核電廠汽輪機(jī)的跳閘故障和維護(hù)措施

李陽 楊念軍

摘要：本文以某壓水堆核電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架介紹作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析了該機(jī)組在沖轉(zhuǎn)過掛閘后速度提升時，通過對跳機(jī)過程、跳閘邏輯、VICKERS 卡和汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)等方面進(jìn)行研究，去發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)跳閘出現(xiàn)的真正原因，并提出有效的解決辦法，來解決沖轉(zhuǎn)跳閘問題，為后期汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)提供有力的支持。

關(guān)鍵詞：核電廠汽輪機(jī) 跳閘 VICKERS 汽機(jī)控制組態(tài)

Abstract： In this paper， based on the introduction of hardware structure and network architecture of steam turbine regulation and protection system of a PWR nuclear power unit， it further analyzes the speed increase of the unit after rushing around and hanging the brake. By studying the trip process， trip logic， VICKERS card and steam turbine regulation system， it finds out the real cause of steam turbine trip， and effective solutions are proposed to solve the problem of impulse tripping and provide strong support for impulse starting of steam turbine in the later stage.

Key Words： Steam turbine of nuclear power plant; Trip; VICKERS; Turbine control configuration

1汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)概述

國內(nèi)某核電廠是由沖動式排汽、三缸四排汽、單軸排汽、半轉(zhuǎn)速輪機(jī)等構(gòu)成。汽輪機(jī)主要是由兩個低壓缸和高中壓合缸部分組成，中壓缸與高壓缸之間采用物理隔離方式。高壓缸具備多個進(jìn)汽渠道，每個進(jìn)汽口內(nèi)都安裝一個調(diào)節(jié)閥與截止閥，對通道內(nèi)汽體進(jìn)行有效控制。而截止閥通過開關(guān)狀態(tài)來控制新蒸汽，當(dāng)出現(xiàn)跳機(jī)命令后，安全油壓電磁閥會出現(xiàn)短暫斷電狀態(tài)，同時安全油壓會及時泄壓，截止閥會及時關(guān)閉，從而確保汽輪機(jī)的穩(wěn)定性與安全性。而調(diào)節(jié)閥能有效控制調(diào)節(jié)能力，通過對應(yīng)的閥門控制卡來控制閥門開合。高壓缸排汽在經(jīng)過汽水分離后，再經(jīng)過熱氣進(jìn)行加熱，會從4個方面流入中壓缸當(dāng)中，而中壓缸內(nèi)安裝有4個進(jìn)汽通道，每個進(jìn)汽通道均有調(diào)節(jié)閥與截止閥。除此之外，當(dāng)中壓調(diào)節(jié)閥停留在20%時，會將以上閥門開關(guān)全部打開。

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)在正常情況下，是以控制系統(tǒng)平臺為中心，從結(jié)構(gòu)方面而言，將其分為上位機(jī)與下位機(jī)，上位機(jī)主要用來管理人際接口功能、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理等;下位機(jī)具有較強(qiáng)的安全保護(hù)、自動控制調(diào)節(jié)等作用。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)可用來控制機(jī)組功率、頻率、壓力等方面，并對機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行降速限制、蒸汽流量限制。在出發(fā)跳機(jī)信號時，應(yīng)確保汽輪機(jī)停留安全性，有效確保機(jī)組間能量轉(zhuǎn)化，提高供電水平與質(zhì)量，確保整個汽機(jī)能平穩(wěn)運(yùn)行[1]。

2汽輪機(jī)跳閘事件

2.1汽輪機(jī)非核沖轉(zhuǎn)期間跳閘概述

早在2013年，該汽輪機(jī)實(shí)施了非核蒸汽沖轉(zhuǎn)，將汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制在9r/min，掛閘準(zhǔn)備提高轉(zhuǎn)速。操作人員通常會將轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置在100r/min，在確定轉(zhuǎn)速范圍后，提高速度，隨著汽機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值不斷提高，但汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速仍然停留在盤車轉(zhuǎn)速8r/min，當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)20s后自動跳閘，進(jìn)汽閥門會自動關(guān)閉，安全油進(jìn)入泄壓狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過檢查操作員報警列表與歷史趨勢發(fā)現(xiàn)，是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制跳機(jī)，從而導(dǎo)致跳閘，也就是因?yàn)槌霈F(xiàn)實(shí)測轉(zhuǎn)速故障信號所引發(fā)的跳閘[2]。

2.2汽輪機(jī)跳機(jī)起因研究

根據(jù)跳閘過程當(dāng)中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析，有效研究GRE系統(tǒng)模擬邏輯圖，當(dāng)蒸汽流量指令延遲3s后，且汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速依然小于0. 8%，會讓整個過程產(chǎn)生ST SPEED 2O3 FAILUR，這是導(dǎo)致汽輪機(jī)跳閘的重要原因（如圖1所示）。

2.2.1? LVDT閥門控制

經(jīng)過有關(guān)人員分析發(fā)現(xiàn)，傳感器通過直線位移傳感器探頭來組成不同閥門反饋信號，一路傳輸?shù)狡麢C(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng);一路傳輸?shù)紻CS;一路傳輸?shù)狡啓C(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，通過3種系統(tǒng)來進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)計算。由于該種直線位移傳感器輻射范圍較窄，最好效果在4.5mA～19.5mA之間，這是確保閥門調(diào)節(jié)控制發(fā)揮最大作用的范圍。P320控制系統(tǒng)是以PLC為基礎(chǔ)的數(shù)字化DCS。廠家應(yīng)將所有P320系統(tǒng)當(dāng)中的8個高中壓調(diào)節(jié)閥位置傳感器輸出電流都設(shè)置在4.5mA～19.5mA之間。通過以上這種傳感器輸出流量規(guī)定，能有效控制閥門傳遞的閥位反饋信號，當(dāng)其全關(guān)時信號為4.5mA;當(dāng)閥門全開到位時，其信號為19.5mA。但如果不采用遷移，那么閥位反饋信號只會開度到3.125%;而當(dāng)其將開度到最大程度時，開度值為96.875%;衍生出來的關(guān)系為反饋電流在4.5mA～19.5mA，對應(yīng)開度值應(yīng)為3.125%～96.875%（見圖2）。

汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)接受的閥位信號會直接控制汽輪機(jī)進(jìn)汽開度值，為了確保GRE系統(tǒng)計算準(zhǔn)確性與邏輯性，需要將上述閥門反饋在汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的可控范圍內(nèi)。也就是將電流值控制在4.5mA～19.5mA之間，映射值控制在3.125%～96.875%之間。

當(dāng)閥門開度遷移公式為 Y =100× （X-3. 125） /（96. 875-3. 125）但在計算閥門開度值之前，需要將圖5GRE邏輯圖融入其中，將C3值設(shè)定值確定為3.125%，c4值設(shè)定值為96.875%，能有效完成閥位反饋量程遷移[3]。

2.2.2 調(diào)節(jié)閥控制原理

閥門位移傳感器與汽機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)會將最終開度命令傳輸?shù)綄ｉT閥門控制卡內(nèi)。是通過蒸汽需求總量嚴(yán)格根據(jù)閥門控制曲線計算，將閥位反饋信號傳遞到VICKERS卡上，再由控制卡將信號傳遞到控制系統(tǒng)。為了解決最終閥門開度誤差與提高運(yùn)行速度，GRE控制系統(tǒng)增加了積分環(huán)節(jié)，再經(jīng)過初始指令與積分相加所得出[4]?？刂瓶ㄊ怯脕慝@取GRE控制系統(tǒng)閥門最終指令，當(dāng)實(shí)際閥門開度信號與指令信號相減得出的結(jié)果出現(xiàn)偏差時，要通過PI閉環(huán)進(jìn)行計算，才能獲得閥門開度指令，整個電壓轉(zhuǎn)化過程不具有其他修改調(diào)試接口。調(diào)節(jié)閥本身自帶電液轉(zhuǎn)化比例閥，能獲得控制卡標(biāo)準(zhǔn)的電壓指令信號，才能將閥門調(diào)節(jié)到規(guī)定值;LVDT則負(fù)責(zé)將閥門開度值傳遞給控制卡[5]。

2.2.3? GRE控制系統(tǒng)最終閥門開度信號的死區(qū)

現(xiàn)場調(diào)試期間，對LVDT反饋信號進(jìn)行更改，定義為4.5mA～19.5mA。同時將LVDT傳遞到控制卡內(nèi)，調(diào)節(jié)反饋電壓映射值，將其限定在0.3125V～9.6875V。經(jīng)過有關(guān)人員研究發(fā)現(xiàn)卡件內(nèi)部偏差與對電壓有非常密切聯(lián)系。當(dāng)GRE系統(tǒng)最終閥門開度值與閥門反饋偏差電壓處于正比時，控制卡會按照一定比例控制來打開閥門;而當(dāng)指令和閥位反饋偏差電壓低于零時，反之會按照一定比例關(guān)閉閥門，當(dāng)GRE系統(tǒng)最終閥門開度值為0時，也就是輸出值為4.0mA時。這時VICKERS卡值與閥位反饋偏差大約為0V-0. 312 5 V= -0. 312 5 V，這時閥門將會往關(guān)閉方向移動。當(dāng)GRE系統(tǒng)最終閥門開度值為100%時，也就是輸出質(zhì)量為20.0mA時，它們兩個之間的偏差因?yàn)?0 V-9. 687 5 V=0. 312 5 V，閥門會往打開方向移動。當(dāng)GER系統(tǒng)最終閥門值要低于3.125%時，閥門不會開啟，只有當(dāng)其值高于3.125%時，閥門才能真正開啟。這是一個指令死區(qū)，換句話而言，當(dāng)閥門全開時，開度值在96.875%～100%之間，閥門一直處于全開狀態(tài)，而當(dāng)閥門關(guān)閉時，開度值在0～3.125之間，閥門會一直保持關(guān)閉狀態(tài)。

2.2.4 給出100r/min轉(zhuǎn)速指令后，響應(yīng)滯后的原因

當(dāng)閥門控制指令到達(dá)3.125%時，那么需要8.6%的蒸汽，當(dāng)上升到3%蒸汽需求量時，一共需要25s，而從3%蒸汽上升到8.6%蒸汽時，則需要12s，這時汽機(jī)才逐漸加速，但跳機(jī)反饋信號被觸發(fā)。因此，在操作員確定程控升速后，汽輪機(jī)要隨著指令上升而上升，由于原設(shè)計當(dāng)中未將指令遷移元素納入其中，在蒸汽需求量逐漸提高到8.6%時，會開始提速，導(dǎo)致出現(xiàn)響聲滯后現(xiàn)象，引發(fā)在蒸汽流量到上升到8.6%后，汽機(jī)轉(zhuǎn)速卻停留在原地，從而觸發(fā)跳機(jī)信號[6]。

2.3汽輪機(jī)跳閘的處理方法

2.3.1修正軟件內(nèi)閥門指令信號

在原設(shè)計當(dāng)中，由于廠家沒有考慮到修正后GRE控制系統(tǒng)最終閥門指令遷移問題，導(dǎo)致閥門打開時間出現(xiàn)一定問題。經(jīng)過有關(guān)人員分析發(fā)現(xiàn)，將閥門開度指令由最初的0%～100%，改正到3.125%～96.875%后，能實(shí)現(xiàn)最終控制指令遷移。

2.3.2 延長時間

對于在7s內(nèi)轉(zhuǎn)速未提升到12r/min的問題，要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在不影響機(jī)組正常使用情況下，提高閥門速度，將判定時間延長，讓初始階段汽輪機(jī)能進(jìn)入充足汽體。

3結(jié)語

綜上所述，以上簡單介紹了汽輪機(jī)跳閘的原理以及一些跳閘原因，通過控制汽機(jī)系統(tǒng)和修改跳機(jī)來確保汽輪機(jī)的安全性與穩(wěn)定性，降低了跳機(jī)信號設(shè)計缺陷，給后續(xù)研究提供豐富數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：李陽（1991—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楹穗姍C(jī)組運(yùn)行。