壓水堆核電站汽輪機非核沖轉期間跳閘故障分析及維護

吳楠

摘要：本文主要闡述了汽輪機非核沖轉期間跳閘過程、跳閘邏輯、VICKERS 卡和汽機調節系統組態的分析找出汽輪機跳機的真正原因，并提出切實可行的辦法，解決了首次沖轉跳機問題，并為后續汽輪機沖轉提供寶貴的經驗。

關鍵詞：壓水堆核電站;汽輪機非核沖轉期間;跳閘故障

汽輪機調節保護系統采用的控制系統平臺在結構上分為上位機和下位機，下位機執行自動控制調節及安全保護功能，上位機負責數據處理、數據管理及人機接口功能。汽輪機調節保護系統的主要功能是通過控制進汽調節閥開度對機組實施轉速控制、功率控制、頻率控制、壓力控制和應力控制，并對機組的負荷和轉速實施超速限制、超加速限制、負荷速降限制和蒸汽流量限制，在跳機信號觸發時快速響應保護汽輪機安全停車，使機組實現能量轉換、保證供電質量、汽機安全運行。

1 汽輪機非核沖轉期間跳閘過程

2013年12月，福清 1#汽輪機準備非核蒸汽沖轉，汽機轉速處于盤車轉速 8 r/min，掛閘準備沖轉。操作員給出汽機轉速設定值100 r/min并確認程控升速后，汽機轉速設定值逐漸上升，而汽輪機的轉速依然保持盤車轉速8 r/min 不變，20s后汽輪機跳閘，安全油泄壓，所有汽輪機進汽閥門快速關閉。

通過查看操作員站歷史趨勢和報警列表確認是汽輪機調節系統（ GRE）汽機控制跳機命令（ Turbine ControllerTrip）導致跳機，繼續追溯原因為產生了實測轉速故障信號（ST Speed 2o3 failure）。

2 汽輪機跳機的原因分析

2 1 GRE 控制系統中對 LVDT 的閥位反饋

汽輪機調節閥門閥位傳感器由三個直線位移傳感器（LVDT）的探頭組成，生成三路閥位反饋信號，第一路送到DCS，第二路送到汽輪機監測（GME）系統，第三路送到汽機調節系統（GRE）調節控制機柜參與閥門調節計算。因這種直線位移傳感器（LVDT）在 4. 5 mA～19. 5 mA的范圍內是其線性最好的區間，能夠保證閥門調節控制處在最優的線性區間，所以廠家將送往 P320 系統的汽輪機調節（GRE）系統的 8 個高中壓調節閥位置 LVDT 傳感器的輸出電流設置為 4. 5 mA～19. 5 mA。這樣，在閥門全關到位時，閥門送出的閥位反饋信號是4. 5 mA;閥門在全開到位時，閥門送出的閥位反饋信號是19. 5 MA。若不進行遷移，則閥位反饋開度最小即為 0. 5/16=3. 125%的開度;開最大時為 96. 875%的開度;映射關系為反饋 電 流 （ 4. 5 mA ～ 19. 5 mA） 對應開度（3. 125% -96. 875%）。汽機調節系統（GRE）接受的閥位信號參與控制汽輪機進汽閥開度控制，為保證 GRE 系統邏輯計算，需將上述閥位反饋在汽機調節系統（GRE）控制系統內做量程遷移。即將電流（4. 5 mA～19. 5 mA）映射為（3. 125%～96. 875%），再映射為對應開度（0-100%）。閥門開度遷移的計算公式為 Y =100* （X-3. 125） /（96. 875-3. 125）。在進行閥門開度指令計算之前，需結合 GRE 邏輯圖，將 C3 值設定值為3. 125%，而 C4 值設定值為96. 875%即可實現閥位反饋量程的 0～100%的遷移。

2.2 調節閥控制原理

閥門位移傳感器（LVDT）和汽機調節控制系統（GRE）發出閥門最終開度指令都會送到專用閥門控制卡（VICK-ERS）。在 GRE 控制系統中，GRE 閥位初始指令由蒸汽需求總量根據閥門控制曲線計算得來，閥門位置傳感器（LVDT）將閥位反饋信號（4. 5 mA～19. 5 mA）送到閥門控制卡（VICKERS），VICKERS 卡將閥位信號送往 GRE 控制系統。為了提高響應速度和消除最終閥門開度與指令的偏差，GRE 控制系統設計了積分環節，閥門最終控制指令由閥位初始指令加上積分計算得出。在 VICKERS 卡中，VICKERS 卡接收 GRE 控制系統閥門最終控制指令（4. 0 mA～20. 0 mA），指令信號與實際閥門開度信號相減得出偏差，進行 PI 閉環運算，運算結果在卡件內部轉化為 0～10 V 的指令信號，對應閥門 0～100%的開度指令，電壓轉化過程無外部修改調試接口。調節閥本體自帶的電液轉換比例閥接收 VICKERS 卡電壓指令信號，將閥門調節至需求開度;LVDT 將閥門開度傳給 VICKERS 卡（4. 5 mA～19. 5 mA）。

2.3 GRE 控制系統最終閥門開度信號的死區

現場調試期間將 LVDT 的反饋信號改為 4. 5 mA～19. 5mA，LVDT 送到 VICKERS 卡件的反饋電壓映射為 0. 312 5 V～9. 687 5 V。VICKERS 卡件內部偏差的計算是以電壓為依據進行的。指令的線性映射關系為：4 mA～20 mA 對應 0～10 V;+0. 312 5 V 對應 4. 5 mA，即對應 3. 125%。GRE 系統最終閥門開度指令與閥位反饋偏差電壓為正時，VICKERS 卡控制比例閥打開閥門;指令與閥位反饋偏差電壓為負時，VICKERS 卡控制比例閥關閉閥門。當 GRE 系統最終閥門開度指令為 0%，即輸出指令為4. 0 mA。此時 VICKERS 卡中指令與閥位反饋偏差為：0V-0. 312 5 V= -0. 312 5 V。偏差為負，將閥門往關閉方向調節。當 GRE 系統最終閥門開度指令為 100%，即輸出指令為 20. 0 mA。此時 VICKERS 卡中指令與閥位反饋偏差為：10 V-9. 687 5 V=0. 312 5 V。偏差為正，閥門往打開方向調節。GRE 系統最終閥門指令小于 3. 125%時，調門不會開啟;只有 GRE 系統最終開度指令大于 3. 125%時，調門才會開啟。這將形成一個指令的死區，即當閥門全關時，開度指令在 0～3. 125%之間，閥門保持關閉;當閥門全開時，開度指令在 96. 875%～100%之間，閥門保持全開。

2.4 給出 100 r/min 轉速指令后的響應滯后及原因判定

根據高壓調節閥門蒸汽流量與對應開度曲線，若使閥門控制指令達到3. 125%，蒸汽需求量需達到8. 6%。根據汽機沖轉階段蒸汽流量生成指令進行計算，在升至3%蒸汽需求量時，大約需要 25 s，由 3%蒸汽需求量升至8.6%（3.125%閥門開度指令對應蒸汽需求量）大約需要 12s，此時汽機才開始升速，但跳機信號已觸發。因此，在操作員完成程控升速確認后，汽輪機就應伴指令逐漸升速，，因原設計中未考慮該指令的遷移，蒸汽需求量需逐漸達到 8. 6%時才能開始升速，此響應滯后導致蒸汽流量達到 3%跳機閾值時，汽機轉速仍未上升，導致跳機信號觸發。在調試期間，需將閥門開度指令進行遷移，即將（0～100%）的指令映射為（3.125%-96.875%），使蒸汽需求指令開始上升時汽輪機即開始升速。另一方面，首次沖轉期間蒸汽參數可能較低，無法沖動汽輪機升速，現場需根據汽輪機本體特性，適當放大對蒸汽流量達到3%后汽機轉速故障的判定時間區間，此時間區間宜在調試期間根據升轉速曲線給予適當放大。

3 汽輪機跳閘的處理方法

3.1 修正軟件內閥門指令信號

在原設計中，廠家并未考慮修正 GRE 控制系統最終閥位指令遷移問題，導致閥門打開時間嚴重滯后。經過分析后，將閥門開度指令由（0～100%）映射修正為（3.125% ～96.875%）。在 GRE 控制系統中，為實現最終控制指令的遷移，對最終控制指令做如下偏置。

3.2 延時時間

對于7s內轉速未能上升到12 r/min的問題，根據現場的實際情況，在不影響機組安全啟動的情況下，根據閥門升速特性，將判定時間延長為15s，使開始升速階段汽輪機充分進汽，且轉速在15s內完成上升。

4 結論

本文簡單介紹了汽輪機跳機保護系統的結構，詳細分析了汽機首次沖轉期間跳機的原因，通過對汽機控制系統綜合控制指令遷移和修改跳機保護時間的措施，消除了跳機信號的設計缺陷，此 2 項修改在后續的沖轉中得到了很好的驗證，后續再未出現相同原因的跳機事件。此事件的分析研究不僅解決了本機組的設計缺陷，還反饋到其他機組，對保證汽輪機調閥的調節性能和汽輪機沖轉一次成功具有重要意義;同行電廠也可以參考本文進行經驗反饋。

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