核電廠汽輪機(jī)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合理性分析及改進(jìn)

張獻(xiàn)峰

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修二處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

汽輪機(jī)在電廠中承擔(dān)著把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的作用，汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)（GME）系統(tǒng)是反映汽輪發(fā)電機(jī)工況狀態(tài)的信息載體，用于準(zhǔn)確、可靠反映整個(gè)汽輪機(jī)在啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)過(guò)程中各項(xiàng)重要參數(shù)的變化，是汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。各監(jiān)測(cè)信號(hào)通道的合理布置及邏輯組態(tài)的準(zhǔn)確性，可以有效保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及跳機(jī)保護(hù)的安全性與準(zhǔn)確性，防止保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)的情況發(fā)生。一旦汽輪機(jī)監(jiān)視（GME）系統(tǒng)發(fā)生故障，將對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重隱患，甚至導(dǎo)致汽輪機(jī)誤跳機(jī)。

方家山汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)（GME）系統(tǒng)采用EPRO 公司的MMS 系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)GME 系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，其指示、報(bào)警和保護(hù)邏輯由東方汽輪機(jī)公司設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

機(jī)組的GME 系統(tǒng)GGR 軸系中的監(jiān)測(cè)溫度，主要包括支撐軸承和推力軸承的金屬溫度。當(dāng)軸承的潤(rùn)滑不足或軸承出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致支撐軸承溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸瓦磨損或軸承損壞；當(dāng)機(jī)組軸向位移過(guò)大，轉(zhuǎn)子部分與靜止部分發(fā)生摩擦甚至碰撞，會(huì)使推力軸承溫度升高[1]，其風(fēng)險(xiǎn)不可預(yù)估。因此，高效的軸瓦溫度跳機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)頗為重要。

1 原汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

1.1 原軸承金屬溫度信號(hào)分配方案分析

方家山汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)（GME）系統(tǒng)在汽輪機(jī)的每組支撐軸承和推力軸承均設(shè)計(jì)了兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承金屬溫度，每臺(tái)機(jī)組共20 個(gè)軸承金屬溫度測(cè)點(diǎn)和8 個(gè)軸承回油溫度測(cè)點(diǎn)。當(dāng)兩個(gè)溫度信號(hào)均到達(dá)高高設(shè)定值后，即達(dá)成二取二邏輯，觸發(fā)汽輪機(jī)保護(hù)跳機(jī)信號(hào)[2]。

表1 汽輪機(jī)軸承金屬溫度測(cè)點(diǎn)清單及邏輯Table 1 List and logic of temperature measurement points of steam turbine bearing metal

方家山汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在其控制機(jī)柜中，用于監(jiān)測(cè)不同的汽輪機(jī)信號(hào)，采用MMS6000 系統(tǒng)不同類(lèi)型的測(cè)量模塊。其中，汽輪機(jī)溫度測(cè)量模塊、功率測(cè)量模塊都采用型號(hào)為MMS6620 的模塊卡。汽機(jī)溫度測(cè)量探頭使用K 型熱電偶，測(cè)量的毫伏電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度變送器處理，轉(zhuǎn)變?yōu)? mA～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送入MMS6620 測(cè)量卡件中，每個(gè)卡件中有4 個(gè)測(cè)量通道。這些模塊卡安裝在GME002AR 機(jī)柜內(nèi)的GME004CQ 框架中[3]，示意圖和清單見(jiàn)圖1 和表2。

圖1 GME002AR機(jī)柜內(nèi)GME004CQ框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of the GME004CQ frame in the GME002AR cabinet

表2 GME004CQ框架內(nèi)卡件信號(hào)分配表Table 2 GME004CQ Frame gard signal allocation table

由表2 可以看出，構(gòu)成汽輪機(jī)跳機(jī)邏輯的10 組軸承金屬溫度信號(hào)均分布在同一塊MMS6620 CT 模塊中。當(dāng)該卡故障時(shí)，所對(duì)應(yīng)的信號(hào)可能出現(xiàn)異常，包括信號(hào)失效、觸發(fā)高高信號(hào)等多種可能。

以GME403CT 模塊卡為例，該卡有GGR305MT 和GGR315MT，GGR306MT 和GGR316MT 共兩組停機(jī)信號(hào)。邏輯[4]如圖2 所示。

圖2 汽輪機(jī)軸承金屬溫度跳機(jī)邏輯Fig.2 The logic of the metal temperature tripping of the steam turbine bearing

當(dāng)出現(xiàn)該卡故障時(shí)，有兩種可能的風(fēng)險(xiǎn)：

第一種可能是：這4 個(gè)溫度高高信號(hào)中的任意一組停機(jī)信號(hào)誤動(dòng)，觸發(fā)溫度高高信號(hào)，觸發(fā)汽輪機(jī)停機(jī)信號(hào)，導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)。

第二種可能是：這4 個(gè)溫度高高信號(hào)中的任意一組停機(jī)信號(hào)拒動(dòng)，無(wú)法觸發(fā)應(yīng)有的相應(yīng)邏輯，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的停機(jī)保護(hù)功能失效，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致汽輪機(jī)設(shè)備損壞。

1.2 原軸承金屬溫度傳感器接線及供電方式分析

方家山現(xiàn)場(chǎng)汽輪機(jī)軸承金屬溫度信號(hào)分別布置在GME001CR、GME002CR、GME010CR、GME011CR、GME012CR、GME013CR、GME017CR、GME018CR 共8 個(gè)接線箱內(nèi)，信號(hào)清單見(jiàn)表3。

表3 汽輪機(jī)軸承金屬溫度就地機(jī)柜內(nèi)信號(hào)分布清單Table 3 List of signal distribution in local cabinet of steam turbine bearing metal temperature

以上8 個(gè)接線箱采用相同的接線方式對(duì)溫度變送器供電。以GME013CR 機(jī)柜接線為例進(jìn)行分析[5]，柜內(nèi)接線圖如圖3 所示。

圖3 汽輪機(jī)LP2后軸承瓦溫變送器電源供電接線圖Fig.3 Power supply wiring diagram of steam turbine LP2 rear bearing tile temperature transmitter

GME013CR 就地接線箱內(nèi)存在表1 中第8 組汽輪機(jī)停機(jī)信號(hào)：GGR306MT 和GGR316MT。GGR306MT、GGR316MT 和GGR326MT 3 個(gè)溫度變送器共用一路24V電源。當(dāng)共用端子接線松脫時(shí)，該路電源下掛載的所有溫度都失去指示，即GGR306MT 和GGR316MT 這兩個(gè)停機(jī)信號(hào)將失去監(jiān)測(cè)。這會(huì)導(dǎo)致機(jī)組失去停機(jī)保護(hù)功能，造成拒動(dòng)，該種接線方式存在極大的隱患。

1.3 原設(shè)計(jì)隱患小結(jié)

綜上所述，原設(shè)計(jì)的方家山核電汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在功能上存在以下兩個(gè)問(wèn)題：

方家山汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)控制機(jī)柜中，如果軸承金屬溫度處理模塊發(fā)生故障，由于卡件故障模式存在不確定性，可能導(dǎo)致汽輪機(jī)停機(jī)信號(hào)拒動(dòng)（停機(jī)保護(hù)功能失效），或者汽輪機(jī)停機(jī)信號(hào)誤動(dòng)（機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)），存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

方家山現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)就地接線箱內(nèi)都存在至少1 組汽輪機(jī)軸承金屬溫度停機(jī)信號(hào)，且使用同一路電源供電。如果共用端子接線松脫，該路電源下掛載的所有溫度都將失去指示，即對(duì)應(yīng)的停機(jī)信號(hào)將失去監(jiān)測(cè)。這會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)停機(jī)信號(hào)拒動(dòng)（停機(jī)保護(hù)功能失效），存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

以上問(wèn)題導(dǎo)致方家山1、2 號(hào)機(jī)組存在非計(jì)劃停機(jī)和停機(jī)保護(hù)功能失效的隱患，不利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，如果相關(guān)設(shè)備發(fā)生故障，功率運(yùn)行期間開(kāi)展消缺工作時(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 針對(duì)汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的對(duì)策

2.1 單一故障準(zhǔn)則在關(guān)鍵非安全級(jí)儀控系統(tǒng)中的應(yīng)用需求

儀控系統(tǒng)以為機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障為目標(biāo)，其實(shí)質(zhì)是追求儀控整體系統(tǒng)級(jí)的可靠性，也就是設(shè)計(jì)中固有的可靠性，儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)通過(guò)分區(qū)、分散、獨(dú)立性、冗余和其他措施，使之具有充分防故障蔓延的能力[6]。目前，核電廠部分儀控系統(tǒng)已經(jīng)具備分散、獨(dú)立性、冗余等能力，為非安全級(jí)儀控信號(hào)處理滿足單一故障準(zhǔn)則提供了基本條件，而單一故障準(zhǔn)則應(yīng)用將極大地提高系統(tǒng)整體可靠性。

HAF 102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[7]對(duì)單一故障準(zhǔn)則的定義：“導(dǎo)致單一系統(tǒng)或部件不能執(zhí)行其預(yù)定安全功能的一種故障，以及由此引起的各種繼發(fā)故障”。

基于安全考慮，HAF102 將單一故障準(zhǔn)則的要求限定在安全級(jí)系統(tǒng)。出于對(duì)電站建造投入成本的考慮，對(duì)于單一非安全級(jí)部件故障直接影響機(jī)組運(yùn)行的情況，在目前的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中還沒(méi)有明確要求。在核電廠非安全級(jí)儀控系統(tǒng)中，單一故障準(zhǔn)則的應(yīng)用無(wú)強(qiáng)制和明確的要求，在設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中也未得到嚴(yán)格考慮，尤其是在汽輪發(fā)電機(jī)、主給水系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、循環(huán)水泵等與機(jī)組出力直接相關(guān)的控制和保護(hù)處理過(guò)程中，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，儀控系統(tǒng)已發(fā)生多起因單一儀控部件故障導(dǎo)致的停機(jī)、停堆和機(jī)組瞬態(tài)降功率運(yùn)行事件，對(duì)電廠機(jī)組造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

在美國(guó)三代輕水堆用戶(hù)需求文件（ALWR-URD）中：“M-MIS（儀控系統(tǒng)）設(shè)備與電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須盡可能地滿足任何儀控設(shè)備或它的支持設(shè)備的單一隨機(jī)故障，不會(huì)引起電廠停役強(qiáng)迫或危及安全系統(tǒng)功能，或安全系統(tǒng)誤動(dòng)作，或引起電廠處于某一應(yīng)急狀態(tài)的情況……”[8]。如本文中的描述，用戶(hù)在部分關(guān)鍵重要的非安全級(jí)數(shù)字化系統(tǒng)，同樣有滿足單一故障準(zhǔn)則的需求。

2.2 汽輪機(jī)軸承金屬溫度的調(diào)整原則

方家山原汽輪機(jī)軸承金屬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)軸承溫度高高停機(jī)的設(shè)計(jì)功能，但在停機(jī)信號(hào)分配和溫度變送器供電兩方面均不能滿足單一卡件故障的保護(hù)功能，即未遵循二取二跳機(jī)保護(hù)的實(shí)質(zhì)性要求。原設(shè)計(jì)不符合單一故障準(zhǔn)則的要求，易造成汽輪機(jī)軸承金屬溫度誤停機(jī)或溫度高高停機(jī)保護(hù)功能的喪失。

遵循單一故障準(zhǔn)則的要求，可按以下原則對(duì)汽機(jī)軸承金屬溫度進(jìn)行調(diào)整[9]：

1）將汽輪發(fā)電機(jī)在同一塊卡件上具有跳機(jī)邏輯的兩個(gè)軸承金屬溫度信號(hào)，分配到兩塊不同的卡件上進(jìn)行測(cè)量，以避免出現(xiàn)測(cè)量卡件故障造成某組軸承溫度信號(hào)失去監(jiān)測(cè)及觸發(fā)停機(jī)情況。且在進(jìn)行軸承金屬溫度信號(hào)分配設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免增加硬件數(shù)量，盡量減少柜內(nèi)繼電器和電纜的修改數(shù)量，降低實(shí)施時(shí)的難度。

2）對(duì)每一路構(gòu)成跳機(jī)邏輯的軸承溫度變送器單獨(dú)敷設(shè)供電電纜，提供獨(dú)立供電，用于避免單一端子松動(dòng)造成某軸承溫度信號(hào)失去監(jiān)測(cè)及觸發(fā)停機(jī)情況。

3 汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變更方案

3.1 信號(hào)重新分配方案

將構(gòu)成汽輪機(jī)停機(jī)邏輯的同一組汽輪機(jī)軸承金屬溫度信號(hào)分布在不同的模塊卡內(nèi)，還是以GGR305MT 和GGR315MT，GGR306MT 和GGR316MT 共兩組 停機(jī)信 號(hào)為例，變更完成后，GGR305MT 和GGR315MT 分別分布 在GME401CT、GME402CT 卡件中，GGR306MT 和GGR316MT 分別分布在GME403CT、GME404CT 中，單一模塊故障將觸發(fā)報(bào)警提醒操縱員，但不再造成停機(jī)功能誤動(dòng)的可能性。變更后的信號(hào)分布清單見(jiàn)表4。

表4 GME004CQ框架內(nèi)卡件信號(hào)分布清單（變更后分布）Table 4 List of card signal distribution in GME004CQ frame (distribution after change)

3.2 溫度傳感器接線及供電方式改進(jìn)方案

現(xiàn)場(chǎng)接線箱內(nèi)布設(shè)擁擠，已無(wú)改造的空間，對(duì)每個(gè)汽機(jī)軸承增加一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)接線箱，同時(shí)將構(gòu)成跳機(jī)邏輯的軸承溫度變送器重新分布安裝在不同的接線柜內(nèi)。

變更后移出原就地機(jī)柜內(nèi)信號(hào)清單見(jiàn)表5。

表5 原有就地機(jī)柜內(nèi)信號(hào)分布清單1（變更后）Table 5 Signal distribution list 1 in the original local cabinet(after change)

新增就地接線箱信號(hào)清單見(jiàn)表6。

表6 新增就地機(jī)柜內(nèi)信號(hào)分布清單2（變更后）Table 6 Signal distribution list 2 in the newly added local cabinet(after change)

以GME013CR 和GME106CR 這組跳機(jī)信號(hào)為例，變更后的柜內(nèi)接線方式如圖4 和圖5 所示。

圖4 GME013CR接線箱端子連接圖（變更后）Fig.4 GME013CR Junction box terminal connection diagram(after change)

圖5 GME113CR接線箱端子連接圖（變更后）Fig.5 GME113CR Junction box terminal connection diagram(after change)

變更實(shí)施后，因構(gòu)成跳機(jī)邏輯的一組信號(hào)GGR306MT和GGR316MT 已分布至不同接線柜且均已實(shí)現(xiàn)獨(dú)立供電[10]，柜內(nèi)任一單一端子松動(dòng)或故障，將觸發(fā)報(bào)警提醒操縱員，但不再造成停機(jī)功能誤動(dòng)的可能性。

4 汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測(cè)改進(jìn)效益

1）2017 年3 月17 日，方家山1 號(hào)機(jī)組報(bào)缺陷“1GGR340MT、341MT 閃發(fā)故障報(bào)警”，經(jīng)排查故障原因?yàn)闇囟忍幚砟K1GME405CT 故障，未觸發(fā)停機(jī)。原GME405CT 一塊卡件中包含“GGR340MT AND GGR342MT 停機(jī)” 和“GGR341MT AND GGR343MT 停機(jī)”兩路停機(jī)邏輯。變更后，將GGR340MT/ GGR342MT和GGR341MT/ GGR343MT 兩組有停機(jī)邏輯關(guān)系的分散處理，消除了單一部件故障對(duì)汽輪機(jī)停機(jī)邏輯的影響，避免了1GME405CT 故障而觸發(fā)汽輪機(jī)停機(jī)信號(hào)。

2）2017 年4 月6 日，方家山1 號(hào)機(jī)組報(bào)缺陷“KIC閃發(fā)1GGR010KA 潤(rùn)滑油測(cè)量錯(cuò)誤報(bào)警”，經(jīng)查故障原因?yàn)樘幚砟K1GME402CT 故障，未觸發(fā)停機(jī)。原GME402CT一塊卡件中包含“GGR303MT AND GGR313MT 停機(jī)”和“GGR304MT AND GGR314MT 停機(jī)” 兩路停機(jī)邏輯。變更后，將GGR303MT/ GGR313MT 和GGR304MT/GGR314MT 兩組有停機(jī)邏輯關(guān)系的分散處理，消除了單一部件故障對(duì)汽輪機(jī)停機(jī)邏輯的影響，避免了1GME402CT故障而觸發(fā)汽輪機(jī)停機(jī)信號(hào)。

可以看出，通過(guò)對(duì)信號(hào)重新布置，將構(gòu)成跳機(jī)邏輯的信號(hào)進(jìn)行分散式分布，有效地避免單一模塊故障后產(chǎn)生的汽輪機(jī)跳機(jī)可能，對(duì)核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)方家山汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分布和傳感器接線及供電方式的深入分析，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)存在可能造成機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)及停機(jī)保護(hù)功能失效的設(shè)計(jì)隱患。遵循單一故障準(zhǔn)則要求進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)提高冗余度達(dá)到提高汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性的目的，避免了單一部件故障造成影響系統(tǒng)安全及可靠性問(wèn)題，使方家山汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性有效提升，為核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。