AP1000核電站MTP與發電機接口方案分析

鄭健 張朝銀

摘要：文章簡要介紹了世界首臺AP1000核電機組、自主化依托項目，三門核電1#機組汽輪機保護系統結構和功能，重點分析汽輪機保護系統和發電機系統的接口方案，并針對目前接口方案存在的問題提出了改進方法。

關鍵詞：AP1000；汽輪機保護；發電機保護；跳機；接口

中圖分類號：TL353 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0127-04

汽輪機保護系統對機組的安全正常運行起著至關重要的作用。在監測到異常工況時，汽輪機保護系統可以快速關閉主汽閥、主調閥、再熱主汽閥和再熱主調閥，切斷通往高壓缸和低壓缸的蒸汽，實現緊急停機。三門核電一期工程主汽輪機為日本三菱公司制造的HN1251-5.38型號汽輪機，額定功率為1251MW，轉速為1500r/min，頻率50Hz。在汽輪機打閘后，汽輪機側會送出跳機信號到發電機側，聯鎖發電機跳閘。完善的汽輪機和發電機接口方案設計，對機組的運行和設備保護都有著重要意義。

1 MTP結構和功能

1.1 MTP系統結構

三門核電一期工程汽輪機保護系統（MTP）主要設備包括就地儀表、就地電磁閥、中間繼電器機柜、汽輪機保護機柜。其中共配置了6個機柜，4個用于控制跳機保護功能，COM機柜用于完成在線試驗功能，中間繼電器機柜用于連接電磁閥110VDC供電回路和24VDC控制回路。

三菱在AP1000汽輪機保護系統（MTP）設計中，要求采用四列冗余的控制器來實施汽輪機保護。每個控制器各輸出一個跳機指令至一個AST電磁閥（SV1-SV4），實現一個機柜控制一個電磁閥。四個AST電磁閥構成先并聯再串聯（兩次二取一）的控制回路，以保證跳機功能的冗余要求，提高MTP系統的可靠性。三門核電1#機組中，每個跳機電磁閥分別由單獨的配電盤進行供電，采用110VDC。其整體結構如圖1所示：

1.2 MTP系統跳機方案

機組正常運行期間，AST電磁閥得電，所以四個機柜的繼電器觸點輸出都為1，使被控制的電磁閥得電，保持油壓；當出現異常工況，需要汽輪機跳機動作時，繼電器觸點輸出變為0，電磁閥失電，高壓油管路泄壓，從而達到關閉主汽閥、主調閥、再熱主汽閥和再熱主調閥的功能。

參考電站的設計中，基于MELTAC系統的汽輪機保護系統使用的是四個非冗余的單控制器，而Ovation系統是基于雙冗余控制器設計的，不采用單控制器結構，因此系統在實施過程中采用四對雙冗余的控制器來實施MTP系統，可靠性比單控制器方案更高。

從圖1所示的三門核電一期工程MTP系統結構中，可以得出圖2中所示的汽輪機跳機邏輯。

2 MTP與發電機聯鎖保護接口方案

MTP系統共包括6個機柜，后面的分析只針對用于汽輪機跳機保護的4個機柜中的邏輯。三門核電一期工程汽輪機保護系統（MTP）中，聯鎖發電機跳閘部分邏輯如下圖3所示。

圖3中的“汽輪機同步繼電器A動作”信號，用于發電機跳閘。三門核電一期工程的設計中，分別有“汽輪機同步繼電器A動作”和“汽輪機同步繼電器B動作”信號，兩路信號分別送到發電機繼電保護機柜。發變組保護的兩個機柜，功能是等同的，都用于發電機跳閘，互為冗余關系。圖2中的左側虛線框表示的是一個MTP機柜中的邏輯，MTP1機柜和MTP3機柜的跳機信號經過“與”邏輯后，送出汽輪機同步繼電器A動作信號。其中汽輪機同步繼電器A動作信號，由硬接線從汽輪機送往發變組保護，虛線外的“與”邏輯同樣由硬接線回路完成。

下面我們分析MTP-1機柜送出“汽輪機同步繼電器A得電-1”信號條件。

（1）帶廠用電或發電機出口斷路器與主變高壓側斷路器閉合，并且主汽門全關或緊急跳機油壓低，則延遲15s后送出“汽輪機同步繼電器A得電-1”。

（2）在滿足條件1的前提下，同時推力軸承磨損跳機（lockout）信號產生，則會立即送出“汽輪機同步繼電器A得電”。

（3）在滿足條件1的前提下，同時軸振高跳機或汽輪機跳機硬操開關（布置在主控室的汽機保護面板上）動作或軸承油壓低跳機信號產生，則延遲10s后送出“汽輪機同步繼電器A得電-1”。

當出現上述任何一種情況后，汽輪機打閘且MTP系統都會送出發電機跳機信號。

圖3中，只描述了MTP1和MTP3機柜與發電機聯鎖保護的接口部分，MTP2和MTP4與發電機的接口邏輯與圖3所示一樣。所以MTP系統與發變組保護的接口方案，可以用圖4來表示：

3 接口方案存在的問題

MTP系統動作，可以導致主汽輪機打閘，同時聯鎖發電機跳機。對比圖2和圖4中的接口方案，不難發現，MTP系統汽輪機打閘方案和與發電機跳機的接口方案不一致。

圖2所示，主汽輪機側滿足如下條件，就會產生汽輪機跳機信號。

圖4所示，發電機側滿足如下條件，才會產生發電機跳機信號。

上述兩種接口方案的不一致，可能導致如下的問題：

（1）假設MTP1和MTP3機柜同時動作，或MTP2和MTP4機柜同時動作，則MTP系統并不會產生跳機信號（A=0），而發電機則會接收到來自MTP系統的跳機信號（B=1），而引起發電機動作。假設由第3節分析的原因而導致發電機跳閘，這時汽輪機并不一定滿足跳機條件，就會引起發電機誤跳閘。因為發電機誤跳閘，反過來聯鎖汽輪機停機，顯然這種情況是我們所不希望的。

（2）假設MTP1和MTP2或MTP1和MTP4或MTP2和MTP3或MTP3和MTP4動作，則主汽輪機側（A=1）會產生汽輪機打閘信號，但是發變組保護卻接收不到聯鎖跳機信號（B=0），這時程序逆功率保護功能將失去作用，只能由發變組保護的逆功率動作，產生發電機跳閘。從圖3的邏輯中可以看出，若產生主汽門全關或緊急跳機油壓低信號，優先考慮程序逆功率保護。若其他原因造成的停機，如主調門全部關閉等，才會使用發變組保護的逆功率。

對于上述的第一種缺陷，個人分析認為，最可能導致其發生的原因是儀表故障。三門核電1#機組的設計中，一路就地信號需要同時送到4個MTP機柜，所以在儀表和MTP機柜之間增加了信號分配繼電器。儀表故障，指的是信號分配繼電器到DPU之間存在故障。出現此故障，則會引起相應的汽輪機保護序列動作。假如MTP動作序列正好滿足上述1中分析的情況，則會引起發電機誤跳閘情況。出現此種情況的可能性很小，但是我們可通過后面的建議方案避免這種情況。

除了上述接口不一致可能存在汽輪機打閘，發電機不會跳閘的情況外，MTP系統機柜失電也可能造成此異常工況。正常工況下，圖3中的MTP系統送到發變組保護的聯鎖跳機信號為0，當出現異常工況時，“汽輪機同步繼電器A動作”信號變為1，才會引起發電機跳閘。MTP輸出繼電器到發變組保護的接線如圖5所示。假設MTP機柜失電而導致汽輪機跳機，MTP則不會送出“汽輪機同步繼電器動作”信號，這樣發電機就不會跳閘。所以這種設計同樣可能會存在汽輪機打閘后，發電機不會聯鎖跳閘的情況，對機組的安全運行存在隱患。

4 接口方案的改進方法

首先，我們應該改進MTP機柜失電，可能發電機不會聯鎖跳機的情況。正常情況下，“汽輪機同步繼電器得電”信號為0，只需將其更改成正常為1即可，若失電此信號將變為0。修改方法為，在“汽輪機同步繼電器得電”信號前增加“非”邏輯，并對接口方案中的接線進行改進。

對于汽輪機跳機方案和MTP與發電組保護接口方案不一致，可以通過邏輯和接線變更來完善。MTP側的邏輯修改如圖6所示：

圖6中，只表示出MTP1機柜中的邏輯，其余3個MTP機柜中的邏輯與其一樣。改進后的“汽輪機同步繼電器得電”信號為常1，且每個MTP機柜同時送出兩路“汽輪機同步繼電器得電”信號，分別送往發變組保護的發電機繼電保護機柜A和發電機繼電保護機柜B。

MTP邏輯改進后，接口方案的硬接線同樣需要更改。改進后的硬接線方法如圖7所示：

改進后，MTP繼電器輸出卡的NC端子與發變組保護機柜相連，且每個發電機繼電保護機柜分別接收來自每個MTP機柜的1路信號。

發電機繼電保護機柜中的邏輯需要改進為如圖8所示的邏輯：

參考圖6、圖7和圖8，正常情況下，每個MTP機柜輸出為常1信號，但是通過MTP繼電器輸出卡的NC端子接線，使發電機繼電保護機柜接收到的仍是“0”信號。當出現異常工況時，4個MTP機柜同時各送出一路跳機信號至每個發電機繼電保護機柜。在每個發電機繼電保護機柜中完成圖8所示的邏輯，滿足條件則發電機跳閘。

綜合改進后的邏輯和接線，可以看出汽輪機跳機和發電機跳閘邏輯保持了一致，且MTP機柜失電情況下，發變組保護機柜仍可以正確判斷是否需要發電機跳閘。

5 結語

對于核電廠的整個儀控系統來說，各個儀控系統之間不可避免地會存在信號接口。特別是需要硬接線來完成重要設備的控制、聯鎖和保護功能。在設計儀控系統之間的接口方案時，儀控系統設計人員不僅要考慮自身系統的特點和功能需求，還要充分了解對方系統的保護原理和安全策略，只有這樣才能設計出更加完善的接口方案。否則，可能會對設備長期、安全、可靠運行帶來安全隱患。

參考文獻

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統與設備[M].北京：原子能出版社，2010，（4）.

[2] 張磊，馬明禮.汽輪機設備與運行[M].北京：中國電力出版社，2008，（4）.

[3] 沈邱農.超超臨界汽輪機的技術特點[J].北京：動力工程，2002.

[4] 劉禾，白焰，李新利.火電廠熱工自動控制技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[5] 邊立秀，周俊霞，趙勁松，等.熱工控制系統[M].北京：中國電力出版社，2002.

[6] 林誠格，郁祖盛.非能動安全先進核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

作者簡介：鄭健（1985—），男，浙江寧波人，中核集團三門核電有限公司調試處助理工程師，研究方向：汽輪機控制和保護。