AP1000核電汽輪機保護(hù)配置的探討

羅吉江

(山東核電有限公司，煙臺265116)

AP1000核電技術(shù)是我國引進(jìn)美國西屋公司的第三代核電技術(shù)，核島反應(yīng)堆是采用非能動理念模塊化建造的兩環(huán)路壓水堆，首批依托項目的常規(guī)島汽輪發(fā)電機組為哈動-三菱聯(lián)合公司提供的1 000 MW級核電機組。汽輪機是由1個高壓缸、3個低壓缸組成的凝汽式半速汽輪機，沒有中壓缸。每個汽缸的通流部分均采用雙分流對稱布置。機組共有4個高壓主汽閥、4個高壓調(diào)節(jié)閥、6個再熱主汽閥和6個再熱調(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。Common Q平臺屬1E級，用于實現(xiàn)安全儀控功能，設(shè)備能夠滿足抗震要求；Ovation平臺屬非1E級， 是全數(shù)字化控制系統(tǒng)平臺，為分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)。Ovation系統(tǒng)由Emerson公司設(shè)計和開發(fā)，具有監(jiān)視電廠實時狀態(tài)、分散電廠信息及電廠過程控制等功能，可以實現(xiàn)電廠啟動、升功率、功率運行及停堆等功能。汽輪機控制與診斷系統(tǒng)(TOS)被納入一體化的Ovation平臺，由汽輪機監(jiān)測系統(tǒng)(TSI)、汽輪機控制系統(tǒng)(MTC)、汽輪機保護(hù)系統(tǒng)(MTP)和汽輪機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)(TDM)組成[2]。本文將對AP1000汽輪機保護(hù)配置進(jìn)行簡介，重點對汽輪機軸振保護(hù)、機械超速保護(hù)及主油箱低油位保護(hù)配置進(jìn)行探討，為后續(xù)AP1000汽輪機保護(hù)配置優(yōu)化提供建議。

1 AP1000核電汽輪機保護(hù)的特點

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

1)采用四冗余布置。4個跳閘繼電器各配置1個CPU機柜，每個機柜又設(shè)置2個CPU，正常運行時1個運行，1個熱備用。另外凝汽器真空、軸承潤滑油壓等保護(hù)測點均使用四冗余配置，任何1個測點故障均不會引起保護(hù)動作。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”和“拒動”，大大提高其動作可靠性。汽輪機危急遮斷系統(tǒng)控制4個跳閘電磁閥, 當(dāng)2個通道都有電磁閥打開時，泄去危急遮斷母管油, 實現(xiàn)汽輪機所有進(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個停機電磁閥正常運行時帶電關(guān)閉，當(dāng)保護(hù)程序動作時電磁閥失電開啟，卸去安全油壓，汽輪機停機。該設(shè)計可避免系統(tǒng)電源喪失造成的保護(hù)系統(tǒng)拒動。

4)保護(hù)裝置電源冗余配置。MTP的主要硬件及現(xiàn)場設(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)具有在線試驗功能。低真空保護(hù)、低潤滑油壓保護(hù)和超速保護(hù)等均配置在線試驗功能，確保了保護(hù)動作的可靠性。

6)具有首出報警功能。保護(hù)動作前后相關(guān)信號按時間先后存儲，系統(tǒng)具有保護(hù)動作首出報警功能。

2 AP1000核電汽輪機保護(hù)的配置

2.1 凝汽器真空低保護(hù)

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

AP1000機組低真空保護(hù)由凝汽器的4個低真空壓力開關(guān)信號分2個通道送入4個CPU中進(jìn)行邏輯運算，結(jié)果輸入4個串并聯(lián)跳閘電磁閥。當(dāng)2個通道都檢測到凝汽器真空達(dá)到真空低保護(hù)定值時, 才發(fā)出跳閘信號。凝汽器真空達(dá)到-86.7 kPa時報警，達(dá)到-73.3 kPa后保護(hù)程序動作，執(zhí)行跳機。

2.2 軸承潤滑油壓低保護(hù)

汽輪機軸承潤滑油具有潤滑軸承的作用，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。若汽輪機潤滑油油壓降低，進(jìn)入軸承的潤滑油流量減小，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行。

AP1000機組分別在1號、11號軸承處設(shè)置潤滑油壓力變送器和壓力開關(guān)，對汽輪機潤滑油壓力進(jìn)行監(jiān)測。潤滑油壓力開關(guān)為雙通道布置，以提高低油壓保護(hù)動作的可靠性。當(dāng)潤滑油壓力不高于0.074 MPa時保護(hù)系統(tǒng)發(fā)報警信號，當(dāng)潤滑油壓力不高于0.049 MPa時，保護(hù)系統(tǒng)將觸發(fā)機組跳閘指令信號。

另外，當(dāng)潤滑油油壓低于0.083 MPa時，系統(tǒng)將聯(lián)啟盤車油泵(即交流啟動油泵)，潤滑油油壓低于0.064 MPa時，系統(tǒng)將聯(lián)啟直流(事故)油泵，低于0.02 MPa時，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)測的主要目的是為了避免機組轉(zhuǎn)子和靜子之間的軸向摩擦。另外，汽輪機在運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，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)測和相關(guān)保護(hù)是十分必要的。

AP1000核電汽輪機軸向位移的測量采用油壓式和位移式兩種方式。油壓式軸向位移測量信號為壓力信號，在推力盤兩側(cè)各布置2個壓力開關(guān)，保護(hù)信號取自這4個壓力開關(guān)，分2個通道，每個通道對應(yīng)一組汽輪機跳閘電磁閥。當(dāng)每個通道都有一個壓力開關(guān)動作，則推力軸承磨損保護(hù)發(fā)生動作，使汽輪機跳閘。油壓達(dá)到或超過0.21 MPa時報警，油壓達(dá)到或超過0.55 MPa時，將觸發(fā)機組跳閘指令信號。軸向位移的測量信號僅用作監(jiān)視軸向位移變化，分±0.9 mm、±1.0 mm兩級報警。

2.4 危急跳閘油壓低保護(hù)

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

2.5 超速保護(hù)

AP1000核電汽輪機的超速保護(hù)設(shè)置比較保守，采用機械超速保護(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)由獨立于MTP的4對冗余分散處理單元(DPU)構(gòu)成。用于電氣超速保護(hù)的轉(zhuǎn)速信號取自MTC，共有4個，其中一個作為備用。轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊為12塊，轉(zhuǎn)速傳感器的輸入信號為3個，每個分配成4路信號，分別送到4組轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊進(jìn)行三取二邏輯表決運算，4組轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊表決結(jié)果分別輸出至4個跳閘電磁閥。電氣超速保護(hù)邏輯圖如圖2所示。當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的107.5%時，超速保護(hù)控制單元(OPC)動作，當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的111%時，電氣超速保護(hù)動作。

圖2 電氣超速保護(hù)邏輯圖

機械超速保護(hù)機制為：當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速達(dá)到110%額定轉(zhuǎn)速時，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，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，使汽輪機所有進(jìn)汽閥關(guān)閉而實現(xiàn)緊急停機。

2.6 振動大保護(hù)

AP1000核電汽輪發(fā)電機組共有11個軸瓦，每個軸瓦均設(shè)置有X方向和Y方向軸振傳感器，共計22個軸振測點，用于汽輪機振動保護(hù)的信號取自TSI。如果任意一個測點的軸振大于報警值，同時其他任意一個測點的軸振大于跳閘值，信號在CPU中進(jìn)行表決后延時2 s輸入4個跳閘電磁閥。當(dāng)轉(zhuǎn)子振動幅值達(dá)到0.17 mm時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，當(dāng)振動幅值達(dá)到0.3 mm時，系統(tǒng)發(fā)出機組跳閘指令信號。

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取自主蒸汽系統(tǒng)(MSS)就地溫度測點。在每個低壓缸排汽口安裝有3個雙支熱電偶，信號經(jīng)過分配后送到4個冗余的CPU中進(jìn)行邏輯表決運算，運算結(jié)果輸入至4個跳閘電磁閥。當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟冗_(dá)到80 ℃時，系統(tǒng)發(fā)出報警，當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟冗_(dá)到120 ℃時，系統(tǒng)發(fā)出機組跳閘指令信號。

2.8 所有循環(huán)水泵全停保護(hù)

AP1000核電汽輪機每臺機組有A、B、C3臺循環(huán)水泵，機組運行期間，3臺循環(huán)水泵停止信號與機組并網(wǎng)信號在CPU中進(jìn)行邏輯“與”運算，運算結(jié)果分別輸至4個跳閘電磁閥，條件滿足則汽輪機跳閘。

2.9 MTC故障保護(hù)

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

2.10 其他

機組另外配置了手動打閘、來自核島側(cè)及發(fā)電機側(cè)的跳閘信號等觸發(fā)汽輪機跳閘的保護(hù)。

3 核島、汽輪機與發(fā)電機大連鎖

核島跳閘，則汽輪機跳閘，發(fā)電機跳閘。

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

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

4 保護(hù)配置的探討

4.1 汽輪機軸振保護(hù)配置探討

AP1000核電汽輪機軸振保護(hù)邏輯為：當(dāng)汽輪機任意軸承的X或Y向相對振動達(dá)到跳閘值，且任意軸承的X或Y向相對振動達(dá)到報警值時，汽輪機振動大保護(hù)動作將觸發(fā)。

汽輪機測振探頭的安裝質(zhì)量不佳、測量電纜接頭松動等情況都可能導(dǎo)致軸振保護(hù)誤動作，建議將汽輪機軸振保護(hù)邏輯修改為：當(dāng)任意軸承的X或Y向相對振動達(dá)到跳閘值，且相鄰軸承的X或Y向相對振動達(dá)報警值時，汽輪機振動大保護(hù)動作將觸發(fā)。這樣可以有效降低因振動測量和保護(hù)回路問題造成的機組誤跳閘的風(fēng)險。

4.2 超速保護(hù)配置探討

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

電氣超速保護(hù)具有可靠性高、系統(tǒng)設(shè)置簡單的特點。AP1000電氣超速保護(hù)采用三取二的保護(hù)邏輯，就地轉(zhuǎn)速測量探頭設(shè)置有備用探頭，若保護(hù)用的測量探頭有一路發(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組的超速保護(hù)配置均逐漸取消了機械超速保護(hù)[3]，國內(nèi)部分機組在大修期間也逐漸拆除了機械超速保護(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機組汽輪機機械超速保護(hù)。

4.3 潤滑油系統(tǒng)主油箱低油位保護(hù)配置探討

《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》中規(guī)定“應(yīng)設(shè)置主油箱油位低跳機保護(hù)，必須采用測量可靠、穩(wěn)定性好的液位測量方法，并采取三取二的方式，保護(hù)動作值應(yīng)考慮機組跳閘后的惰走時間”[4]。AP1000核電汽輪機主油箱液位測量采用頂裝型浮筒液位開關(guān)式液位計，該液位計布置在主油箱頂部，就地可顯示-150～+300 mm范圍的油箱油位，DCS無油位監(jiān)視，設(shè)計上僅有低Ⅰ值(-150 mm)開關(guān)量報警，未設(shè)置主油箱油位低跳機保護(hù)。文獻(xiàn)[5]中關(guān)于汽輪機的保護(hù)配置未明確要求設(shè)置主油箱液位低跳機保護(hù)，汽輪機設(shè)計、制造廠家也未設(shè)計該項保護(hù)。國內(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值手動停機。建議AP1000核電汽輪機主油箱新增主油箱油位計，增大測量范圍，同時增加主油箱液位DCS實時監(jiān)視功能，新增主油箱低Ⅱ值報警，用于手動停機，并對運行規(guī)程相應(yīng)部分進(jìn)行修訂。

5結(jié)論

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