壓水堆核電站汽輪機非核沖轉(zhuǎn)期間跳閘故障分析及維護

吳楠

摘要：本文主要闡述了汽輪機非核沖轉(zhuǎn)期間跳閘過程、跳閘邏輯、VICKERS 卡和汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)組態(tài)的分析找出汽輪機跳機的真正原因，并提出切實可行的辦法，解決了首次沖轉(zhuǎn)跳機問題，并為后續(xù)汽輪機沖轉(zhuǎn)提供寶貴的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：壓水堆核電站;汽輪機非核沖轉(zhuǎn)期間;跳閘故障

汽輪機調(diào)節(jié)保護系統(tǒng)采用的控制系統(tǒng)平臺在結(jié)構(gòu)上分為上位機和下位機，下位機執(zhí)行自動控制調(diào)節(jié)及安全保護功能，上位機負責數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理及人機接口功能。汽輪機調(diào)節(jié)保護系統(tǒng)的主要功能是通過控制進汽調(diào)節(jié)閥開度對機組實施轉(zhuǎn)速控制、功率控制、頻率控制、壓力控制和應(yīng)力控制，并對機組的負荷和轉(zhuǎn)速實施超速限制、超加速限制、負荷速降限制和蒸汽流量限制，在跳機信號觸發(fā)時快速響應(yīng)保護汽輪機安全停車，使機組實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、保證供電質(zhì)量、汽機安全運行。

1 汽輪機非核沖轉(zhuǎn)期間跳閘過程

2013年12月，福清 1#汽輪機準備非核蒸汽沖轉(zhuǎn)，汽機轉(zhuǎn)速處于盤車轉(zhuǎn)速 8 r/min，掛閘準備沖轉(zhuǎn)。操作員給出汽機轉(zhuǎn)速設(shè)定值100 r/min并確認程控升速后，汽機轉(zhuǎn)速設(shè)定值逐漸上升，而汽輪機的轉(zhuǎn)速依然保持盤車轉(zhuǎn)速8 r/min 不變，20s后汽輪機跳閘，安全油泄壓，所有汽輪機進汽閥門快速關(guān)閉。

通過查看操作員站歷史趨勢和報警列表確認是汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（ GRE）汽機控制跳機命令（ Turbine ControllerTrip）導(dǎo)致跳機，繼續(xù)追溯原因為產(chǎn)生了實測轉(zhuǎn)速故障信號（ST Speed 2o3 failure）。

2 汽輪機跳機的原因分析

2 1 GRE 控制系統(tǒng)中對 LVDT 的閥位反饋

汽輪機調(diào)節(jié)閥門閥位傳感器由三個直線位移傳感器（LVDT）的探頭組成，生成三路閥位反饋信號，第一路送到DCS，第二路送到汽輪機監(jiān)測（GME）系統(tǒng)，第三路送到汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（GRE）調(diào)節(jié)控制機柜參與閥門調(diào)節(jié)計算。因這種直線位移傳感器（LVDT）在 4. 5 mA～19. 5 mA的范圍內(nèi)是其線性最好的區(qū)間，能夠保證閥門調(diào)節(jié)控制處在最優(yōu)的線性區(qū)間，所以廠家將送往 P320 系統(tǒng)的汽輪機調(diào)節(jié)（GRE）系統(tǒng)的 8 個高中壓調(diào)節(jié)閥位置 LVDT 傳感器的輸出電流設(shè)置為 4. 5 mA～19. 5 mA。這樣，在閥門全關(guān)到位時，閥門送出的閥位反饋信號是4. 5 mA;閥門在全開到位時，閥門送出的閥位反饋信號是19. 5 MA。若不進行遷移，則閥位反饋開度最小即為 0. 5/16=3. 125%的開度;開最大時為 96. 875%的開度;映射關(guān)系為反饋 電 流 （ 4. 5 mA ～ 19. 5 mA） 對應(yīng)開度（3. 125% -96. 875%）。汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（GRE）接受的閥位信號參與控制汽輪機進汽閥開度控制，為保證 GRE 系統(tǒng)邏輯計算，需將上述閥位反饋在汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（GRE）控制系統(tǒng)內(nèi)做量程遷移。即將電流（4. 5 mA～19. 5 mA）映射為（3. 125%～96. 875%），再映射為對應(yīng)開度（0-100%）。閥門開度遷移的計算公式為 Y =100* （X-3. 125） /（96. 875-3. 125）。在進行閥門開度指令計算之前，需結(jié)合 GRE 邏輯圖，將 C3 值設(shè)定值為3. 125%，而 C4 值設(shè)定值為96. 875%即可實現(xiàn)閥位反饋量程的 0～100%的遷移。

2.2 調(diào)節(jié)閥控制原理

閥門位移傳感器（LVDT）和汽機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)（GRE）發(fā)出閥門最終開度指令都會送到專用閥門控制卡（VICK-ERS）。在 GRE 控制系統(tǒng)中，GRE 閥位初始指令由蒸汽需求總量根據(jù)閥門控制曲線計算得來，閥門位置傳感器（LVDT）將閥位反饋信號（4. 5 mA～19. 5 mA）送到閥門控制卡（VICKERS），VICKERS 卡將閥位信號送往 GRE 控制系統(tǒng)。為了提高響應(yīng)速度和消除最終閥門開度與指令的偏差，GRE 控制系統(tǒng)設(shè)計了積分環(huán)節(jié)，閥門最終控制指令由閥位初始指令加上積分計算得出。在 VICKERS 卡中，VICKERS 卡接收 GRE 控制系統(tǒng)閥門最終控制指令（4. 0 mA～20. 0 mA），指令信號與實際閥門開度信號相減得出偏差，進行 PI 閉環(huán)運算，運算結(jié)果在卡件內(nèi)部轉(zhuǎn)化為 0～10 V 的指令信號，對應(yīng)閥門 0～100%的開度指令，電壓轉(zhuǎn)化過程無外部修改調(diào)試接口。調(diào)節(jié)閥本體自帶的電液轉(zhuǎn)換比例閥接收 VICKERS 卡電壓指令信號，將閥門調(diào)節(jié)至需求開度;LVDT 將閥門開度傳給 VICKERS 卡（4. 5 mA～19. 5 mA）。

2.3 GRE 控制系統(tǒng)最終閥門開度信號的死區(qū)

現(xiàn)場調(diào)試期間將 LVDT 的反饋信號改為 4. 5 mA～19. 5mA，LVDT 送到 VICKERS 卡件的反饋電壓映射為 0. 312 5 V～9. 687 5 V。VICKERS 卡件內(nèi)部偏差的計算是以電壓為依據(jù)進行的。指令的線性映射關(guān)系為：4 mA～20 mA 對應(yīng) 0～10 V;+0. 312 5 V 對應(yīng) 4. 5 mA，即對應(yīng) 3. 125%。GRE 系統(tǒng)最終閥門開度指令與閥位反饋偏差電壓為正時，VICKERS 卡控制比例閥打開閥門;指令與閥位反饋偏差電壓為負時，VICKERS 卡控制比例閥關(guān)閉閥門。當 GRE 系統(tǒng)最終閥門開度指令為 0%，即輸出指令為4. 0 mA。此時 VICKERS 卡中指令與閥位反饋偏差為：0V-0. 312 5 V= -0. 312 5 V。偏差為負，將閥門往關(guān)閉方向調(diào)節(jié)。當 GRE 系統(tǒng)最終閥門開度指令為 100%，即輸出指令為 20. 0 mA。此時 VICKERS 卡中指令與閥位反饋偏差為：10 V-9. 687 5 V=0. 312 5 V。偏差為正，閥門往打開方向調(diào)節(jié)。GRE 系統(tǒng)最終閥門指令小于 3. 125%時，調(diào)門不會開啟;只有 GRE 系統(tǒng)最終開度指令大于 3. 125%時，調(diào)門才會開啟。這將形成一個指令的死區(qū)，即當閥門全關(guān)時，開度指令在 0～3. 125%之間，閥門保持關(guān)閉;當閥門全開時，開度指令在 96. 875%～100%之間，閥門保持全開。

2.4 給出 100 r/min 轉(zhuǎn)速指令后的響應(yīng)滯后及原因判定

根據(jù)高壓調(diào)節(jié)閥門蒸汽流量與對應(yīng)開度曲線，若使閥門控制指令達到3. 125%，蒸汽需求量需達到8. 6%。根據(jù)汽機沖轉(zhuǎn)階段蒸汽流量生成指令進行計算，在升至3%蒸汽需求量時，大約需要 25 s，由 3%蒸汽需求量升至8.6%（3.125%閥門開度指令對應(yīng)蒸汽需求量）大約需要 12s，此時汽機才開始升速，但跳機信號已觸發(fā)。因此，在操作員完成程控升速確認后，汽輪機就應(yīng)伴指令逐漸升速，，因原設(shè)計中未考慮該指令的遷移，蒸汽需求量需逐漸達到 8. 6%時才能開始升速，此響應(yīng)滯后導(dǎo)致蒸汽流量達到 3%跳機閾值時，汽機轉(zhuǎn)速仍未上升，導(dǎo)致跳機信號觸發(fā)。在調(diào)試期間，需將閥門開度指令進行遷移，即將（0～100%）的指令映射為（3.125%-96.875%），使蒸汽需求指令開始上升時汽輪機即開始升速。另一方面，首次沖轉(zhuǎn)期間蒸汽參數(shù)可能較低，無法沖動汽輪機升速，現(xiàn)場需根據(jù)汽輪機本體特性，適當放大對蒸汽流量達到3%后汽機轉(zhuǎn)速故障的判定時間區(qū)間，此時間區(qū)間宜在調(diào)試期間根據(jù)升轉(zhuǎn)速曲線給予適當放大。

3 汽輪機跳閘的處理方法

3.1 修正軟件內(nèi)閥門指令信號

在原設(shè)計中，廠家并未考慮修正 GRE 控制系統(tǒng)最終閥位指令遷移問題，導(dǎo)致閥門打開時間嚴重滯后。經(jīng)過分析后，將閥門開度指令由（0～100%）映射修正為（3.125% ～96.875%）。在 GRE 控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)最終控制指令的遷移，對最終控制指令做如下偏置。

3.2 延時時間

對于7s內(nèi)轉(zhuǎn)速未能上升到12 r/min的問題，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，在不影響機組安全啟動的情況下，根據(jù)閥門升速特性，將判定時間延長為15s，使開始升速階段汽輪機充分進汽，且轉(zhuǎn)速在15s內(nèi)完成上升。

4 結(jié)論

本文簡單介紹了汽輪機跳機保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，詳細分析了汽機首次沖轉(zhuǎn)期間跳機的原因，通過對汽機控制系統(tǒng)綜合控制指令遷移和修改跳機保護時間的措施，消除了跳機信號的設(shè)計缺陷，此 2 項修改在后續(xù)的沖轉(zhuǎn)中得到了很好的驗證，后續(xù)再未出現(xiàn)相同原因的跳機事件。此事件的分析研究不僅解決了本機組的設(shè)計缺陷，還反饋到其他機組，對保證汽輪機調(diào)閥的調(diào)節(jié)性能和汽輪機沖轉(zhuǎn)一次成功具有重要意義;同行電廠也可以參考本文進行經(jīng)驗反饋。

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