核電汽輪機(jī)三取二表決、四取二液壓遮斷保護(hù)裝置通道試驗(yàn)設(shè)計(jì)

涂雪紅，王強(qiáng)，張運(yùn)德

（四川東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

1　前言

1.1　汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是在汽輪機(jī)事故工況或汽輪機(jī)參數(shù)異常時(shí)，及時(shí)遮斷汽輪機(jī)，切斷機(jī)組進(jìn)汽，保護(hù)機(jī)組安全，是保護(hù)汽輪機(jī)的核心。

1.2　典型核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)介紹

典型核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要由三重現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量傳感器、I/O卡件、三冗余控制器、保護(hù)繼電器和三冗余液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，見(jiàn)圖1。

圖1　典型核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)架

如圖1所示，典型核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)由三冗余現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量元件，三重ETS保護(hù)控制器執(zhí)行三取二表決（PLC），三取二液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)等元器件構(gòu)成，完成機(jī)組的三取二表決跳機(jī)。

2　新型核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

2.1　新型核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)架

新型汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)架有兩種，圖2為新型汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)圖一；圖3為新型汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)圖二。

新型核電汽輪機(jī)保護(hù)構(gòu)架由三冗余現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量元件、冗余控制器、四列I/O卡件與四取二液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成?，F(xiàn)場(chǎng)三個(gè)信號(hào)在控制器內(nèi)進(jìn)行三取二邏輯表決，輸出經(jīng)繼電器擴(kuò)展成四列，在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)上再執(zhí)行四取二表決邏輯，以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)組跳機(jī)保護(hù)。

2.2　新型核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題

（1）由于測(cè)量傳感器不具備故障模擬功能，不能實(shí)現(xiàn)從傳感器本身故障的模擬，通道試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)元器件級(jí)需要從設(shè)計(jì)上考慮處理。

（2）由于新設(shè)計(jì)的核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采用的是三列測(cè)量輸入信號(hào)，冗余控制器與四取二液壓遮斷機(jī)構(gòu)的構(gòu)架方式，造成在通道試驗(yàn)時(shí)，無(wú)法將傳感器、控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)像典型核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)那樣實(shí)現(xiàn)一對(duì)一匹配，需要采用新的設(shè)計(jì)理念完成通道試驗(yàn)。

（3）通道試驗(yàn)時(shí)對(duì)控制器內(nèi)三取二邏輯的驗(yàn)證問(wèn)題，由于機(jī)組采用的是三取二跳機(jī)邏輯，驗(yàn)證時(shí)存在跳機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，需要從控制邏輯流程上考慮以避免風(fēng)險(xiǎn)。

圖2　新型汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)圖一

圖3　新型汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)圖二

2.3　新型核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.3.1測(cè)量元件故障模擬設(shè)計(jì)

對(duì)于問(wèn)題1，解決辦法是增加DO卡件和傳感器故障模擬繼電器，將故障模擬繼電器的常閉觸點(diǎn)串入傳感器測(cè)量信號(hào)鏈路中。當(dāng)試驗(yàn)需求時(shí)，由控制邏輯觸發(fā)DO輸出，使繼電器的常閉觸點(diǎn)打開(kāi)變?yōu)殚_(kāi)觸點(diǎn)，將傳感器信號(hào)鏈路斷開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)故障模擬。

圖4　DO卡及傳感器故障模擬繼電器

如圖 4 所示，K31、K32、K33、K41、K42、K43、K51、K52、K53皆為故障模擬繼電器。在試驗(yàn)時(shí)，上端輸出DO卡將驅(qū)動(dòng)故障模擬繼電器動(dòng)作，斷開(kāi)傳感器信號(hào)鏈路，實(shí)現(xiàn)傳感器的故障模擬。

2.3.2通道分配設(shè)計(jì)

三列轉(zhuǎn)速測(cè)量卡輸出三個(gè)保護(hù)信號(hào)，在電氣回路電上通過(guò)繼電器擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)到四列執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一一匹配。有兩種擴(kuò)展方式，圖5為擴(kuò)展方式一，圖6為擴(kuò)展方式二。

圖5　三取二擴(kuò)展方式一

圖6　三取二擴(kuò)展方式二

擴(kuò)展方式一(見(jiàn)圖5)需要輸出繼電器有四副常開(kāi)觸點(diǎn),前三列執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出使用三個(gè)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)，分別串入三列執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供電回路中；第四列采用繼電器的兩路輸出觸點(diǎn)搭建三取二表決電路，串入第四路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供電回路中；剩余一副觸點(diǎn)直接與控制系統(tǒng)DI卡相連作為反饋。

擴(kuò)展方式二(見(jiàn)圖6)則需要九副觸點(diǎn)，其中八副觸點(diǎn)分別搭建三取二表決回路，分別串入四列執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供電回路中。

“三取二擴(kuò)展方式一”與“三取二擴(kuò)展方式二”之間的差別為：方式一可以從測(cè)量元件模擬到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整個(gè)通道回路；而方式二只能執(zhí)行到輸出繼電器。

采用“方式一”在轉(zhuǎn)速保護(hù)通道的試驗(yàn)時(shí)不能對(duì)執(zhí)行器機(jī)構(gòu)第四通道進(jìn)行試驗(yàn)，第四通道不需要試驗(yàn)的原因如下：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)為四取二表決機(jī)構(gòu)，當(dāng)有三個(gè)通道能夠執(zhí)行指令時(shí)，可以完全遮斷機(jī)組；（2）在軟件監(jiān)視信號(hào)進(jìn)行通道試驗(yàn)時(shí)，可以對(duì)第四通道執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。

3　新設(shè)計(jì)汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　轉(zhuǎn)速保護(hù)通道試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速保護(hù)通道試驗(yàn)邏輯流程圖見(jiàn)圖7。

圖7　轉(zhuǎn)速保護(hù)通道試驗(yàn)邏輯流程圖

3.2　轉(zhuǎn)速保護(hù)通道試驗(yàn)邏輯設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速保護(hù)通道試驗(yàn)邏輯其詳細(xì)的順序控制邏輯描述如下：

在汽輪機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)速傳感器故障的情況下，允許進(jìn)行試驗(yàn)；

操作員選擇進(jìn)行試驗(yàn)后，控制系統(tǒng)邏輯開(kāi)始試驗(yàn)總計(jì)時(shí)，并依次執(zhí)行三個(gè)通道傳感器故障模擬：當(dāng)故障模擬信號(hào)引發(fā)對(duì)應(yīng)通道轉(zhuǎn)速故障開(kāi)始后對(duì)各通道試驗(yàn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，等待對(duì)應(yīng)通道輸出執(zhí)行反饋；如各通道在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未反饋回期望試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)束整個(gè)試驗(yàn)并報(bào)試驗(yàn)故障；當(dāng)各通道在規(guī)定時(shí)間內(nèi)反饋回來(lái)期望結(jié)果后，結(jié)束對(duì)應(yīng)通道試驗(yàn)，延時(shí)確認(rèn)后觸發(fā)下一步試驗(yàn)直至試驗(yàn)成功或失敗。

在規(guī)定總時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，三個(gè)通道試驗(yàn)仍未完成，結(jié)束試驗(yàn)。使用者可以直接在試驗(yàn)進(jìn)行中選擇結(jié)束試驗(yàn)并報(bào)試驗(yàn)故障。

3.3　軟件檢測(cè)保護(hù)通道試驗(yàn)流程

軟件檢測(cè)保護(hù)通道試驗(yàn)流程見(jiàn)圖8。

圖8　軟件檢測(cè)保護(hù)通道試驗(yàn)流程圖

3.4　軟件檢測(cè)保護(hù)通道試驗(yàn)邏輯

軟件檢測(cè)保護(hù)通道試驗(yàn)邏輯其詳細(xì)的順序控制邏輯描述如下：

當(dāng)無(wú)傳感器都故障時(shí)，操作員可以選擇執(zhí)行試驗(yàn)。選擇進(jìn)行試驗(yàn)后，控制系統(tǒng)開(kāi)始試驗(yàn)總計(jì)時(shí)。然后依次執(zhí)行各通道傳感器(選一)故障模擬，并以軟件模擬相鄰?fù)ǖ拦收希壿媹?zhí)行三取二跳機(jī)；屏蔽非試驗(yàn)通道的指令輸出，讓試驗(yàn)通道執(zhí)行器動(dòng)作；如試驗(yàn)通道在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未反饋回試驗(yàn)期望結(jié)果，結(jié)束整個(gè)試驗(yàn)并報(bào)試驗(yàn)故障；當(dāng)試驗(yàn)通道在規(guī)定時(shí)間內(nèi)反饋回來(lái)期望結(jié)果后，結(jié)束試驗(yàn)通道試驗(yàn)，延時(shí)確認(rèn)后觸發(fā)下一通道試驗(yàn),直道試驗(yàn)失敗或成功結(jié)束。

在規(guī)定總時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，四個(gè)通道試驗(yàn)仍未完成，結(jié)束試驗(yàn)。使用者可以直接在試驗(yàn)進(jìn)行中選擇結(jié)束試驗(yàn)并報(bào)試驗(yàn)故障。在試驗(yàn)狀態(tài)下，任何非試驗(yàn)鏈路傳感器故障將引發(fā)通道試驗(yàn)的直接結(jié)束。

4　總結(jié)

新設(shè)計(jì)核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)平臺(tái)，由三冗余現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量元件、冗余控制器、四列I/O卡件與四取二液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。新設(shè)計(jì)汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)增加了現(xiàn)場(chǎng)傳感器故障模擬設(shè)備，讓現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障模擬得以實(shí)現(xiàn)；對(duì)于三通道硬件轉(zhuǎn)速監(jiān)視輸出進(jìn)行了三取二硬件擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了與四列液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的匹配；采用新的設(shè)計(jì)流程與邏輯，實(shí)現(xiàn)了通道試驗(yàn)貫穿整個(gè)執(zhí)行通道和三取二邏輯的功能驗(yàn)證。新設(shè)計(jì)汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)能夠滿足汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

[1]蓋新華,陳濱,楊建民.200 MW汽輪機(jī)組機(jī)械超速危急遮斷系統(tǒng)改造的研究與實(shí)施[J].東北電力技術(shù)，2002,(12):11-16.

[2]包錦華,李剛.1000 MW超超臨界機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介.熱力透平,2009,38(4):277-279.

[3]白金.核電站安全級(jí)控制系統(tǒng)多樣性設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[D].保定:華北電力大學(xué),2015.