涂雪紅，王強，張運德

（四川東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000）

1　前言

1.1　汽輪機保護系統(tǒng)

汽輪機保護系統(tǒng)是在汽輪機事故工況或汽輪機參數(shù)異常時，及時遮斷汽輪機，切斷機組進汽，保護機組安全，是保護汽輪機的核心。

1.2　典型核電汽輪機保護系統(tǒng)介紹

典型核電汽輪機保護系統(tǒng)主要由三重現(xiàn)場測量傳感器、I/O卡件、三冗余控制器、保護繼電器和三冗余液壓執(zhí)行機構(gòu)組成，見圖1。

圖1　典型核電汽輪機保護系統(tǒng)構(gòu)架

如圖1所示，典型核電汽輪機保護系統(tǒng)由三冗余現(xiàn)場測量元件，三重ETS保護控制器執(zhí)行三取二表決（PLC），三取二液壓執(zhí)行機構(gòu)等元器件構(gòu)成，完成機組的三取二表決跳機。

2　新型核電汽輪機保護系統(tǒng)

2.1　新型核電汽輪機保護系統(tǒng)構(gòu)架

新型汽輪機保護系統(tǒng)構(gòu)架有兩種，圖2為新型汽輪機保護系統(tǒng)構(gòu)圖一；圖3為新型汽輪機保護系統(tǒng)構(gòu)圖二。

新型核電汽輪機保護構(gòu)架由三冗余現(xiàn)場測量元件、冗余控制器、四列I/O卡件與四取二液壓執(zhí)行機構(gòu)組成?，F(xiàn)場三個信號在控制器內(nèi)進行三取二邏輯表決，輸出經(jīng)繼電器擴展成四列，在液壓執(zhí)行機構(gòu)上再執(zhí)行四取二表決邏輯，以實現(xiàn)汽輪機組跳機保護。

2.2　新型核電汽輪機保護系統(tǒng)設(shè)計遇到的問題

（1）由于測量傳感器不具備故障模擬功能，不能實現(xiàn)從傳感器本身故障的模擬，通道試驗實現(xiàn)元器件級需要從設(shè)計上考慮處理。

（2）由于新設(shè)計的核電汽輪機保護系統(tǒng)采用的是三列測量輸入信號，冗余控制器與四取二液壓遮斷機構(gòu)的構(gòu)架方式，造成在通道試驗時，無法將傳感器、控制器與執(zhí)行機構(gòu)像典型核電汽輪機保護系統(tǒng)那樣實現(xiàn)一對一匹配，需要采用新的設(shè)計理念完成通道試驗。

（3）通道試驗時對控制器內(nèi)三取二邏輯的驗證問題，由于機組采用的是三取二跳機邏輯，驗證時存在跳機的風(fēng)險，需要從控制邏輯流程上考慮以避免風(fēng)險。

圖2　新型汽輪機保護系統(tǒng)構(gòu)圖一

圖3　新型汽輪機保護系統(tǒng)構(gòu)圖二

2.3　新型核電汽輪機保護系統(tǒng)設(shè)計方案

2.3.1測量元件故障模擬設(shè)計

對于問題1，解決辦法是增加DO卡件和傳感器故障模擬繼電器，將故障模擬繼電器的常閉觸點串入傳感器測量信號鏈路中。當(dāng)試驗需求時，由控制邏輯觸發(fā)DO輸出，使繼電器的常閉觸點打開變?yōu)殚_觸點，將傳感器信號鏈路斷開，以實現(xiàn)故障模擬。

圖4　DO卡及傳感器故障模擬繼電器

如圖 4 所示，K31、K32、K33、K41、K42、K43、K51、K52、K53皆為故障模擬繼電器。在試驗時，上端輸出DO卡將驅(qū)動故障模擬繼電器動作，斷開傳感器信號鏈路，實現(xiàn)傳感器的故障模擬。

2.3.2通道分配設(shè)計

三列轉(zhuǎn)速測量卡輸出三個保護信號，在電氣回路電上通過繼電器擴展實現(xiàn)到四列執(zhí)行機構(gòu)的一一匹配。有兩種擴展方式，圖5為擴展方式一，圖6為擴展方式二。

圖5　三取二擴展方式一

圖6　三取二擴展方式二

擴展方式一(見圖5)需要輸出繼電器有四副常開觸點,前三列執(zhí)行機構(gòu)輸出使用三個繼電器的常開觸點，分別串入三列執(zhí)行機構(gòu)的供電回路中；第四列采用繼電器的兩路輸出觸點搭建三取二表決電路，串入第四路執(zhí)行機構(gòu)的供電回路中；剩余一副觸點直接與控制系統(tǒng)DI卡相連作為反饋。

擴展方式二(見圖6)則需要九副觸點，其中八副觸點分別搭建三取二表決回路，分別串入四列執(zhí)行機構(gòu)的供電回路中。

“三取二擴展方式一”與“三取二擴展方式二”之間的差別為：方式一可以從測量元件模擬到執(zhí)行機構(gòu)的整個通道回路；而方式二只能執(zhí)行到輸出繼電器。

采用“方式一”在轉(zhuǎn)速保護通道的試驗時不能對執(zhí)行器機構(gòu)第四通道進行試驗，第四通道不需要試驗的原因如下：（1）執(zhí)行機構(gòu)為四取二表決機構(gòu)，當(dāng)有三個通道能夠執(zhí)行指令時，可以完全遮斷機組；（2）在軟件監(jiān)視信號進行通道試驗時，可以對第四通道執(zhí)行機構(gòu)進行試驗。

3　新設(shè)計汽輪機保護系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1　轉(zhuǎn)速保護通道試驗流程設(shè)計

轉(zhuǎn)速保護通道試驗邏輯流程圖見圖7。

圖7　轉(zhuǎn)速保護通道試驗邏輯流程圖

3.2　轉(zhuǎn)速保護通道試驗邏輯設(shè)計

轉(zhuǎn)速保護通道試驗邏輯其詳細(xì)的順序控制邏輯描述如下：

在汽輪機沒有轉(zhuǎn)速傳感器故障的情況下，允許進行試驗；

操作員選擇進行試驗后，控制系統(tǒng)邏輯開始試驗總計時，并依次執(zhí)行三個通道傳感器故障模擬：當(dāng)故障模擬信號引發(fā)對應(yīng)通道轉(zhuǎn)速故障開始后對各通道試驗開始計時，等待對應(yīng)通道輸出執(zhí)行反饋；如各通道在規(guī)定時間內(nèi)未反饋回期望試驗結(jié)果，結(jié)束整個試驗并報試驗故障；當(dāng)各通道在規(guī)定時間內(nèi)反饋回來期望結(jié)果后，結(jié)束對應(yīng)通道試驗，延時確認(rèn)后觸發(fā)下一步試驗直至試驗成功或失敗。

在規(guī)定總時長內(nèi)，三個通道試驗仍未完成，結(jié)束試驗。使用者可以直接在試驗進行中選擇結(jié)束試驗并報試驗故障。

3.3　軟件檢測保護通道試驗流程

軟件檢測保護通道試驗流程見圖8。

圖8　軟件檢測保護通道試驗流程圖

3.4　軟件檢測保護通道試驗邏輯

軟件檢測保護通道試驗邏輯其詳細(xì)的順序控制邏輯描述如下：

當(dāng)無傳感器都故障時，操作員可以選擇執(zhí)行試驗。選擇進行試驗后，控制系統(tǒng)開始試驗總計時。然后依次執(zhí)行各通道傳感器(選一)故障模擬，并以軟件模擬相鄰?fù)ǖ拦收?，邏輯?zhí)行三取二跳機；屏蔽非試驗通道的指令輸出，讓試驗通道執(zhí)行器動作；如試驗通道在規(guī)定時間內(nèi)未反饋回試驗期望結(jié)果，結(jié)束整個試驗并報試驗故障；當(dāng)試驗通道在規(guī)定時間內(nèi)反饋回來期望結(jié)果后，結(jié)束試驗通道試驗，延時確認(rèn)后觸發(fā)下一通道試驗,直道試驗失敗或成功結(jié)束。

在規(guī)定總時長內(nèi)，四個通道試驗仍未完成，結(jié)束試驗。使用者可以直接在試驗進行中選擇結(jié)束試驗并報試驗故障。在試驗狀態(tài)下，任何非試驗鏈路傳感器故障將引發(fā)通道試驗的直接結(jié)束。

4　總結(jié)

新設(shè)計核電汽輪機保護系統(tǒng)采用國產(chǎn)平臺，由三冗余現(xiàn)場測量元件、冗余控制器、四列I/O卡件與四取二液壓執(zhí)行機構(gòu)組成。新設(shè)計汽輪機保護系統(tǒng)增加了現(xiàn)場傳感器故障模擬設(shè)備，讓現(xiàn)場設(shè)備故障模擬得以實現(xiàn)；對于三通道硬件轉(zhuǎn)速監(jiān)視輸出進行了三取二硬件擴展，實現(xiàn)了與四列液壓執(zhí)行機構(gòu)之間的匹配；采用新的設(shè)計流程與邏輯，實現(xiàn)了通道試驗貫穿整個執(zhí)行通道和三取二邏輯的功能驗證。新設(shè)計汽輪機保護系統(tǒng)能夠滿足汽輪機保護系統(tǒng)設(shè)計要求。

[1]蓋新華,陳濱,楊建民.200 MW汽輪機組機械超速危急遮斷系統(tǒng)改造的研究與實施[J].東北電力技術(shù)，2002,(12):11-16.

[2]包錦華,李剛.1000 MW超超臨界機組保護系統(tǒng)簡介.熱力透平,2009,38(4):277-279.

[3]白金.核電站安全級控制系統(tǒng)多樣性設(shè)計應(yīng)用研究[D].保定:華北電力大學(xué),2015.