核電廠汽輪機控制系統設計標準適用性分析與研究

曾 彬 展曉磊 張 沖

(上海交通大學自動化系1，上海 200030 ;深圳中廣核工程設計有限公司2，廣東 深圳 518172)

0 引言

在壓水堆核電廠中，反應堆的冷卻劑在蒸汽發生器內加熱二回路的給水，使之成為飽和蒸汽，飽和蒸汽由主蒸汽管道送到汽輪機做功，帶動發電機產生電能。

在核電廠中，汽輪機儀控技術是連接核島與常規島的中樞紐帶，除了自身重要而復雜的調節、保護功能之外，還重點涵蓋了反應堆與汽輪機協調控制保護的功能接口實現，以及與DCS 通信、與電網中調接口、與發變組保護聯鎖保護等。

從系統功能角度劃分，核電廠汽輪機可劃分為汽輪機專用儀控系統、汽輪機輔助系統。

1 遵循標準

從核電廠安全分級角度來看，汽輪機不執行核安全或核安全相關功能，屬于非安全級系統。其設計主要參考的相關標準為IEC 標準、國家標準、電力行業和能源標準。

常用的標準主要有:

IEC 60045-1-1991，Steam turbine part1 specification;IEC 61064-1991，Acceptance Tests for steam turbine speed control system;GB 50660-2011《大中型火力發電廠設計規范》;GB/T 5578-2007《固定式發電用汽輪機規范》;DL/T 590-2010《火力發電廠凝汽式汽輪機的檢測與控制技術條件》。

標準中對汽輪機儀控設計的主要技術要求如下。

(1)汽輪機控制和保護系統應保證機組在各種運行模式及工況下安全、可靠、靈活、有效地運行。當機組發生故障或事故時，能使機組安全停機。

(2)用于汽輪機保護系統的測點應采用多點冗余、獨立取樣方式，并遵循獨立性原則。

(3)汽輪機保護系統應采用多通道的保護設計。用于汽輪機跳閘的泄油電磁閥應采用失電打開(泄油)方式，電磁閥應為可靠的多重化設置。

(4)根據核電廠不同的運行工況以及內、外部實際的影響，考慮下列設計原則:

①在正常運行及對于預期運行事件，應考慮提供設備計劃維護和檢修服務的可能性;

②與核電廠安全及機組運行可靠性相關的控制系統，采用冗余性和獨立性準則、故障安全準則、可試驗性和可維修性準則。

(5)測量和控制設備(或成套裝置)的功能、性能及配置的數量應使汽輪機在各種狀態下能自動快速安全啟動、并網，直至帶滿負荷;具備在正常運行時能接受電網調度指令、平穩調整負荷的功能，在故障狀態時能自動處理，直至安全停機。

(6)汽輪機從沖轉、并網、帶基本負荷，直至帶滿負荷的全過程能投入自動控制，并能實現負荷限制、快速降負荷、停機保護的功能。當部分或全部甩負荷時，通過汽輪機旁路控制系統動作及汽輪機調節系統的作用，不會引起停堆和停機。

(7)汽輪機調節系統根據自動同期系統的指令完成汽輪發電機的轉速匹配，保證發電機能自動地同步并網。發電機并網后，汽輪機應迅速帶基本負荷。

(8)汽輪機在正常運行中，汽輪機調節系統能配合反應堆功率控制系統實現功率或進汽壓力控制功能，并具有一次調頻功能。在重要運行參數超過允許值時，汽輪機調節系統有完善的負荷限制功能，包括汽輪機在功率調整方式時的壓力限制功能。

(9)汽輪機調節系統的可靠性設計準則按照故障降級原則考慮，即根據故障的性質和范圍退出部分控制功能，但最終只能降低到保留轉速控制的水平。當轉速控制功能因故障失效時，應立即停機。不允許采用手動控制轉速方式。

2 汽輪機保護系統

汽輪機保護系統和跳閘系統是用于某設備或系統故障時盡快停止汽輪機的運行，以保護其不受損害。

對于汽輪機保護系統，根據設計標準，應滿足如下要求。

(1)獨立的超速保護裝置。

(2)冗余的儀表和控制器。汽輪機保護系統應采用多通道的保護設計。用于汽輪機跳閘的泄油電磁閥應采用失電打開(泄油)方式，電磁閥應為可靠的多重化設置;用于汽輪機保護系統的測點應采用多點冗余、獨立取樣方式，并遵循獨立性原則。

(3)故障安全。

A 核電廠的汽輪機保護系統架構如圖1 所示。其有3 個跳閘通道，每個通道由獨立的CPU 和輸入輸出卡件構成，每個通道控制一個跳閘電磁閥。3 個跳閘電磁閥控制就地的跳閘模塊(TRIP BLOCK)實現3 取2 跳閘邏輯，對供油母管進行卸油，從而跳機。

圖1 A 核電廠汽輪機保護系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the turbine protection system of NPP A

跳閘電磁閥由機柜提供的24 VDC 供電，電磁閥失電跳閘。在供電回路上，串聯停機按鈕觸點、超速保護觸點、MPM123 硬件跳機(潤滑油壓低、低壓缸排汽壓力低、高壓缸排汽壓力低)觸點和軟件跳機觸點。正常運行時，所有觸點閉合，跳閘電磁閥帶電。當上述任意一個觸點打開，電磁閥供電喪失，抗燃油壓失去，汽輪機跳閘。

B 核電廠的汽輪機保護系統架構如圖2 所示。以其中的一個主汽閥為例進行說明，該主汽閥配置兩個電磁閥GSE0313EL 和GSE0314EL，其中任意一個電磁閥失電，將導致主汽閥關閉。這兩個電磁閥由兩個failsafe 的DO 卡件分別控制。DO 卡件的供電由3 路24 V 電源通過3 取2 的邏輯進行供電，供電回路上串聯有兩套超速保護裝置、停機按鈕，只要其中任意一套超速保護裝置或者停機按鈕觸發，則DO 卡件失電，主汽閥關閉。

圖2 B 核電廠汽輪機保護系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of the turbine protection system of NPP B

從上述兩個電廠的汽輪機保護系統方案可以看出，在獨立超速保護裝置、故障安全、冗余設置等方面，均已滿足標準基本的要求，但不同的電廠在實現方面存在如下技術差異。

①故障安全設計。A 電廠所有閥門由抗燃油壓母管進行供油，跳閘模塊(TRIP BLOCK)布置在母管上，保護系統動作直接作用于跳閘模塊，使母管油壓失去，所有閥門關閉。B 電廠中，抗燃油壓母管上無跳閘電磁模塊設計，抗燃油供油到各個閥門，保護系統直接動作各個閥門上的跳閘電磁閥。上述跳閘模塊或跳閘電磁閥，在汽輪機正常運行時處于帶電狀態，失電則停機，確保汽輪機在故障(供電失去)情況下處于安全狀態。

②超速保護裝置設計。A 電廠采用3 個轉速探頭，送到3 個超速保護卡件，實現3 取2 邏輯判斷。B 電廠采用6 個轉速探頭，分成兩組，每組3 個，送到兩套超速保護裝置中，每套超速保護裝置中將轉速進行3 取2 處理，兩套超速保護中任意一套動作即跳機。B 電廠的超速保護配置可靠性高于A 電廠。

③冗余設計。轉速探頭設置方面，A 電廠調節和保護系統共用3 個轉速探頭，轉速信號采集后先送到保護系統，再由保護系統送到調節系統。B 電廠采用9 個轉速探頭，3 個用于調節，6 個用于保護。B 電廠轉速探頭的設置方案優于A 電廠。

④對于汽輪保護系統的跳機信號，設備廠家從保護設備本身的角度出發，設置較多的保護信號，確保設備本身的安全，但部分信號設置過于保守。從電廠角度來看，在滿足設備保護的情況下盡可能不誤跳機，確保電廠的可用率。跳機信號設置的確定是廠家、運營單位不斷商討的結果。

⑤多樣性和冗余設計原則

核電廠中，汽輪機是常規島重要的設備。為了保證設備和人員的安全，在汽輪機設計中，充分考慮了冗余、多樣性等原則，如表1 所示。

表1 冗余及多樣性原則考慮Tab.1 Consideration of principles of redundancy and diversity

3 汽輪機調節系統

根據法規標準要求，汽輪機調節系統作為汽輪發電機組重要的系統，其應具備如下主要控制功能:

(1)轉速控制;

(2)并網后的負荷控制和頻率控制;

(3)甩負荷控制;

(4)蒸汽流量限制和蒸汽壓力限制;

(5)一次調頻、二次調頻功能;

(6)超速保護控制。

汽機調節系統通過調節汽機進汽閥開度，對機組進行轉速、功率、頻率和壓力控制，并對機組的負荷和轉速實施超速、超加速、負荷速降和蒸汽需求進行限制。在不同的運行方式下，各參數之間互相制約、互相影響，汽機調節系統對各參數進行控制，將各參數維持在允許的范圍內。

轉速控制，是指根據機組停機狀態調節汽機進汽閥開度，使汽機轉速按要求從0 穩步上升到1 500 r/min，完成汽機沖轉。

功率控制，是指根據電網功率需求自動或手動地調節汽機進汽閥開度，達到調節發電機功率的目的。

頻率控制，是指對電網頻率偏離額定值進行補償。

壓力控制，是指通過限制汽機進汽壓力或者限制汽機進汽壓力的增長速率，以達到保護汽機的目的。

超速限制和超加速限制，是指當汽輪機轉速或轉速加速度達到或超過限值以后，按照超過的比例關小汽機進汽閥門，以達到保護汽機的目的。

負荷速降限制，是指發生某些異常工況時，迅速地降低汽機的負荷，以防止反應堆保護系統的動作并保護汽機。

蒸汽需求限制，是指操作員在必要時可以通過設定汽機進汽流量進行流量限制，以保證汽機功率不超過安全值。

汽輪機調節系統實際上是負荷控制回路疊加轉速控制回路，輔以蒸汽流量限制、蒸汽壓力限制以及甩負荷控制。其原理圖如圖3 所示。

圖3 汽輪機調節系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of turbine governing system

A 核電廠和B 核電廠的汽輪機調節系統設計原理類似，均能滿足標準中所具備的功能，但具體實現方式差異較大，主要體現在如下方面。

1)A 核電廠中，采用了分層的控制模式。該控制模式的劃分源于20 世紀90 年代技術。由于分散控制系統的可靠性越來越高，分層控制模式可取消。

2)自動化程度。A 核電廠技術路線下，汽輪機沖轉、并網直至帶最小負荷的過程中，需要操縱員操作的步驟較多，自動化程度較低。B 核電廠技術路線的自動化程度較高，可實現汽輪機自啟停控制。

4 技術要求

通過上述對這些關鍵技術方案的標準適用性研究分析以及技術對比，在吸收各個技術路線優點的基礎上，形成如下的技術基本要求，為后續的汽輪機儀控設計標準化提供可行的技術參考。

(1)汽輪機保護系統架構及停機保護信號設置。

由于汽輪機廠家技術路線的不同，汽輪機保護系統架構存在差異，在滿足技術要求的前提下，技術差異項的存在可以接受。保護系統的技術要求主要包括如下幾點。

①用于汽輪機保護系統的測點采用多點冗余、獨立取樣方式，避免單一信號停機。

②汽輪機保護系統的邏輯具有冗余容錯功能，避免傳感器單一故障而停機。

③汽輪機保護系統應采用多通道的保護設計。

④故障安全設計，用于汽輪機跳閘的泄油電磁閥應采用失電打開(泄油)方式。

⑤超速保護裝置應獨立于其他停機保護裝置，并直接串聯在跳閘電磁閥的供電回路上，超速保護動作直接切斷跳閘電磁閥的供電。超速保護裝置采用兩套電氣超速保護，機械超速保護可選配。用于超速保護的轉速探頭應獨立設置。

⑥發變組、反應堆保護系統聯跳汽輪機的信號連接方式采用硬接線連接。

⑦汽輪機停機保護信號設置應與汽輪機廠家達成一致，并至少包括如下基本保護:超速、冷凝器真空、潤滑油壓力低、軸向位移大、潤滑油箱液位低、發電機輔助系統故障、反應堆停堆、發電機跳閘、其他(由廠家提出，與業主協商確定)。

(2)汽輪機調節系統。

汽輪機調節系統應具備如下具體的基本功能，這些功能的具體實現方式可以存在差異。

基本控制功能如下。

①轉速控制:啟動控制，升、降轉速控制。

②負荷控制:升、降負荷控制，穩定負荷控制。

③一次調頻。

④二次調頻:AGC 功能，電網中調控制負荷方式。

⑤甩負荷控制(RB):包含手動和自動RB。

⑥同期控制:接收同期裝置的控制信號。

⑦超加速控制。

⑧防止核島超功率的限制功能。

⑨試驗功能:閥門嚴密性試驗、閥門活動性試驗、重要保護在線試驗。

可選控制功能如下。

①自啟停控制:體現機組自動化水平。

②閥門管理功能:改善轉子、氣缸熱應力和部分負荷時的經濟性(與機組特點相適應)。

5 結束語

從標準要求的角度出發，對核電廠汽輪機控制系統的重要技術點進行分析，并采用對比的方法，研究不同技術路線下的汽輪機技術相同點和差異。在吸收各個技術路線優點的基礎上，形成技術基本要求，可為后續的汽輪機儀控設計標準化提供可行的技術參考。

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