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

張獻(xiàn)峰

（中核核電運行管理有限公司 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（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、可靠反映整個汽輪機(jī)在啟動、運行和停機(jī)過程中各項重要參數(shù)的變化，是汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。各監(jiān)測信號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)測及跳機(jī)保護(hù)的安全性與準(zhǔn)確性，防止保護(hù)拒動或誤動的情況發(fā)生。一旦汽輪機(jī)監(jiān)視（GME）系統(tǒng)發(fā)生故障，將對汽輪機(jī)安全運行造成嚴(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（GME）系統(tǒng)采用EPRO 公司的MMS 系列產(chǎn)品，實現(xiàn)GME 系統(tǒng)各項參數(shù)的監(jiān)測和保護(hù)，其指示、報警和保護(hù)邏輯由東方汽輪機(jī)公司設(shè)計實現(xiàn)。

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

1 原汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案分析

1.1 原軸承金屬溫度信號分配方案分析

方家山汽輪機(jī)監(jiān)測（GME）系統(tǒng)在汽輪機(jī)的每組支撐軸承和推力軸承均設(shè)計了兩個溫度測點，用于實時監(jiān)測軸承金屬溫度，每臺機(jī)組共20 個軸承金屬溫度測點和8 個軸承回油溫度測點。當(dāng)兩個溫度信號均到達(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[2]。

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

方家山汽輪機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在其控制機(jī)柜中，用于監(jiān)測不同的汽輪機(jī)信號，采用MMS6000 系統(tǒng)不同類型的測量模塊。其中，汽輪機(jī)溫度測量模塊、功率測量模塊都采用型號為MMS6620 的模塊卡。汽機(jī)溫度測量探頭使用K 型熱電偶，測量的毫伏電壓信號經(jīng)過溫度變送器處理，轉(zhuǎn)變?yōu)? mA～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號送入MMS6620 測量卡件中，每個卡件中有4 個測量通道。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均分布在同一塊MMS6620 CT 模塊中。當(dāng)該卡故障時，所對應(yīng)的信號可能出現(xiàn)異常，包括信號失效、觸發(fā)高高信號等多種可能。

以GME403CT 模塊卡為例，該卡有GGR305MT 和GGR315MT，GGR306MT 和GGR316MT 共兩組停機(jī)信號。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，有兩種可能的風(fēng)險：

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

第二種可能是：這4 個溫度高高信號中的任意一組停機(jī)信號拒動，無法觸發(fā)應(yīng)有的相應(yīng)邏輯，導(dǎo)致對應(yīng)的停機(jī)保護(hù)功能失效，嚴(yán)重時導(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)場汽輪機(jī)軸承金屬溫度信號分別布置在GME001CR、GME002CR、GME010CR、GME011CR、GME012CR、GME013CR、GME017CR、GME018CR 共8 個接線箱內(nèi)，信號清單見表3。

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

以上8 個接線箱采用相同的接線方式對溫度變送器供電。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：GGR306MT 和GGR316MT。GGR306MT、GGR316MT 和GGR326MT 3 個溫度變送器共用一路24V電源。當(dāng)共用端子接線松脫時，該路電源下掛載的所有溫度都失去指示，即GGR306MT 和GGR316MT 這兩個停機(jī)信號將失去監(jiān)測。這會導(dǎo)致機(jī)組失去停機(jī)保護(hù)功能，造成拒動，該種接線方式存在極大的隱患。

1.3 原設(shè)計隱患小結(jié)

綜上所述，原設(shè)計的方家山核電汽輪機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在功能上存在以下兩個問題：

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)信號拒動（停機(jī)保護(hù)功能失效），或者汽輪機(jī)停機(jī)信號誤動（機(jī)組非計劃停機(jī)），存在誤動風(fēng)險。

方家山現(xiàn)場每個就地接線箱內(nèi)都存在至少1 組汽輪機(jī)軸承金屬溫度停機(jī)信號，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，即對應(yīng)的停機(jī)信號將失去監(jiān)測。這會導(dǎo)致汽輪機(jī)停機(jī)信號拒動（停機(jī)保護(hù)功能失效），存在拒動風(fēng)險。

以上問題導(dǎo)致方家山1、2 號機(jī)組存在非計劃停機(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)定運行。同時，如果相關(guān)設(shè)備發(fā)生故障，功率運行期間開展消缺工作時存在的風(fēng)險較高。

2 針對汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測系統(tǒng)的對策

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

儀控系統(tǒng)以為機(jī)組的安全和穩(wěn)定運行提供可靠保障為目標(biāo)，其實質(zhì)是追求儀控整體系統(tǒng)級的可靠性，也就是設(shè)計中固有的可靠性，儀控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)通過分區(qū)、分散、獨立性、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、獨立性、冗余等能力，為非安全級儀控信號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《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》[7]對單一故障準(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系統(tǒng)。出于對電站建造投入成本的考慮，對于單一非安全級部件故障直接影響機(jī)組運行的情況，在目前的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中還沒有明確要求。在核電廠非安全級儀控系統(tǒng)中，單一故障準(zhǔn)則的應(yīng)用無強(qiáng)制和明確的要求，在設(shè)計和安裝過程中也未得到嚴(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)處理過程中，據(jù)不完全統(tǒng)計，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)降功率運行事件，對電廠機(jī)組造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

在美國三代輕水堆用戶需求文件（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，用戶在部分關(guān)鍵重要的非安全級數(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)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)汽輪機(jī)軸承溫度高高停機(jī)的設(shè)計功能，但在停機(jī)信號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)的實質(zhì)性要求。原設(shè)計不符合單一故障準(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)邏輯的兩個軸承金屬溫度信號，分配到兩塊不同的卡件上進(jìn)行測量，以避免出現(xiàn)測量卡件故障造成某組軸承溫度信號失去監(jiān)測及觸發(fā)停機(jī)情況。且在進(jìn)行軸承金屬溫度信號分配設(shè)計時，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，降低實施時的難度。

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

3 汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測系統(tǒng)變更方案

3.1 信號重新分配方案

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)報警提醒操縱員，但不再造成停機(jī)功能誤動的可能性。變更后的信號分布清單見表4。

表4 GME004CQ框架內(nèi)卡件信號分布清單（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)場接線箱內(nèi)布設(shè)擁擠，已無改造的空間，對每個汽機(jī)軸承增加一個現(xiàn)場接線箱，同時將構(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)信號清單見表5。

表5 原有就地機(jī)柜內(nèi)信號分布清單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清單見表6。

表6 新增就地機(jī)柜內(nèi)信號分布清單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)

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

4 汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測改進(jìn)效益

1）2017 年3 月17 日，方家山1 號機(jī)組報缺陷“1GGR340MT、341MT 閃發(fā)故障報警”，經(jīng)排查故障原因為溫度處理模塊1GME405CT 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。

2）2017 年4 月6 日，方家山1 號機(jī)組報缺陷“KIC閃發(fā)1GGR010KA 潤滑油測量錯誤報警”，經(jīng)查故障原因為處理模塊1GME402CT 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。

可以看出，通過對信號重新布置，將構(gòu)成跳機(jī)邏輯的信號進(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，對核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運行做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)束語

通過對方家山汽輪機(jī)軸承金屬溫度監(jiān)測系統(tǒng)的信號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)計存在可能造成機(jī)組非計劃停機(jī)及停機(jī)保護(hù)功能失效的設(shè)計隱患。遵循單一故障準(zhǔn)則要求進(jìn)行改進(jìn)，通過提高冗余度達(dá)到提高汽輪機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)可靠性的目的，避免了單一部件故障造成影響系統(tǒng)安全及可靠性問題，使方家山汽輪機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)可靠性有效提升，為核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運行提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。