李陽(yáng) 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(guò)掛閘后速度提升時(shí)，通過(guò)對(duì)跳機(jī)過(guò)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(lái)解決沖轉(zhuǎn)跳閘問(wèn)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(guó)內(nèi)某核電廠是由沖動(dòng)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(gè)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(gè)進(jìn)汽渠道，每個(gè)進(jìn)汽口內(nèi)都安裝一個(gè)調(diào)節(jié)閥與截止閥，對(duì)通道內(nèi)汽體進(jìn)行有效控制。而截止閥通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制新蒸汽，當(dāng)出現(xiàn)跳機(jī)命令后，安全油壓電磁閥會(huì)出現(xiàn)短暫斷電狀態(tài)，同時(shí)安全油壓會(huì)及時(shí)泄壓，截止閥會(huì)及時(shí)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(guò)對(duì)應(yīng)的閥門(mén)控制卡來(lái)控制閥門(mén)開(kāi)合。高壓缸排汽在經(jīng)過(guò)汽水分離后，再經(jīng)過(guò)熱氣進(jìn)行加熱，會(huì)從4個(gè)方面流入中壓缸當(dāng)中，而中壓缸內(nèi)安裝有4個(gè)進(jìn)汽通道，每個(gè)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(shí)，會(huì)將以上閥門(mén)開(kāi)關(guān)全部打開(kāi)。

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(tái)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(lái)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(dòng)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(lái)控制機(jī)組功率、頻率、壓力等方面，并對(duì)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(hào)時(shí)，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(gè)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(huì)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(pán)車(chē)轉(zhuǎn)速8r/min，當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)20s后自動(dòng)跳閘，進(jìn)汽閥門(mén)會(huì)自動(dòng)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(guò)檢查操作員報(bào)警列表與歷史趨勢(shì)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(cè)轉(zhuǎn)速故障信號(hào)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(guò)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(huì)讓整個(gè)過(guò)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(mén)控制

經(jīng)過(guò)有關(guān)人員分析發(fā)現(xiàn)，傳感器通過(guò)直線位移傳感器探頭來(lái)組成不同閥門(mén)反饋信號(hào)，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(cè)系統(tǒng)，通過(guò)3種系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行閥門(mén)調(diào)節(jié)計(jì)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(mén)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(gè)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(guò)以上這種傳感器輸出流量規(guī)定，能有效控制閥門(mén)傳遞的閥位反饋信號(hào)，當(dāng)其全關(guān)時(shí)信號(hào)為4.5mA;當(dāng)閥門(mén)全開(kāi)到位時(shí)，其信號(hào)為19.5mA。但如果不采用遷移，那么閥位反饋信號(hào)只會(huì)開(kāi)度到3.125%;而當(dāng)其將開(kāi)度到最大程度時(shí)，開(kāi)度值為96.875%;衍生出來(lái)的關(guān)系為反饋電流在4.5mA～19.5mA，對(duì)應(yīng)開(kāi)度值應(yīng)為3.125%～96.875%（見(jiàn)圖2）。

汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)接受的閥位信號(hào)會(huì)直接控制汽輪機(jī)進(jìn)汽開(kāi)度值，為了確保GRE系統(tǒng)計(jì)算準(zhǔn)確性與邏輯性，需要將上述閥門(mén)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(mén)開(kāi)度遷移公式為 Y =100× （X-3. 125） /（96. 875-3. 125）但在計(jì)算閥門(mén)開(kāi)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(mén)位移傳感器與汽機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)會(huì)將最終開(kāi)度命令傳輸?shù)綄?zhuān)門(mén)閥門(mén)控制卡內(nèi)。是通過(guò)蒸汽需求總量嚴(yán)格根據(jù)閥門(mén)控制曲線計(jì)算，將閥位反饋信號(hào)傳遞到VICKERS卡上，再由控制卡將信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)。為了解決最終閥門(mén)開(kāi)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(guò)初始指令與積分相加所得出[4]?？刂瓶ㄊ怯脕?lái)獲取GRE控制系統(tǒng)閥門(mén)最終指令，當(dāng)實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)與指令信號(hào)相減得出的結(jié)果出現(xiàn)偏差時(shí)，要通過(guò)PI閉環(huán)進(jìn)行計(jì)算，才能獲得閥門(mén)開(kāi)度指令，整個(gè)電壓轉(zhuǎn)化過(guò)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(hào)，才能將閥門(mén)調(diào)節(jié)到規(guī)定值;LVDT則負(fù)責(zé)將閥門(mén)開(kāi)度值傳遞給控制卡[5]。

2.2.3? GRE控制系統(tǒng)最終閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)的死區(qū)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試期間，對(duì)LVDT反饋信號(hào)進(jìn)行更改，定義為4.5mA～19.5mA。同時(shí)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(guò)有關(guān)人員研究發(fā)現(xiàn)卡件內(nèi)部偏差與對(duì)電壓有非常密切聯(lián)系。當(dāng)GRE系統(tǒng)最終閥門(mén)開(kāi)度值與閥門(mén)反饋偏差電壓處于正比時(shí)，控制卡會(huì)按照一定比例控制來(lái)打開(kāi)閥門(mén);而當(dāng)指令和閥位反饋偏差電壓低于零時(shí)，反之會(huì)按照一定比例關(guān)閉閥門(mén)，當(dāng)GRE系統(tǒng)最終閥門(mén)開(kāi)度值為0時(shí)，也就是輸出值為4.0mA時(shí)。這時(shí)VICKERS卡值與閥位反饋偏差大約為0V-0. 312 5 V= -0. 312 5 V，這時(shí)閥門(mén)將會(huì)往關(guān)閉方向移動(dòng)。當(dāng)GRE系統(tǒng)最終閥門(mén)開(kāi)度值為100%時(shí)，也就是輸出質(zhì)量為20.0mA時(shí)，它們兩個(gè)之間的偏差因?yàn)?0 V-9. 687 5 V=0. 312 5 V，閥門(mén)會(huì)往打開(kāi)方向移動(dòng)。當(dāng)GER系統(tǒng)最終閥門(mén)值要低于3.125%時(shí)，閥門(mén)不會(huì)開(kāi)啟，只有當(dāng)其值高于3.125%時(shí)，閥門(mén)才能真正開(kāi)啟。這是一個(gè)指令死區(qū)，換句話(huà)而言，當(dāng)閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，開(kāi)度值在96.875%～100%之間，閥門(mén)一直處于全開(kāi)狀態(tài)，而當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，開(kāi)度值在0～3.125之間，閥門(mén)會(huì)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(mén)控制指令到達(dá)3.125%時(shí)，那么需要8.6%的蒸汽，當(dāng)上升到3%蒸汽需求量時(shí)，一共需要25s，而從3%蒸汽上升到8.6%蒸汽時(shí)，則需要12s，這時(shí)汽機(jī)才逐漸加速，但跳機(jī)反饋信號(hào)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(jì)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(shí)，會(huì)開(kāi)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(hào)[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(mén)指令信號(hào)

在原設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于廠家沒(méi)有考慮到修正后GRE控制系統(tǒng)最終閥門(mén)指令遷移問(wèn)題，導(dǎo)致閥門(mén)打開(kāi)時(shí)間出現(xiàn)一定問(wèn)題。經(jīng)過(guò)有關(guān)人員分析發(fā)現(xiàn)，將閥門(mén)開(kāi)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(zhǎng)時(shí)間

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

3結(jié)語(yǔ)

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

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