核電廠汽輪機(jī)機(jī)械超速保護(hù)改電氣超速保護(hù)研究

楊念軍 李和

摘要：核電廠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)中的重要系統(tǒng)，系統(tǒng)可實現(xiàn)功率控制、蒸汽壓力限制等功能。汽輪機(jī)工作特性復(fù)雜，采用PID控制方法難以滿足動態(tài)控制性能要求。PID參數(shù)整定困難，使控制系統(tǒng)內(nèi)外部抗干擾能力較弱，機(jī)組穩(wěn)定性對電網(wǎng)品質(zhì)影響較大。汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對保證汽輪機(jī)安全運行具有重要意義。介紹核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)特點，探討核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)配置合理性，提出汽輪機(jī)機(jī)械超速保護(hù)優(yōu)化建議，對核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)完善具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：核電廠汽輪機(jī)超速保護(hù)技術(shù)改造研究

Study on Changing Mechanical Overspeed Protection to Electrical Overspeed Protection of Steam Turbine in Nuclear Power Plant

YANG Nianjun ?LI He

（Hainan Nuclear Power Co.， Ltd.， Changjiang， Hainan Province， 572700 China）

Abstract： Steam turbine regulation system in nuclear power plant is an important system in automatic control system， which can realize power control， steam pressure limitation and other functions. The working characteristics of steam turbine are complex， and it is difficult to meet the requirements of dynamic control performance by using PID control method. It is difficult to set PID parameters， which makes the internal and external anti-interference ability of the control system weak， and the stability of the unit has a great impact on the quality of the power grid. Steam turbine protection system is of great significance to ensure the safe operation of steam turbine. This paper introduces the characteristics of nuclear power steam turbine protection system， discusses the rationality of configuration of nuclear power steam turbine protection system， and puts forward optimization suggestions for steam turbine mechanical overspeed protection， which has reference significance for the improvement of nuclear power steam turbine protection system.

Key Words： Nuclear power plant steam turbine; Overspeed protection; Technical transformation; Research

汽輪機(jī)是核電廠常規(guī)島重要設(shè)備，對電廠運行起到重要作用。核電廠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)功率控制、蒸汽流量限制，一二次調(diào)頻功能等。汽輪機(jī)控制采用經(jīng)典控制，在石化控制中許多參數(shù)采用傳統(tǒng)PID控制，PID控制設(shè)計方便，國內(nèi)外有很多PID整定方法，但對復(fù)雜非線性系統(tǒng)PID控制具有局限性。核電汽輪機(jī)工作特性復(fù)雜，由于主蒸汽壓力擾動，傳統(tǒng)控制方法無法達(dá)到理想控制效果【1】。PID參數(shù)整定依靠工程人員經(jīng)驗，隨著機(jī)組容量增大，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳造成閥門頻繁波動等問題，可以考慮改進(jìn)現(xiàn)有控制方法。本文在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中采用模糊PID控制策略，使PID參數(shù)不斷調(diào)整，解決核電工程汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)效果不理想問題。

1 汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在機(jī)組發(fā)生故障時實現(xiàn)安全停機(jī)，工程中汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采用三取二邏輯，在主控室設(shè)置操作員可手動停機(jī)按鈕。汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)包括液壓伺服機(jī)、跳閘電磁閥、保護(hù)回路檢測儀表等。高壓主氣閥為全開關(guān)式，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)動作快速關(guān)斷。抗燃油進(jìn)入油缸，復(fù)位彈簧被壓縮，抗燃油壓降低，孔板前產(chǎn)生差壓，油缸內(nèi)抗燃油快速放出，實驗電磁法用于機(jī)組運行中在線閥門關(guān)閉實驗，使卸油口與回油箱回路打開。跳閘電磁法是保護(hù)回路中電液轉(zhuǎn)換重要環(huán)節(jié)，要求其供電可靠，電磁法控制不同繼動器。根據(jù)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計原則，保護(hù)信號包括汽輪機(jī)超速信號、潤滑油壓低信號、控制器故障、反應(yīng)堆連續(xù)跳汽輪機(jī)等。

2 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)分析

汽輪機(jī)調(diào)劑系統(tǒng)通過控制蒸汽流量實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，主要功能包括并網(wǎng)后負(fù)荷控制，汽輪機(jī)快速負(fù)荷控制，蒸汽流量限制等。轉(zhuǎn)速控制是根據(jù)設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)氣閥開度。功率控制是根據(jù)電網(wǎng)自動邏輯運算目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定值控制開度，負(fù)荷降速是系統(tǒng)故障時快速降低機(jī)組負(fù)荷。壓力限制是對汽輪機(jī)高壓缸入口進(jìn)氣壓力進(jìn)行限制。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括主汽隔離閥，儀表測量元件等【2】。

某核電機(jī)組有8組進(jìn)氣閥，調(diào)節(jié)閥通過Vickers伺服卡控制。核電機(jī)組由東方電氣設(shè)計汽輪機(jī)，控制系統(tǒng)為TGX-S V2+系統(tǒng)。P320系統(tǒng)包括通信控制模塊CCL，保護(hù)控制器模塊STP，控制柜1布置通信控制器模塊CCL等設(shè)備;控制柜2布置冗余調(diào)節(jié)控制器;控制柜3布置超速保護(hù)卡FT3124，相關(guān)供電開關(guān)等。通信控制器采用C8075模塊，標(biāo)準(zhǔn)模塊包括重內(nèi)部總線接口卡，以太網(wǎng)卡實現(xiàn)與HMI冗余以太網(wǎng)連接。STG調(diào)節(jié)控制器是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)重要控制器，控制器包括16槽底板，網(wǎng)絡(luò)通訊等，STG控制器信號同時送入兩列控制器。采用主備運行模式，備用控制器通過冗余心跳拷貝數(shù)據(jù)。控制器重要I/O故障、CPU看門狗發(fā)現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障控制器可在不停機(jī)下更換【3】。

某核電工程采用東方電氣汽輪機(jī)組，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用分層設(shè)計理念，基本控制為下層，自動控制為上層，負(fù)責(zé)熱應(yīng)力控制等高級復(fù)雜控制功能。分層控制理念由于控制系統(tǒng)硬件可靠性不高，通過模擬電路模塊實現(xiàn)下層控制，上下層控制功能不需使用不同控制器實現(xiàn)。分層控制理念延續(xù)使用。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速通過傳感器測量，6個探頭作用于汽輪機(jī)超速保護(hù)，3個探頭采用平均值方式。轉(zhuǎn)速控制負(fù)責(zé)機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程控制。并網(wǎng)后轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)換為一次調(diào)頻控制。自動控制回路限制因素包括轉(zhuǎn)速給定值變化率限制、升速中保持功能，給定值自動設(shè)置等。

汽輪機(jī)負(fù)荷控制設(shè)置高壓缸為第一級入口蒸汽限制模式，高壓缸入口壓力限制采用限制進(jìn)氣壓力，可由反應(yīng)堆功率儀表系統(tǒng)激活，達(dá)到防止反應(yīng)堆功率超調(diào)目的。蒸汽流量限制目的為限制近期流量不超過一定值，需要根據(jù)電廠效率計算后給出，可將限制值設(shè)置到上限105%。高壓缸熱應(yīng)力通過監(jiān)測內(nèi)外壁溫度計算得出，高壓轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力需采用間接測量法，通過熱應(yīng)力換算允許升速率。熱應(yīng)力控制功能由操縱員投入，轉(zhuǎn)速負(fù)荷變化受到限制。汽輪機(jī)快速減負(fù)荷載在系統(tǒng)故障時緩解帶來的影響，采用硬接線方式將信號送到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。檢測甩負(fù)荷工況需快速關(guān)閉汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥【4】。

3核電廠汽輪機(jī)機(jī)械超速保護(hù)改造分析

中核運行二廠機(jī)組配置機(jī)械超速保護(hù)裝置，根據(jù)技術(shù)報告及國家標(biāo)準(zhǔn)，《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)條件》，將1，2，3，4號機(jī)組機(jī)械超速取消，改為增加電路避免受到過大應(yīng)力損害，超速實驗在3000rpm下執(zhí)行，首次并網(wǎng)無需執(zhí)行超速實驗。機(jī)械超速保護(hù)裝置傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為飛錘，撞擊危機(jī)診斷器杠桿，導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)氣閥門關(guān)閉。新安裝機(jī)組后首次啟動，危急遮斷器解體檢修后，機(jī)組停機(jī)1個月后汽輪機(jī)需進(jìn)行超速實驗【5】。

汽輪機(jī)運行中向飛錘注入油壓，由于影響充油實驗飛錘動作因素多，如危急遮斷器飛錘異物卡澀等。超速實驗前需站在機(jī)頭脫復(fù)手柄前。轉(zhuǎn)速達(dá)到1.11n0，運行人員應(yīng)拉動脫復(fù)手柄到脫扣位置。防止汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升危及安全。對脫扣機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，超速保護(hù)不能動作表明壓縮彈簧壓力過緊。超速實驗轉(zhuǎn)速達(dá)到1.10-1.11nO，在超速實驗時不能出現(xiàn)轉(zhuǎn)子其他熱應(yīng)力，規(guī)定啟機(jī)帶上10%額定負(fù)荷4h，允許減負(fù)至零進(jìn)行超速實驗。汽輪機(jī)機(jī)械超速機(jī)構(gòu)實驗復(fù)雜，導(dǎo)致影響大修關(guān)鍵路徑。獨立電超速組成包括3個模塊，停機(jī)輸出3取2表決模塊，信號送AST電磁法閥組等。系統(tǒng)可對電磁法作在線實驗，實驗按鈕在DEH界面上可視，任何單一模塊故障不會導(dǎo)致誤停機(jī)。

取消機(jī)超后飛錘機(jī)構(gòu)保持不變，短軸保持取消機(jī)超前狀態(tài)不變。新增獨立電超包括1套DOPS，1個三取二跳機(jī)模塊。系統(tǒng)調(diào)試包括接線回路檢查，110%超速遮斷等。送電前核電源接線，就地停機(jī)按鈕接點、電磁閥線路可靠性等。送電后核查電源冗余切換功能，這端回路操作臺遮斷功能等。對最低轉(zhuǎn)速值，故障報警指示值、超速遮斷死區(qū)值等進(jìn)行重點核查。解除轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖保護(hù)功能，核查110%超速動作值。核查超速軟件控制邏輯正確性，檢測硬件回路邏輯判斷功能，核查超速軟硬件回路保護(hù)是否按預(yù)定設(shè)定值動作。檢測故障顯示報警功能正確性。核查電超速保護(hù)控制單元接線回路后，靜態(tài)聯(lián)合實驗裝置功能【6】。

取消機(jī)超后防止飛車屏障解除，要考慮飛升轉(zhuǎn)速超過上限值，繼電器延時時間等準(zhǔn)確設(shè)置。充分保證軟硬件可靠性，考慮運行中機(jī)柜安裝，保證系統(tǒng)不誤動。刪除機(jī)械超速相關(guān)規(guī)程章節(jié)。取消機(jī)械超速保護(hù)系統(tǒng)，可以減少大修時間，經(jīng)精心改造可靠可控。汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)非常重要，優(yōu)化保護(hù)配置可以提高運行安全性。汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試運行滿足機(jī)組運行要求。建議優(yōu)化軸振保護(hù)配置，增加可實現(xiàn)主油箱位測量油位計。

4結(jié)語

PID滿足大多數(shù)應(yīng)用的需要，但系統(tǒng)控制復(fù)雜，某些情況下PID控制存在一些問題，通過其他方式解決會帶來很多成本影響。如閥門波動問題，可通過控制系統(tǒng)補(bǔ)救，更換為大容量閥門會帶來其他問題，工作中要應(yīng)用多種理論解決問題。本文從控制理論等方面分析，闡述理解模糊控制理論基礎(chǔ)上，通過檢測機(jī)組負(fù)荷偏差，對PID參數(shù)進(jìn)行實時變化，找到最優(yōu)的PID參數(shù)配置。改進(jìn)后的模糊PID動態(tài)響應(yīng)快速性較好，表明PID控制法可用于核電廠汽輪機(jī)控制，但能否推廣需要調(diào)試驗證。

參考文獻(xiàn)

[1]魏曉棟.核電廠汽輪機(jī)機(jī)械超速保護(hù)改電氣超速保護(hù)初探[J].儀器儀表用戶，2017，24（5）：93-95.

[2] 張利冰，丁近厚，沈元帆，楊帆.在役核電站一種高可靠性的汽輪機(jī)超速保護(hù)的研究與實踐[J].儀器儀表用戶，2021，28（7）：64-66+93.

[3]袁鳳學(xué).某核電廠汽輪機(jī)機(jī)械超速遠(yuǎn)程注油試驗失效分析[J].儀器儀表用戶，2020，27（3）：81-83+55.

[4]吳忠全.汽輪機(jī)電子脫扣替代機(jī)械超速脫扣的改造[J].大氮肥，2020，43（4）：251-253+270.

[5]齊江永. 汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)延遲分析及其抑制方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019.

[6]尹剛. 壓水堆核電廠反應(yīng)堆與汽輪機(jī)功率協(xié)調(diào)控制方案的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2018.

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