嶺澳核電站一期汽動給水泵超速保護裝置改造成功經(jīng)驗

胡琰軍，和白露

（1.大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司技術(shù)部，廣東 深圳518124；2.大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司維修部，廣東 深圳518124）

汽動主給水泵系統(tǒng)（APP）是嶺澳核電站一期2臺機組二回路的重要系統(tǒng)，承擔(dān)了為蒸汽發(fā)生器持續(xù)提供給水的任務(wù)。為了能夠保證汽動主給水泵的持續(xù)穩(wěn)定工作，設(shè)計了諸多的監(jiān)測、控制和保護回路，其中超速保護系統(tǒng)就是為了避免汽動主給水泵由于超速導(dǎo)致?lián)p壞而配備的保護裝置。作為保護系統(tǒng)，該裝置必須具備穩(wěn)定性好、可靠性高、動作及時、故障率低等特點。然而作為模擬電子板件為主體的設(shè)備，其現(xiàn)場使用壽命有限，可靠性隨著使用年限的增加而逐年下降；再加上電廠庫存?zhèn)浼蛔恪⒃O(shè)備停產(chǎn)、供應(yīng)商無法供貨等原因，造成備件短缺，嚴(yán)重威脅著APP系統(tǒng)和電廠的安全穩(wěn)定運行。汽動主給水泵超速保護裝置（L1／2APP102／202UC）的換型改造勢在必行。

本文通過分析，闡述了改造的必要性和可行性，并對相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的功能、性能參數(shù)以及改造過程等進行了描述。

1 系統(tǒng)及設(shè)備簡述

1.1 APP系統(tǒng)

嶺澳核電站一期每臺汽輪發(fā)電機組均設(shè)置了3臺給水泵，其中2臺給水泵由汽輪機驅(qū)動，即APP汽動主給水泵（簡稱APP泵），承擔(dān)機組日常運行的基本負荷；另外1臺給水泵由電動機驅(qū)動，即APA泵（APA為電動主給水泵系統(tǒng)）。日常機組運行期間APP泵連續(xù)運轉(zhuǎn)，APA泵作為備用；如果有1臺APP泵因事故跳閘，則APA泵將在接到APP泵跳閘信號后的8～10s內(nèi)自動啟動并帶負荷。嶺澳核電站一期單臺APP泵的最大容量為75%機組額定給水流量，每臺APP泵由增壓泵（前置泵）、汽輪機、減速齒輪箱、壓力級泵等組成（圖1）。

當(dāng)汽輪發(fā)電機組負荷高于70%時，APP泵小汽輪機的進汽由汽－水分離再熱器系統(tǒng)（GSS）抽汽供給；機組負荷低于70%時，由主蒸汽系統(tǒng)（VVP）中的新蒸汽補充抽汽量的不足。增壓泵的供水來自除氧器的存水箱，給水經(jīng)升壓后進入壓力級泵，壓力級泵將給水送至高壓加熱器（AHP），再到給水流量控制系統(tǒng)（ARE），最后到蒸汽發(fā)生器。APP泵作為二回路的心臟，為給水循環(huán)提供源動力（圖2）。

圖1 APP泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the turbine－driven feedwater pump

圖2 APP泵給水回路示意圖Fig.2 Water loop sketch of the turbine－driven feedwater pump

1.2 ENTEK 6611系列超速保護裝置

機組日常運行期間，嶺澳核電站一期APP泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式設(shè)定為自動模式，根據(jù)ARE給出的4～20mA的信號進行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4 600r／min左右。為了避免APP泵因超速而損壞，核電廠專門為每臺泵設(shè)計了一套超速保護裝置L1／2APP102／202UC，在小汽輪機的轉(zhuǎn)速達到設(shè)定的上限值5 573r／min時，自動觸發(fā)APP泵跳閘。該超速保護裝置安裝在APP泵平臺上的控制保護機柜L1／2APP101／201AR內(nèi)。

改造前，APP泵的超速保護裝置使用的是ENTEK IRD公司生產(chǎn)的ENTEK 6611系列汽輪機超速跳閘系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1個6679信號輸入和檢測模塊、3個6675速度顯示和監(jiān)測模塊、1個6678繼電器模塊和供電模塊6691構(gòu)成（圖3）。

圖3 ENTEK 6611汽輪機速保護裝置原理圖Fig.3 Schematic diagram of the ENTEK 6611turbine overspeed protection system

每臺APP泵的超速保護系統(tǒng)設(shè)置了4個磁阻式傳感器（JAQUET公司生產(chǎn)），其中1個作為備用，其他3個傳感器用來測量泵的轉(zhuǎn)速并將信號送入6679模塊。6679模塊識別傳感器信號的正確性，并在面板上以3個TX OK燈分別表示3個輸入信號的健康狀態(tài)；6679模塊還可以選擇各個通道模擬相應(yīng)的轉(zhuǎn)速信號。6675模塊用來顯示每個通道的轉(zhuǎn)速，設(shè)置跳機轉(zhuǎn)速定值以及改變每個通道跳閘繼電器的翻轉(zhuǎn)特性；嶺澳核電站一期APP泵的超速定值設(shè)定在5 573r／min。6678繼電器模塊用來實現(xiàn)3取2跳閘邏輯，當(dāng)3個通道中有2個或以上的通道轉(zhuǎn)速測量值大于5 573r／min時，繼電器動作，輸出跳閘信號。為了保證超速保護單元可靠性，系統(tǒng)設(shè)置了220VAC和125VDC轉(zhuǎn)換成24VDC的雙路供電。

以給水泵的小汽輪機L1／2APP101TC為例，其超速保護裝置的4個磁阻式傳感器的功能 位 置 編 碼 分 別 為 L1／2APP151／152／153／154MC（其中154MC為備用傳感器），依次安裝在軸承座的支架上（圖4）。

圖4 磁阻式速度傳感器安裝示意圖Fig.4 Installation sketch of the electromagnetic speed sensor

2 改造背景和過程

在嶺澳核電站一期投產(chǎn)初期，ENTEK 6611超速保護裝置已出現(xiàn)部分模塊庫存?zhèn)浼倘钡膯栴}，另有部分模塊庫存?zhèn)浼募夹g(shù)參數(shù)與現(xiàn)場所使用的模塊不一致，無法直接更換使用。

鑒于APP泵超速保護裝置正常運行的需要及其重要性，電廠備件采購小組于2007年進行了該系列備件的詢價和采購。2008年6月，ROCKWELL／ENTEK 公 司 發(fā) 函 申 明：ENTEK66＊＊系列產(chǎn)品已于2004年停產(chǎn)（升級為XM系列），提供備件的難度增大，價格較高，且暫時無法供應(yīng)嶺澳核電站一期超速保護裝置所需要的備件。

為了確保機組APP泵的安全穩(wěn)定運行和二回路的正常給水，核電廠于2009年年初開始進行APP泵超速保護裝置換型改造的可行性和必要性研究。在綜合考慮機組的安全穩(wěn)定運行、改造的成本／收益比等因素后，決定盡快對該系統(tǒng)進行換型改造。

經(jīng)過調(diào)查分析，綜合產(chǎn)品的質(zhì)量、價格和技術(shù)參數(shù)等各方面因素，最終選擇了原設(shè)備制造商ROCKWELL／ENTEK公司生產(chǎn)的XM系列超速監(jiān)測保護系統(tǒng)對APP泵的超速保護裝置進行換型改造。

APP泵超速保護裝置改造的初步設(shè)計方案于2009年6月通過了大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司電廠技術(shù)委員會（PEC）的審查，于2009年10月完成了設(shè)備采購合同簽訂和詳細設(shè)計審批，并分別于2009年12月和2010年2月在嶺澳核電站2號機組第7次大修（L207）和1號機組第8次大修（L108）完成了2臺機組的現(xiàn)場改造。

3 XM系列電子超速保護裝置

3.1 保護系統(tǒng)的組成及功能

改造后的XM系列電子超速保護系統(tǒng)（簡稱EODS）是高可靠性、冗余的系統(tǒng)，充分滿足了美國國家石油協(xié)會的API 670和API 612標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計初衷是為了避免燃氣和蒸汽汽輪機超速所帶來的極大災(zāi)難。EODS可以獨立運行，也可以作為其他系統(tǒng)的一部分進行工作，比如可以為可編程序邏輯控制器（PLC）、分散控制系統(tǒng)（DCS）或其他狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)等。但是從電廠的實際情況以及系統(tǒng)的可靠性等方面考慮，目前嶺澳核電站一期僅僅是將其作為獨立的汽動給水泵超速保護系統(tǒng)來使用。

該超速保護單元由3個XM－220雙通道速度監(jiān)測模塊、斷電器1個XM－442表決模塊、1個PanelView 600彩色操作員界面和1套冗余電源模塊組成（圖5）。

圖5 EODS結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of the electronic overspeed detection system

XM－220模塊用來測量實時轉(zhuǎn)速并在該通道超速或模塊故障時向XM－442模塊提供信號；XM－442繼電器表決模塊用于實現(xiàn)3取2超速信號的表決功能，產(chǎn)生跳閘信號，或者用于輸出單通道故障報警；PanelView 600彩色操作員界面用來顯示3個通道的轉(zhuǎn)速；2個冗余電源模塊用來接入220VAC和125VDC電源。超速保護系統(tǒng)的前面板主要包括1個PanelView 600彩色操作員界面和部分用于報警指示的LED燈。

嶺澳核電站一期XM系列超速保護裝置幾個主要部分功能分析如下：

（1）3個XM－220型雙通道速度模塊：3個速度模塊各自接受安裝在汽輪機附近的磁阻式傳感器的信號，同時測量各自傳感器的信號并將其與設(shè)定的報警閾值進行比較。

每個XM－220模塊包括1個超速／回路故障輸出信號，該信號與XM－442模塊相連（圖5）。當(dāng)XM－220模塊監(jiān)測到超速狀態(tài)、傳感器故障、模塊故障時，將會激活超速／回路故障輸出信號。

（2）XM－442繼電器表決模塊：XM－442模塊提供了3取2表決邏輯功能，該模塊包含4個大功率繼電器，其中1個繼電器作為超速或故障報警輸出，另外3個繼電器用于3取2跳閘輸出。目前嶺澳核電站一期的超速保護系統(tǒng)僅僅使用了其中的報警繼電器和1個跳閘繼電器。

XM－442模塊從3個XM－220模塊接收超速／回路故障信號，如果3個信號中有2個激活，則XM－442模塊激活3個跳閘繼電器；如果3個信號中僅有1個激活，或者某1個電源回路出現(xiàn)故障，則XM－442模塊的報警繼電器激活。需要注意的是，XM－442模塊的跳閘繼電器不會受某1個電源回路故障或者某1個XM－220回路故障影響。

（3）PanelView 600彩色顯示屏：該操作員界面很好地應(yīng)用在既需要彩色圖形顯示屏又受到空間安裝限制的場合。PanelView 600彩色顯示屏采用設(shè)備網(wǎng)與XM－220模塊進行連接，實時采集模塊的數(shù)據(jù)并根據(jù)用戶的需求進行顯示，同時提供各種顏色的報警，根據(jù)現(xiàn)場實際需要選擇性地記錄某些故障或報警的發(fā)生時間。

（4）2個魏德米勒CP SNT 70W24V3A型電源模塊：2個電源模塊（85～264VAC或110～370VDC輸入，24VDC輸出）為超速保護系統(tǒng)提供冗余電源。每路電源都可以獨立為整個系統(tǒng)供電，某個電源模塊或某1路供電電源出現(xiàn)故障均不會影響超速保護系統(tǒng)的正常運行。

3.2 XM－220和XM－442模塊的工作狀態(tài)指示和組態(tài)

（1）XM－220和 XM－442模塊的 LED 指示燈

XM－220和XM－442模塊均包含多個LED狀態(tài)指示。指示狀態(tài)包括電源故障、跳閘、網(wǎng)絡(luò)故障、傳感器故障等。每個模塊的LED燈都分布在模塊的頂端（圖6），每個模塊的頂部還有1個外部的復(fù)位開關(guān)，可以用來復(fù)位XM－220和XM－442模塊所有的繼電器報警，該按鈕只能復(fù)位那些不再存在報警觸發(fā)信號的繼電器。

圖6 XM模塊LED指示燈分布圖Fig.6 Distribution of LED indicators on XM modules

XM－442模塊包含3個LED顯示燈，分別為：1個模塊狀態(tài)（MS）指示燈、1個跳閘繼電器狀態(tài)指示燈和1個報警繼電器狀態(tài)指示燈。

XM－220模塊包含7個LED指示燈，分別為：1個 MS指示燈、1個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（NS）指示燈、2個通道（CH1和CH2）狀態(tài)指示燈、1個啟機（START）指示燈、1個繼電器狀態(tài)（RELAY）指示燈和1個預(yù)留（AUX）指示燈。

（2）XM－220模塊的組態(tài)

XM－442模塊不需要用戶進行組態(tài)，設(shè)備制造商在出廠前已經(jīng)將所有的參數(shù)和表決邏輯在模塊內(nèi)部進行了固化。XM－220模塊需要用戶通過設(shè)備網(wǎng)遠程組態(tài)，或者使用便攜式計算機通過1根串口組態(tài)電纜就地進行組態(tài)。由于嶺澳核電站一期XM系列超速保護裝置沒有接入遠程控制網(wǎng)絡(luò)，所以只能就地使用便攜式計算機進行組態(tài)。

XM串口組態(tài)軟件是基于Windows開發(fā)的應(yīng)用程序，通過該程序用戶可以對XM－220模塊進行組態(tài)并察看實時數(shù)據(jù)。該軟件隨同XM模塊打包銷售，可以作為獨立的程序在電腦上安裝運行，電腦和XM－220模塊之間通過1根串口組態(tài)電纜進行連接。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，嶺澳核電站一期使用的XM－220模塊需要進行以下幾個主要參數(shù)的組態(tài)：

①選擇雙通道模式，并使用通道1作為每個模塊的正常工作通道。由于此時僅僅在通道1所屬的端子上進行了接線，通道2的參數(shù)均是無效的，因此不需要對通道2進行參數(shù)設(shè)置。

②選擇偏置電流使能選項，以便傳感器返回一個偏置電壓值，對傳感器進行故障檢測。

③選擇傳感器直流偏置電壓的上限和下限值，當(dāng)電壓值超出該范圍時，則認為傳感器故障或者信號失真。

④選擇轉(zhuǎn)速計數(shù)觸發(fā)方式，一般選擇自動觸發(fā)方式，并設(shè)定合適的觸發(fā)閾值以及正負脈沖觸發(fā)方式。

⑤輸入APP泵每轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即泵的轉(zhuǎn)軸上測量齒輪的齒數(shù)。嶺澳核電站一期APP泵測速齒輪對應(yīng)的該參數(shù)數(shù)值為15。

⑥對繼電器的動作閾值、工作方式等參數(shù)進行設(shè)置（失電或者得電動作）。

在電腦上完成所有參數(shù)的組態(tài)之后，將其下載到現(xiàn)場的XM－220模塊上。如果將多個XM－220模塊連接到設(shè)備網(wǎng)中進行工作，則還需要手動對其進行通訊地址分配。

4 技術(shù)參數(shù)和性能的比較和驗證

改造前的6611系列的超速保護裝置屬于模擬板件，改造后的XM系列超速保護裝置屬于數(shù)字板件，2個系統(tǒng)在對外接口上實現(xiàn)的功能相同，但是兩者在軟硬件方面存在區(qū)別。表1對改造前、后超速保護裝置技術(shù)參數(shù)和性能的主要異同點進行了比較。

表1 改造前、后超速保護裝置技術(shù)參數(shù)和性能的主要異同點Table1 Similarities and differences between two overspeed protection systems before and after modification

續(xù)表

由表1可知，與改造前的ENTEK 6611系列超速保護裝置相比，改造后的XM系列超速保護裝置具備更多的手段對設(shè)備可能發(fā)生的故障和異常事件進行監(jiān)測，及時產(chǎn)生報警并送往就地機柜前面板上的指示燈和主控室的數(shù)據(jù)采集和故障記錄系統(tǒng)。由分析可知，改造后的超速保護裝置較改造前更加可靠。

改造現(xiàn)場實施前，為了對新的XM系列超速保護裝置的性能參數(shù)及保護功能進行充分驗證，在設(shè)備出廠驗收階段，項目組的改造工程師聯(lián)合供貨商的設(shè)計和集成人員利用磁阻式速度傳感器（其型號和現(xiàn)場使用的傳感器完全一致）、轉(zhuǎn)速校驗臺、高精度信號發(fā)生器、軟件組態(tài)和數(shù)據(jù)記錄計算機等工具，對新系統(tǒng)的各種正常工作狀況和假想工作狀況進行了模擬試驗。通過進行全面的出廠試驗，改造項目組詳細掌握了設(shè)備的性能參數(shù)、啟停和正常工作流程以及系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量功能、超速跳閘輸出功能以及異常事件報警功能等，認為新系統(tǒng)在測量精度、設(shè)備可靠性、動作及時性等方面均滿足超速保護系統(tǒng)的要求。

改造現(xiàn)場安裝完成后，項目組成員按照詳細設(shè)計階段編寫的鑒定試驗程序，對超速保護裝置的主要功能及其信號通道再次進行了驗證，確保了APP泵啟動前現(xiàn)場設(shè)備的正常工作。在給水泵正常啟動和運行期間，項目組成員對超速保護裝置的運行情況進行了跟蹤，發(fā)現(xiàn)設(shè)備工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速測量值以及報警狀況等各項參數(shù)均符合設(shè)計要求和現(xiàn)場實際情況，并與歷史記錄值相吻合。

5 結(jié)束語

嶺澳核電站一期2臺機組的4個APP泵于2009年12月—2010年2月完成了超速保護系統(tǒng)L1／2APP102／202UC的換型改造。改造前期，項目組的工程師對系統(tǒng)功能、傳感器參數(shù)及測量信號范圍等進行了詳細的分析，對市場上的設(shè)備進行了充分的篩選，并對設(shè)備采購／到貨、實施文件準(zhǔn)備、實施窗口等主要問題進行了詳細的討論，最終確保了在大修給定的時間窗口內(nèi)順利完成改造。

改造后使用的ROCKWELL／ENTEK公司生產(chǎn)的XM系列超速保護裝置運行穩(wěn)定，解決了原有ENTEK 6611系列超速保護系統(tǒng)備件缺乏、設(shè)備老化的問題。相對于改造前的設(shè)備，新系統(tǒng)具有更強大的故障檢測和報警功能，為APP泵的安全穩(wěn)定運行提供了有力的保障。

本次改造的順利實施，既解決了重要敏感設(shè)備庫存?zhèn)浼倘钡膯栴}，又增強了系統(tǒng)的可靠性；同時，通過對設(shè)計／集成以及出廠驗收、現(xiàn)場安裝和鑒定試驗等工作的積極參與，核電廠改造和維修工程師對超速保護裝置的結(jié)構(gòu)和功能有了更深層次的理解和掌握，提高了工程師的技術(shù)水平，為后續(xù)類似系統(tǒng)和設(shè)備的維護和改造打下了良好的基礎(chǔ)。