱患。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2010，（4）.

[2] 張磊，馬明禮.汽輪機(jī)設(shè)備與運(yùn)行[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008，（4）.

[3] 沈邱農(nóng).超超臨界汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)[J].北京：動(dòng)力工程，2002.

[4] 劉禾，白焰，李新利.火電廠熱工自動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[5] 邊立秀，周俊霞，趙勁松，等.熱工控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[6] 林誠格，郁祖盛.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：鄭?。?985—），男，浙江寧波人，中核集團(tuán)三門核電有限公司調(diào)試處助理工程師，研究方向：汽輪機(jī)控制和保護(hù)。