胡琰軍，王君

（蘇州熱工研究院有限公司系統(tǒng)工程中心，廣東深圳 518124）

嶺澳核電廠汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)換型與優(yōu)化

胡琰軍，王君

（蘇州熱工研究院有限公司系統(tǒng)工程中心，廣東深圳 518124）

以嶺澳核電廠一期＃1，＃2機組為例，分析了汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)所用ALSTOM TYPE7系統(tǒng)在運行中存在的問題，采用epro GmbH生產(chǎn)的MMS6000系統(tǒng)對汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)進行了換型改造和通道優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

嶺澳核電廠；1000MW機組；汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)；MMS6000；換型與優(yōu)化

0 引言

汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)（TSI）在汽輪發(fā)電機組啟動、功率運行和停機過程中，對機組轉子和汽缸等設備的工作參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測、指示和記錄，當運行參數(shù)超出設定限值時能夠及時發(fā)出報警和停機信號，并為其他系統(tǒng)提供輸入、輸出接口等，是大型旋轉機械必不可少的監(jiān)視和保護系統(tǒng)。

嶺澳核電廠一期擁有2臺裝機容量1 000MW的壓水堆核電機組，其＃1，＃2機組分別于2002年5月和2003年1月建成并投入商業(yè)運行。機組投運后取得了優(yōu)異的運行業(yè)績，但部分系統(tǒng)和設備也存在改造升級的需求，其中由ALSTOM設計和供貨的TYPE7汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)就存在故障率高和備件停產(chǎn)等問題。經(jīng)過充分調(diào)研，于2012年1月和2013年3月使用MMS6000系統(tǒng)順利完成了嶺澳核電廠一期＃2和＃1機組汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)改造。

1 嶺澳核電廠一期汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)

1.1 改造背景

嶺澳核電廠一期汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)（系統(tǒng)三字碼為GME）作為機組運行狀態(tài)下對汽輪機的有效監(jiān)視手段，每臺機組分別有近百個監(jiān)測通道，部分通道的信號被送往集中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（KIT）、電度表和故障錄波儀系統(tǒng)（KKO）以及主控記錄儀（EN）、指示表（ID）等，用于顯示和記錄，其他通道的信號被送往警報處理系統(tǒng)（KSA）、汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（GRE）、汽輪機保護系統(tǒng)（GSE）等，用于功率調(diào)節(jié)、報警和跳機等。

嶺澳核電廠一期汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)改造前存在故障率高、備件停產(chǎn)、通道波動較大等問題，部分故障至今還沒有找到根本原因和解決方法，不能很好地實現(xiàn)對汽輪機狀態(tài)的監(jiān)視功能，且給機組的維修和運行帶來了極大的不便。其中部分故障是由軟件原因導致的，部分故障是由硬件自身的缺陷導致的，而產(chǎn)品停產(chǎn)也導致了庫存?zhèn)浼蛔愕葐栴}。經(jīng)綜合考慮和分析，嶺澳核電廠決定對一期汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)（包括傳感器和測量模塊等）進行整體換型改造。

1.2 測量通道

此次嶺澳核電廠一期汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)改造的范圍主要包括轉速、軸振、瓦振、偏心、鍵相、推力瓦磨損、高低壓缸脹差、絕對膨脹、發(fā)電機功率、閥位和凝結水泵振動等測量通道。其中，閥位測量的原理、方式和脹差類似，凝結水泵振動測量的原理、方式和汽輪機水平瓦振測量原理完全一致，本文不再單獨對閥位和凝結水泵振動測量通道進行介紹。

1.2.1 轉速

汽輪機的轉速值是機組啟、停以及穩(wěn)定運行時的重要參數(shù)，轉速和振動等參數(shù)密切相關。嶺澳核電廠一期轉速測量通道由4個（加上備用傳感器共5個）裝于機頭前箱正對60齒盤的傳感器和測量模塊等組成，其測量范圍為0～4 000 r／min，而功率運行期間的正常工作轉速為3000 r／min。

1.2.2 軸振（轉子振動）

對于旋轉設備而言，轉子徑向振動幅度是衡量其全面的運行狀況的一個最基本指標。很多機械故障，包括轉子不平衡、不對中、軸承磨損以及摩擦等都可根據(jù)振動進行探測。嶺澳核電廠一期機組同一軸承位置安裝有2個相同的軸振傳感器，安裝方向相互垂直。當傳感器端部與轉軸表面間隙變化時，傳感器輸出一個交流信號到測量模塊，測量模塊計算出間隙變化（即振動）的峰-峰值。嶺澳核電廠一期每臺機組有24個軸振測量通道，其測量范圍為0～500μm，報警值為135μm。

1.2.3 瓦振（軸承座振動）

轉子的振動可以傳遞到軸承座上，利用速度傳感器測量機殼相對于自由空間的運動速度，測量模塊把從傳感器送來的速度信號進行檢波和積分變成位移值，并計算出相應的峰-峰值。嶺澳核電廠一期每臺機組有24個瓦振（垂直和水平）測量通道，其測量范圍為0～250μm，報警值為64μm。

1.2.4 偏心和鍵相

轉子的偏心位置也叫軸的徑向位置，是轉子在軸承中的徑向平均位置。轉子偏心測量可作為軸承磨損及預加負荷狀態(tài)（如不對中）的一種指示。嶺澳核電廠一期的偏心測量模塊接收2個傳感器信號輸入。鍵相傳感器用于觀察轉子上的一個鍵槽，轉子每旋轉一周就產(chǎn)生一個脈沖電壓信號，鍵相信號可用于指示偏心和振動的相位。嶺澳核電廠一期每臺機組有4個偏心測量通道，其測量范圍為0～500 μm，報警值為135μm。

1.2.5 推力瓦磨損

轉子在運行過程中由于各種因素會使其在軸向有所移動，這樣轉子和推力軸承之間有可能發(fā)生動靜摩擦，所以需用傳感器測量轉子相對于推力瓦之間位置的變化，即轉子在軸向相對于止推軸承上推力瓦的間隙。目前，嶺澳核電廠一期在前后側推力瓦上各安裝了2個傳感器（以及1個備用傳感器）進行推力瓦磨損測量，任意一側“2取2”后進行跳機保護輸出。嶺澳核電廠一期每臺機組有6個推力瓦磨損測量通道（包括4個在線通道以及2個備用通道），其測量范圍為-0.5～1.0mm，報警值為0.5 mm，跳機值為0.7mm。

1.2.6 脹差

脹差測量的是轉子和汽缸之間的相對熱增長情況，當熱增長的差值超過允許間隙時，便可能產(chǎn)生摩擦。監(jiān)視脹差值的目的是在轉子和汽缸產(chǎn)生摩擦之前采取必要的措施來保證機組的安全。嶺澳核電廠一期每臺機組有4個脹差測量通道，包括1個高壓缸脹差測量通道和3個低壓缸脹差測量通道。其中，高壓缸脹差測量通道的量程為-5～7mm（報警值分別為-3.5mm和3.0mm），3個低壓缸脹差測量通道的測量范圍為-10～40mm（＃1低壓缸的報警值為-0.7mm和9.8 mm，＃2低壓缸的報警值為-1.5mm和19.4mm，＃3低壓缸的報警值為-2.2 mm和28.9mm）。

1.2.7 絕對膨脹

汽輪機在啟機過程中由于受熱使汽缸膨脹，如果膨脹不均勻就會導致汽缸變斜或翹起，這種變形會使汽缸與基礎之間產(chǎn)生巨大的應力，由此帶來不對中現(xiàn)象。對機組的汽缸絕對膨脹和轉子與汽缸之間的脹差進行測量，就可以掌握轉子和汽缸的膨脹情況。嶺澳核電廠一期絕對膨脹測量使用的是線性可變差動變壓器（LVDT），其鐵芯與汽缸連接，而線圈部分固定在基礎上。嶺澳核電廠一期每臺機組有2個絕對膨脹測量通道，其測量量程為0～25mm，僅有模擬量顯示輸出，沒有報警輸出。

1.2.8 發(fā)電機功率

對發(fā)電機功率的測量和監(jiān)視是嶺澳核電廠一期汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)區(qū)別于其他多數(shù)常規(guī)火電廠的功能之一。汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)的測量模塊接收上游其他系統(tǒng)提供的標準4～20mA信號，對應0～1200MW，通過閾值比較和輸出擴展，為汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)等其他系統(tǒng)和儀表輸出模擬量和開關量信號，用于功率調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)記錄和顯示。汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)在電廠功率的測量和調(diào)節(jié)等過程中起著承前啟后的關鍵作用，通道的高精度、可靠性和穩(wěn)定性是其主要特點。

2 改造后的汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)

2.1 MMS6000系統(tǒng)

改造后汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)的總體結構如圖1所示，其中EPRO公司生產(chǎn)的電渦流、速度式和LVDT等傳感器安裝在汽機廠房的汽輪發(fā)電機固定基礎和軸瓦等設備上，傳感器信號通過自帶的延伸電纜送至汽機平臺的就地端子箱內(nèi)，再通過改造前原有的電纜送往電氣廠房內(nèi)的信號處理柜GME001AR BAY1和BAY2，經(jīng)過MMS6000系統(tǒng)的信號處理和邏輯組態(tài)后通過改造前原有的電纜送往其他系統(tǒng)進行顯示、控制和保護等，同時所有測量數(shù)據(jù)以通信方式從BAY1送至BAY3內(nèi)改造新增的汽輪機振動分析和故障診斷（TDM）系統(tǒng)。

改造前，嶺澳核電廠一期的TYPE7系統(tǒng)安裝在電氣廠房的2個機柜內(nèi)，共裝有4個測量處理機架系統(tǒng)。為盡可能減少現(xiàn)場的電纜敷設等工作，改造后2個集成了MMS6000系統(tǒng)的機柜（GME001AR BAY1和BAY2）仍然安裝在電氣廠房內(nèi)原TYPE7系統(tǒng)機柜的位置，主要由5個機架（GME001／002／003／004／005CQ）及安裝在機架內(nèi)的測量模塊以及安裝在機柜內(nèi)的電源模塊、通信模塊、輸出隔離卡和繼電器等設備組成，其中BAY1內(nèi)安裝有3個機架、BAY2內(nèi)安裝有2個機架，每個機架最多可以安裝14個測量模塊，每個測量模塊包括2個通道。每個機柜配有2個冗余電源模塊，安裝于機架附近的柜內(nèi)端子排上。

MMS6000系統(tǒng)不同類型的通道使用不同的測量模塊，嶺澳核電廠一期改造后使用的模塊主要有以下幾類：MMS6312，轉速／鍵相測量模塊；MMS6220，偏心測量模塊；MMS6110，軸振測量模塊；MMS6120，瓦振／凝結水泵振動測量模塊；MMS6210，推力瓦磨損／脹差／閥位測量模塊；MMS6410，絕對膨脹測量模塊；MMS6620，功率測量模塊。

圖1 MMS6000系統(tǒng)結構

各測量模塊一般為雙通道，內(nèi)置微型控制器并帶有標準RS485與RS232接口，其中RS232接口用于數(shù)據(jù)讀取和組態(tài)設置，RS485接口用于通信。通過便攜式計算機上的專用軟件MMS6910可對各測量模塊進行組態(tài)設置，如設置傳感器類型、量程、測量方式、報警值和報警延時時間、通道地址等，并可進行各通道的線性采集。

各測量模塊由同一機柜內(nèi)的2個冗余電源模塊供給24 V DC電源，作為內(nèi)部可調(diào)傳感器的供給電壓或電流，并設有傳感器和回路自檢裝置，模塊的輸出端連接信號輸出隔離卡和繼電器等輔助設備。

2.2 TDM系統(tǒng)

此次改造在電氣廠房新增加了1個（BAY3）機柜，用于安裝MMS6851的TDM系統(tǒng)，系統(tǒng)連接圖如圖2所示。該系統(tǒng)采用Windows XP操作平臺，數(shù)據(jù)管理采用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫結構，具有實時數(shù)據(jù)采集、分析、存儲和顯示、歷史資料查詢和分析、振動特征分析、動平衡和故障診斷等多種功能。MMS6851系統(tǒng)通過專用的數(shù)據(jù)采集和通信模塊MMS6823與＃1機柜和＃2機柜（圖2中省略）內(nèi)的MMS6000系統(tǒng)各測量模塊的數(shù)據(jù)總線建立通信，并獲取實時測量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的通信協(xié)議為TCP／IP，最終由上位機通過顯示器和打印機實現(xiàn)圖形、報表和故障診斷結果的顯示和打印輸出。

新增MMS6851系統(tǒng)的在線監(jiān)測功能主要包括以下幾類：實時波形圖、實時軸心軌跡、振動諧波分量、實時趨勢圖、實時棒圖和實時波特圖等。相比于改造前，新增系統(tǒng)使啟、停機階段能夠更直觀和快捷地對機組轉速、振動、脹差和推力瓦磨損等參數(shù)進行實時監(jiān)視，其歷史數(shù)據(jù)和歷史報警的記錄功能也為日常通道故障排查等工作提供了方便。

圖2 MMS6851系統(tǒng)連接圖

2.3 新舊系統(tǒng)對比

MMS6000系統(tǒng)的各測量模塊均支持熱插拔和在線組態(tài)，相較于改造前的TYPE7系統(tǒng)，改造后的系統(tǒng)更便于現(xiàn)場維修，且更加分散的通道布置減少了單個模塊或通道故障對系統(tǒng)的影響范圍。另外，測量模塊的軟件組態(tài)和通道校驗也較改造前更為方便，而新增加的TDM系統(tǒng)為汽輪機狀態(tài)的監(jiān)視和故障分析等提供了更為有利的手段。

2.3.1 通道布置和主要硬件對比

由于改造后MMS6000系統(tǒng)的測量模塊均為兩通道設計，為部分重要通道的分散布置提供了有利條件，而改造前的測量模塊通道集成度過高，導致部分通道的布置不合理。以此次改造中的推力瓦磨損保護通道為例，推力瓦磨損通道的跳機邏輯如圖3所示，即前側2個通道（GME037MV和GME038MV）同時出現(xiàn)高高信號或后側2個通道（GME039MV和GME040MV）同時出現(xiàn)高高信號并持續(xù)1 s以上，則輸出到汽輪機保護系統(tǒng)（GSE）進行跳機。

圖3 推力瓦磨損通道跳機邏輯示意

改造前通道布置情況：左側前（GME037MV）和左側后（GME039MV）2個推力瓦磨損通道布置在同一個測量模塊上，位于＃2機柜SUBRACK2的＃0測量模塊的通道2和通道3；右側前（GME038MV）和右側后（GME040MV）2個推力瓦磨損通道布置在同一個測量模塊上，位于＃2機柜SUBRACK2的＃1測量模塊的通道2和通道3。按照改造前的布置情況，當上述2個測量模塊中的任意一個出現(xiàn)故障后（測量模塊故障后其所有通道的輸出均為低值信號），將導致前側和后側各有一個推力瓦磨損通道的輸出為低值，如果此時現(xiàn)場恰好出現(xiàn)真實的推力瓦磨損高，該模塊上的2個通道無法正常動作，即相當于某一個測量模塊故障后將導致推力瓦磨損的兩列“2取2”通道均不可用。

改造后，4個推力瓦磨損通道GME037／038／039／040MV分別布置在4個不同的測量模塊上。任意一個測量模塊故障僅影響一個推力瓦磨損通道，即僅有一側的“2取2”跳閘通道不可用，另一側的“2取2”跳閘通道可正常工作，極大地降低了保護拒動的風險。另外，改造前的前側備用通道GME083MV和后側備用通道GME084MV僅在就地安裝了傳感器和前置器，并沒有對前置器進行供電，且在主控室或電氣廠房內(nèi)均沒有測量值的顯示。改造后，GME083／084MV的信號通過新增的電纜送到了電氣廠房ISI＃2機柜的2個測量模塊上，并通過通信方式將測量值送到＃3機柜新增加的TDM系統(tǒng)進行顯示，當同一側2個保護通道的測量值偏差較大時，可通過比對同側備用通道的讀數(shù)來進行快速的故障判斷和排查，如果此時存在真實的推力瓦磨損高信號而又沒有自動觸發(fā)跳機信號，則操縱員可根據(jù)備用通道的測量值進行緊急情況下的快速手動打閘等。

另外，由于同一個MPSS的4個MPU使用的是一個電源模塊供電，而MPU不支持熱插拔，如果機組運行期間需要更換某個故障測量模塊，則需同時斷掉整個機架的供電。以BAY2的SUBRACK2為例，如果其中任意一個MPU故障需要更換，則會導致所有4個MPU斷電，則4個推力瓦磨損通道和該機架上的其他所有通道均不可用，將對機組的運行造成較大的風險。改造后，如果某個測量模塊故障，則可在對該模塊通道進行風險分析后直接在線更換和組態(tài)即可，無需斷電，且更換過程中不會影響其他模塊的正常工作。

改造后的測量模塊在通道故障排查方面也較改造前更為方便和快捷。改造前每個測量模塊的12個通道共用1個故障或閾值報警指示燈，出現(xiàn)報警后不便于快速定位到具體某一個通道。改造后的每個通道對應一個故障或閾值報警指示燈，在出現(xiàn)故障或閾值報警后可進行通道的快速定位。

2.3.2 組態(tài)軟件對比

改造前，TYPE7系統(tǒng)MPU的組態(tài)軟件為MSDOS環(huán)境，人機界面不夠友好，操作和使用不方便。改造后，MMS6000系統(tǒng)的測量模塊組態(tài)軟件可安裝于WIN 98／WIN NT／WIN XP／WIN 7等目前市場上常用的操作系統(tǒng)中，安裝完成后將會在操作系統(tǒng)界面上生成一個MMS6910 Configuration的快捷方式，雙擊后打開輸入登錄的用戶名和密碼即可進入組態(tài)界面，如圖4所示。MMS6910組態(tài)軟件可選擇英文／中文等多種語言環(huán)境，使用該組態(tài)軟件可新建組態(tài)文件，也可以對已經(jīng)保存的或現(xiàn)場模塊內(nèi)的組態(tài)文件進行修改。

每個組態(tài)文件主要包括以下部分：選擇測量模塊和傳感器的類型，電廠、設備和通道的名稱，測量量程和單位，輸入、輸出類型選擇和閾值設定，通信相關的數(shù)據(jù)采集的截止頻率、采樣時間間隔和波特率等。

改造后測量模塊組態(tài)軟件的人機界面更為友好，參數(shù)設置更為直觀和方便，極大地減少了設備維護和通道組態(tài)工作量。

3 實施過程中的問題及解決方案

3.1 轉速通道導致盤車跳閘

大修改造實施期間，參照停機時測量的轉速傳感器的定位電壓值（-12.9～-23.0 V），轉速通道的脈沖觸發(fā)電壓設定為-16 V（上升沿）／-15 V（下降沿）。盤車開始后轉子出現(xiàn)輕微的頂偏，導致

圖4 改造后通道組態(tài)界面

轉速傳感器測量電壓和大修停機時的定位電壓存在偏差，其中GME004MC的電壓值為-23.0～-15.1 V，無法觸發(fā)下降沿，使該通道無法識別轉速脈沖，轉速顯示和輸出持續(xù)為0，導致第1次盤車時馬達跳閘。

經(jīng)過對機組盤車和功率運行期間轉速通道傳感器電壓的錄波和分析，項目組討論決定將測量模塊內(nèi)的脈沖觸發(fā)電壓由-16V（上升沿）／-15V（下降沿）修改為-20 V（上升沿）／-19 V（下降沿），GME004MC工作正常，盤車正常投運，機組轉速測量準確。

3.2 功率通道導致逆功率保護動作

3個有功功率測量通道GME001／002／003MW的4～20mA量程對應實際功率0～1 200MW，改造后通道超限故障電壓分別設置為3.8mA和20.2 mA。大修后的并網(wǎng)瞬間出現(xiàn)了-30MW（對應3.6 mA）的逆功率，低于GME001／002／003MW測量模塊的故障電壓限值3.8mA，由于在軟件組態(tài)中勾選了Current suppression功能，使得測量模塊在檢測到測量值超低限后，輸出瞬間跳變?yōu)?mA，汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（GRE）檢測到汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)（GME）的電流小于3.2mA以后停止自動升功率，轉為手動控制并觸發(fā)報警，后由操縱員手動升功率至最小負荷50MW。

經(jīng)過對舊的TYPE7系統(tǒng)的試驗，發(fā)現(xiàn)其在上游電氣信號為0～20mA時，測量模塊的輸出完全跟隨上游電氣信號，當上游電氣信號大于20mA時，輸出維持在20mA。綜合舊系統(tǒng)的試驗結果，項目組對新系統(tǒng)的3個有功功率通道重新進行了組態(tài)，修改后當上游電流輸入信號在0～20mA時其輸出完全跟隨上游信號，當上游電流輸入信號大于20mA時其輸出維持在20mA，避免了GME001／002／003MW的測量模塊在輸入信號超限之后輸出跳變?yōu)?mA事件的發(fā)生。

3.3 鍵相傳感器安裝間隙偏小

按照設備供應商的要求，改造后鍵相傳感器GME065MV的最初安裝間隙定為1.0mm（改造前定位間隙為1.5mm），轉子沖轉后，由于轉子頂偏和膨脹等因素，傳感器和轉子的間隙縮小，兩者存在摩擦的潛在風險，有可能損壞傳感器。

鍵相通道測量模塊面板上的通道故障指示燈閃爍后，連接記錄儀對傳感器信號進行錄波，發(fā)現(xiàn)波形中比理論多出了一個小毛刺（其電壓為-2V左右），導致波形電壓超出了通道電壓限值-26.2～-3.5V，觸發(fā)通道故障報警，提示傳感器安裝間隙過小。項目組隨后利用沖轉期間超速試驗后的惰轉窗口對現(xiàn)場傳感器的安裝間隙進行了調(diào)整，由1.0mm調(diào)整至1.5 mm，相當于將傳感器和轉子之間的間隙增加了0.5 mm，確保了傳感器的安全測量。

4 結束語

此次改造利用嶺澳核電廠一期2臺機組換料大修和啟停機的窗口對新系統(tǒng)進行了充分的功能再鑒定，保證了新系統(tǒng)在各種運行工況下的正常工作，新系統(tǒng)投運至今運行穩(wěn)定，極大地減少了現(xiàn)場維護的成本，并提高了機組的安全運行水平。由于大修窗口和檢修人力等因素的限制，改造部門在現(xiàn)場實施前多次與大修計劃、主機和儀表檢修等部門進行充分的溝通，做好了詳細的實施計劃，并建立了一個暢通的信息通報機制，為項目的順利完成提供了有效保證。

（本文責編：白銀雷）

TK 32

：A

：1674-1951（2015）05-0004-05

胡琰軍（1985—），男，廣東深圳人，工程師，從事核電廠儀控改造方面的工作（E-mail：huyanjun＠cgnpc.com.cn）。

2014-11-18；

2015-03-10