AP1000汽輪機保護系統架構選擇

謝紅軍，賈云輝

（國核電力規劃設計研究院 電控部，北京 100094）

0 概述

在AP1000系列核電機組中，汽輪機保護系統僅是汽輪機控制和診斷系統（TOS）功能之一，TOS功能還包括常規意義上的汽輪機電液控制系統，汽輪機控制系統和汽輪機保護系統在物理上和功能上相互分離。汽輪機保護系統是堆、機、電連鎖保護的中間環節，其運行安全與否直接影響到汽輪機組的安全運行，并對堆運行安全產生一定影響。

AP1000核電機組標配為TC6F型凝汽式汽輪機，在海陽項目中，汽輪機采用日本三菱技術，由哈爾濱動力設備股份有限公司和日本三菱重工業株式會社聯合體供貨的半轉速（1500 r/min）凝汽式汽輪發電機組，型式為單軸、中間再熱、四缸六排汽，由1個雙流式高壓缸和3個雙流式的低壓缸組成。

1 汽輪機保護系統典型架構

汽輪機保護系統主要有以下3種架構[1]：

1）二重化（1oo2）

其典型結構如圖1所示。

圖1 1oo2結構典型結構Fig.1 Typical 1oo2 architecture structure

兩個控制器并行處理和連線可以把單個控制器危險失效的影響降至較低水平。由于汽輪機保護系統采用失電安全模式，為了可靠斷開系統，兩個輸出電路采用串行連接，以防止任何一個控制器在危險的方式下失效，造成系統失效危險。

1oo2結構采用兩個獨立控制器、兩個控制器各自帶有自己獨立的I/O。系統提供了較低的失效可能性，但它增加了失效安全斷路的可能性。

2）三重化（2oo3）

其典型結構如圖2所示。

如果在一些控制系統的應用中，不允許失效模式的出現，那么三選二系統是一種非常可靠的選擇。在這種架構中，每個控制器單元的輸出通道帶有兩個輸出點。把3個控制器各自的兩個輸出點連接成“表決”電路，用表決的結果來決定真正的輸出信號。當表決電路的任意一個通道中有兩個輸出點斷開時，輸出回路將被斷電。

圖2 2oo3典型結構Fig.2 2oo3typical structure

3）四重化2oo4

四重化系統結構基于雙重化的輸入和輸出的結構變化而來，四重的含義是指系統包括了4個處理器，這種結構確保了即使系統由于錯誤或替換停機，整個系統還是完整的，在系統出現問題后，系統可以降級到1oo2的系統繼續運行。

圖3 2oo4典型結構Fig. 3 2oo4typical structure

根據網絡法可靠性運算規則：設Ui表示元件i運行事件；Di表示元件i停運事件；U表示系統運行事件；D表示系統停運事件。考慮系統在穩態情況下，設元件i的運行概率為P(Ui)=pi；元件i的停運概率為P(Di)=qi。當各元件相互獨立時，則

圖4 串聯結構示意圖Fig.4 Line schematic

串聯系統的運行概率（可靠度）為

并聯系統可靠度和停運概率為

圖5 并聯結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of parallel structure

設輸入模件、處理器、輸出模件的可靠率分別為P1、P2、P3，并且兩套系統完全相同，則二重化（1oo2）系統串聯部分的可靠度P(Si)i=1,2,3為

P(Si)=P1*P2*P3（串聯部分可靠率i=1、2、3）

系統總的可靠度為

表決邏輯部分，設繼電器路回路部分的可靠率為Zi(i=1…2)，且可繼電器觸點可靠度相同，則其可靠度為

假設P1=0.96，P2=0.97，P3=0.98，Z1=Z2=0.965，

則系統部分總的可靠度為P(S)=0.9923，表決部分的可靠度為P(Z)=0.923。

在相同的假定條件下，利用網絡法可以計算出三重化系統的可靠度為

表決部分可靠度

代入計算后可知，系統部分總的可靠度為P(S)=0.9993，表決部分的可靠度為P(Z)=0.9997。

同樣，在相同的假定條件下，利用網絡法可以計算出四重化系統的可靠度為

表決部分可靠度

代入計算后可知，系統總的可靠度為P(S)=0.9999，P(Z)=0.9953

4）結論

對于以上幾種系統結構，由概率計算可以看出，系統可靠度以四重化結構為最高，表決部分以三重化結構為最高；三重化系統其誤動率優于四重化系統。其基本排序表如表1所示。

表1 I&C架構可靠度排序表Table 1 I&C structure reliability sort table

2 AST跳閘表決單元

汽輪機保護系統動作時，一般通過遮斷AST電磁閥，使得危急遮斷母管上的抗燃油通道泄油，從而使所有汽閥關閉而使汽機停機。目前國、內外主機廠AST遮斷單元邏輯結構有1/2、2/3、2/4幾種，其結構如圖6、圖7、圖8所示。

1/2（二選一）AST遮斷單元，每個汽門配置一個雙線圈電磁閥，任一線圈失電，汽門遮斷，這種表決方式的典型特點是，沒有專用的AST泄油管路，各主汽門遮斷單元相對獨立。

圖6 1/2結構遮斷單元示意圖Fig.6 One-second interdiction unit structure diagram

圖7 2/3結構遮斷單元示意圖Fig.7 Two-thirds interdiction unit structure diagram

2/3（三選二）AST遮斷單元[2]，電磁閥采用失電安全的模式，3個電磁閥（EL）控制6個VH油缸，每個電磁閥控制一組VH油缸，同一組VH油缸活塞的回座彈簧作用力方向各不相同，每個VH油缸均有SM活塞位置反饋發訊裝置，是跳閘模塊的反饋信號，同時作為通道試驗的反饋信號。當任意兩個電磁閥失電時，4個VH油缸活塞回座，導通安全油油管路，使安全油泄壓，從而使汽輪機系統遮斷。

圖8 海陽工程使用的2/4結構遮斷單元示意圖Fig.8 Haiyang construction of two-fourths interdiction unit structure diagram

2/4（四選二）AST遮斷單元，電磁閥采用失電安全的模式，4個電磁閥配置成兩或一與結構，分為奇數和偶數兩列，兩列中只要同時各有一個電磁閥導通，就可以導通安全油泄油管路，使安全油泄壓，從而使汽輪機系統遮斷。

汽輪機保護系統3種架構，均可應用于以上AST結構的遮斷單元，但如果AST遮斷單元不能與架構完全對應，則需要相應修正其典型表決部分。如1oo2架構，應用于2/4 AST遮斷單元，則一個控制器應同時控制1、3跳機電磁閥，另一通道同時控制2、4跳機電磁閥。

3 架構選擇

隨著AP1000機組國產化進程，國內3大主機廠對AP1000汽輪機組配置也各不相同，在選用保護系統架構時，應充分考慮控制系統的可靠性和表決部分的可靠性兩個方面。對于常用的2/4 AST遮斷單元，鑒于系統的可靠度，建議采用類似海陽工程中的2oo4架構。對于采用2/3 AST遮斷單元，由于在系統可靠度方面2oo3與2oo4相比差別不大，為簡化設計接口，保持2/3表決部分的高可靠性，建議采用2oo3架構。對于1oo2結構，由于其系統和表決部分的可靠度均較差，建議僅使用于1/2結構遮斷單元。

[1]華镕.常用安全PLC的結構和性能[J].安全控制技術,2007(05):17-20.

[2]盧遠光,陳為多,張煥欣.核電半速機緊急停機保護系統配置[J].東方電氣論壇,2011,09:25.