秦山第二核電廠汽動輔助給水泵超速保護邏輯及系統(tǒng)維護

劉 江

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

汽動輔助給水系統(tǒng)（ASG）屬于核電廠的專設(shè)安全設(shè)施之一，在正常給水系統(tǒng)發(fā)生事故時，輔助給水系統(tǒng)啟動，用于導出堆芯余熱。該系統(tǒng)包含了兩臺電動輔助給水泵和兩臺汽動輔助給水泵。秦山第二核電廠使用的汽動輔助給水泵是CLYDE 生產(chǎn)的多級臥式離心泵，與汽輪機呈整體結(jié)構(gòu)形式，由主蒸汽系統(tǒng)提供汽源，汽動泵的運行特性是通過汽輪機蒸汽主氣門壓差調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)的，使其以約8386rpm 的額定轉(zhuǎn)速運行。為了保證汽動泵的安全運行，防止飛車事故的發(fā)生，在其超速保護邏輯中，設(shè)置有機械超速脫扣和電超速脫扣兩種類型的保護措施。

圖1 汽動泵超速保護裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic pump overspeed protection device

圖2 機械脫扣裝置原理Fig.2 Principle of mechanical trip device

1 汽動泵超速保護簡介

汽動泵超速保護根據(jù)不同的工作原理可分為兩種形式。如圖1 所示，其一，電超速脫扣保護，將轉(zhuǎn)速探頭測得的汽動泵實際轉(zhuǎn)速送入就地控制柜與轉(zhuǎn)速處理模塊中的設(shè)定值進行比較，當超出定值時，脫扣電磁閥V5 帶電開啟，主汽門的蒸汽通過該電磁閥管線直接排放至乏汽出口，汽動泵停運。其二，機械脫扣保護，當汽動泵轉(zhuǎn)速高于機械超速定值時，由位于泵軸上的脫扣螺栓被甩出，敲擊錐形閥動作，主汽門的蒸汽通過打開的錐形閥排往乏汽出口，汽動泵停運。

由此看出上述兩種脫扣形式，雖是相互獨立的保護，但最終均是通過釋放主汽門活塞下部的蒸汽來實現(xiàn)汽動泵超速時的脫扣保護。

2 超速保護的工作原理

2.1 機械超速保護工作原理

機械超速保護的設(shè)定值為9645rpm，即汽動泵額定轉(zhuǎn)速的115%，介于兩級電超速保護定值之間。當汽輪機轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時，位于泵軸上的脫扣螺栓被甩出，敲擊位于中央水室中的觸發(fā)器，觸發(fā)器產(chǎn)生位移釋放脫扣桿，從而使錐形閥打開，主汽門壓力直接排往乏汽排出管線，使泵停運[2]。另外，也可通過敲擊手動停機按鈕，同樣可實現(xiàn)脫扣動作。

機械超速保護的復位，可通過手動上提位于錐形閥位置的手動復位桿，復位觸發(fā)器并關(guān)閉錐形閥，主汽門蒸汽壓力重新推動汽輪機，汽動泵重新投運。另外，也可通過位于主控室或就地控制柜上的復位按鈕，使位于錐形閥下方的電動螺線管得電動作來復位錐形閥。

2.2 電超速保護工作原理

電超速保護系統(tǒng)的構(gòu)成及邏輯相對復雜，在電超保護中共設(shè)置兩級超速保護，分別是定值為9220rpm 的一級電超速（110%）和定值為10060rpm 的二級電超速（120%）。系統(tǒng)正常運行期間，一級電超速參與汽動泵的脫扣保護邏輯，二級電超速主要用于泵單體超速試驗，系統(tǒng)正常運行期間并不參與超速保護。兩個定值均通過就地控制柜中的TR400 模塊進行動作值設(shè)定，由該模塊內(nèi)部的繼電器單元對當前轉(zhuǎn)速信號進行判定，當實際轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時，觸發(fā)脫扣命令，通過就地控制柜內(nèi)的繼電器觸點動作使V5 脫扣電磁閥帶電，實現(xiàn)超速保護的目的。

2.3 電超速保護設(shè)計邏輯

電超速保護邏輯，根據(jù)其功能主要分為：自動脫扣邏輯、手動脫扣邏輯、復位邏輯、報警顯示4 個部分。

如圖3 所示，轉(zhuǎn)速探頭將測得的頻率信號直接送到就地控制柜TR400 模塊，先進行一級電超速（110%）判斷，若滿足動作要求，則將動作信號輸出至V5 脫扣電磁閥；如一級電超速失效，則直接進入機械超速保護（115%）邏輯，當上述兩個保護失效的情況下，則需人工進行干預，進行手動脫扣。

根據(jù)試驗需要或自動超速脫扣保護失效的情況，為避免設(shè)備損壞，在保護邏輯中應(yīng)用了手動脫扣設(shè)置。為方便對設(shè)備的有效控制，分別在就地控制柜、KPR 機柜及主控室設(shè)置有汽動泵脫扣按鈕。按下脫扣指令按鈕，就地V5 電磁閥帶電執(zhí)行脫扣命令，停運汽動泵。

當電超速保護動作后，就地控制柜上脫扣報警指示燈常亮及報警窗快閃，同時觸發(fā)主控室相應(yīng)的報警，提醒操作人員汽動泵脫扣。

圖3 汽動泵電超速保護邏輯圖Fig.3 Pneumatic pump electric overspeed protection logic diagram

圖4 汽動泵電超速保護復位邏輯圖Fig.4 Pneumatic pump electric overspeed protection reset logic diagra

如圖4 所示，電超速脫扣指令的復位主要通過主控或就地控制柜復位按鈕控制。當按下復位按鈕時，就地V5 電磁閥失電關(guān)閉，汽動泵重新投運。在此過程當中，機械脫扣復位電動螺線管同時帶電，保證機械脫扣復位桿在正常狀態(tài)。

3 超速保護系統(tǒng)的改進

3.1 信號處理模塊的改進

秦二廠1#/2#機組的汽動泵電超速邏輯采用的信號處理模塊為分體式結(jié)構(gòu)，由DSP 多功能轉(zhuǎn)速開關(guān)和AP1000數(shù)字式測速計兩部分構(gòu)成。

DSP 多功能轉(zhuǎn)速開關(guān)由控制柜內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換模塊（110VDC 轉(zhuǎn)24VDC）供電。如圖5 所示，在對DSP 模塊進行設(shè)置或驗證時，需在TB2 的8、9 端子上連接頻率模擬信號源，通過R1、R2 調(diào)節(jié)器調(diào)整4mA ～20mA 輸出電流信號直至滿足精度要求；之后，需通過S1 開關(guān)切換來選擇需要進行定值設(shè)定的電超速通道，分別通過調(diào)節(jié)器R3、R4分別對一級/二級電超速定值進行調(diào)整，工作完成后，需將S1 切回至A 位置，該保護投入運行。

如圖6 所示，AP1000 數(shù)字式測速計需單獨供電（24VDC），與DSP 模塊共用由轉(zhuǎn)速探頭輸出的頻率信號，轉(zhuǎn)換后用于當前轉(zhuǎn)速的顯示。該模塊在制造廠已做校準，投入使用前，只需通過盤面上的按鈕軟鍵完成最大頻率（變量1）、最大頻率顯示單位（變量2）、顯示更新率（變量3）3 個參數(shù)的設(shè)定。

秦二廠3#/4#機組選用TR400 型超速邏輯處理模塊來替代DSP 模塊和AP1000 顯示單元，如圖7 所示，TR400模塊面板上分為指示燈、數(shù)字顯示、編程按鍵3 個區(qū)域。首次使用或后續(xù)維護期間的參數(shù)檢查，均通過面板上的九宮格軟鍵進行。

圖5 DSP多功能轉(zhuǎn)速開關(guān)接線圖Fig.5 DSP Multi-function speed switch wiring diagram

圖6 AP1000數(shù)字式測速計示意圖Fig.6 Schematic diagram of AP1000 digital speedometer

圖7 TR400面板圖Fig.7 TR400 panel diagram

表1 TR400參數(shù)設(shè)置表Table 1 TR400 parameter setting table

按“VAR 鍵”即進入編程模式，同時RPOG 燈亮提醒進入編程模式，通過“上”“下”“左”“右”箭頭按鍵選擇需要編輯或查看的參數(shù)代碼，之后按“ENTER 鍵”后進入?yún)?shù)修改界面。主要參數(shù)設(shè)置見表1，參數(shù)查看或修改完畢后，依次按“ENTER 鍵”“VAR 鍵”，退出編程模式并顯示初始狀態(tài)。

通過上述兩種信號處理（顯示）模塊的設(shè)置及驗證步驟可以看出，TR400 模塊相比DSP 模塊具備以下優(yōu)點：

1）操作簡單，參數(shù)設(shè)置及檢查更為快捷，降低了人因失誤風險。

2）在定值設(shè)定方式上，編程式相比機械式可靠性增大，基本零誤差，同時避免了機械式定值可能的高、低漂移問題。

3.2 一級電超速閉鎖按鈕的改進

1#/2#機組超速保護邏輯中的一級電超速閉鎖按鈕型號為：CR104PXF11，具備自保持功能，即按下觸點閉合（閉鎖），再次按壓觸點斷開（復位）。

3#/4#機組一級電超速閉鎖按鈕選用CR104PBG92R3型瞬動按鈕，沒有自保持功能，即按下觸點導通（閉鎖），釋放按鈕觸點斷開（復位）。

由于此按鈕狀態(tài)決定了一級電超速保護是否可用，在機組正常運行期間，按鈕必須處于斷開狀態(tài)，否則一級電超速保護失效。因此，3#/4#機組按鈕的改進，有效避免了人因誤動或工作后遺忘復位所造成一級電超速不可用的風險。

4 電超速保護系統(tǒng)的維護

為保證電超速保護系統(tǒng)的可靠性，在每個燃料循環(huán)周期內(nèi)都要進行超速通道及定值檢查的預防性檢修及汽動泵超速試驗，并在5 個燃料循環(huán)周期時，對轉(zhuǎn)速探頭本體進行校驗，通過上述手段有效保證了該系統(tǒng)的正常運行。

在機組大修期間，從轉(zhuǎn)速探頭輸出端加模擬頻率信號進行電超速定值及通道的檢查，該項目主要進行以下驗證：

① TR400 中參數(shù)設(shè)置檢查。

② 一級、二級電超速定值的準確性。

③ V5 脫扣電磁閥、機械復位電動螺線管動作可靠性。

④ 就地數(shù)顯及主控、KRP 位置的ID 指示儀正確性。

⑤ 脫扣相關(guān)報警和復位邏輯的準確性。

上述驗證已涵蓋除探頭本體外的所有檢查，也為后續(xù)運行人員執(zhí)行汽動泵超速定期試驗奠定基礎(chǔ)。

汽動泵超速試驗是為了實際驗證ASG 汽動輔助給水泵110%電超速保護邏輯與執(zhí)行機構(gòu)動作的正確性，以及小流量管線運行的各項參數(shù)。因超速試驗對設(shè)備本體而言具有破壞性，所以為保證設(shè)備及工作人員的安全，儀控人員須按照運行規(guī)程臨時將一級超速定值修改為5000rpm 后方可進行試驗驗證。在確認汽動輔助給水泵超速保護邏輯正確后，再將一級電超速定值恢復原設(shè)置。

根據(jù)汽動泵運行維護手冊要求，每5 年需拆卸轉(zhuǎn)速探頭并送計量檢測單位進行校驗，結(jié)果合格方可回裝探頭，否則更換備件。通過這一手段預防探頭本體性能下降，以保證轉(zhuǎn)速測量數(shù)據(jù)的有效性。

5 電超速保護系統(tǒng)故障及處理

在歷年的汽動泵超速試驗期間，執(zhí)行汽動泵機械脫扣（敲擊手動停機按鈕）及復位邏輯功能的驗證中，多次發(fā)生在主控或就地按下手動復位按鈕后，機械復位電動螺線管無響應(yīng)，機械脫扣無法正常復位的缺陷。

圖8 機械脫扣復位示意圖Fig.8 Schematic diagram of mechanical trip reset

圖9 二極管故障處理Fig.9 Diode fault handling

通過機械脫扣復位回路分析，如圖8 綠線標示，由于機械脫扣為手動觸發(fā)，故串聯(lián)在脫扣復位回路中的R1 繼電器觸點不是可能的故障點，所以故障原因主要集中在繼電器R2 和TDR 以及串聯(lián)在復位線圈回路熔絲FU6（15A）上。首先，對柜內(nèi)繼電器安裝情況進行檢查，并未發(fā)現(xiàn)松動或損壞，但是15A 熔絲熔斷。經(jīng)更換后進行驗證，復位仍不能正常動作，且熔絲再次熔斷。

熔絲多次熔斷說明存在過流現(xiàn)象，即在復位回路中存在短路情況，那么和復位電動螺線管并聯(lián)的二極管造成短路的可能性較大，經(jīng)拆下測試，二極管已擊穿，處于短路狀態(tài)。

想分析清楚二極管擊穿原因，就需要判斷在這個回路中二極管所起的作用。在直流電路中的電動螺線管突然斷電時，為保持電流的方向不變，線圈將會產(chǎn)生一個自感應(yīng)電勢，為了防止感應(yīng)電勢損壞其他元器件，需在感應(yīng)線圈處并聯(lián)一個二極管，當產(chǎn)生感應(yīng)電勢時，二極管導通，感應(yīng)電流將在電動螺線管和二極管形成的回路中流通，從而消耗掉感應(yīng)電勢，這種二極管稱作續(xù)流二極管[3]。

續(xù)流二極管一般按照耐壓高于線圈電壓1.5 ～2 倍，電流大于線圈電流1.5 ～2 倍的原則選取，同時續(xù)流二極管可和電阻串聯(lián)構(gòu)成續(xù)流電路，實現(xiàn)降壓、限流的作用。

根據(jù)電動螺線管額定電壓為120VDC（機柜電源實測電壓也為120VDC），額定電流10A 的情況，共使用兩種方案對故障二極管進行改造，如圖9 所示。

目前使用的二極管為設(shè)備自帶，二極管型號：STTH5L06，反向耐壓600V，正向電流5A。

1）使用3 個二極管并聯(lián)后，再串聯(lián)1 個100Ω 電阻。這樣電阻實現(xiàn)限流功能，3 個二級管實現(xiàn)分流功能。

2）更換為IN4007 型二極管，該二極管電壓等級700V，最大電流30A。

通過上述方法處理后，該回路再未出現(xiàn)熔絲熔斷和二極管擊穿的情況，故障完全消除。

6 結(jié)論

汽動輔助給水泵是安全相關(guān)的重要設(shè)備之一，而超速保護系統(tǒng)是保證設(shè)備安全的重要手段。本文通過超速保護邏輯原理的梳理、機組間改進對比及現(xiàn)場缺陷的分析處理等方面進行總結(jié)，為系統(tǒng)維護提供一定的借鑒作用，有利于機組安全穩(wěn)定運行。