岭澳核电站一期汽动给水泵超速保护装置改造成功经验

胡琰军，和白露

（1.大亚湾核电运营管理有限责任公司技术部，广东 深圳518124；2.大亚湾核电运营管理有限责任公司维修部，广东 深圳518124）

汽动主给水泵系统（APP）是岭澳核电站一期2台机组二回路的重要系统，承担了为蒸汽发生器持续提供给水的任务。为了能够保证汽动主给水泵的持续稳定工作，设计了诸多的监测、控制和保护回路，其中超速保护系统就是为了避免汽动主给水泵由于超速导致损坏而配备的保护装置。作为保护系统，该装置必须具备稳定性好、可靠性高、动作及时、故障率低等特点。然而作为模拟电子板件为主体的设备，其现场使用寿命有限，可靠性随着使用年限的增加而逐年下降；再加上电厂库存备件不足、设备停产、供应商无法供货等原因，造成备件短缺，严重威胁着APP系统和电厂的安全稳定运行。汽动主给水泵超速保护装置（L1／2APP102／202UC）的换型改造势在必行。

本文通过分析，阐述了改造的必要性和可行性，并对相关系统和设备的功能、性能参数以及改造过程等进行了描述。

1 系统及设备简述

1.1 APP系统

岭澳核电站一期每台汽轮发电机组均设置了3台给水泵，其中2台给水泵由汽轮机驱动，即APP汽动主给水泵（简称APP泵），承担机组日常运行的基本负荷；另外1台给水泵由电动机驱动，即APA泵（APA为电动主给水泵系统）。日常机组运行期间APP泵连续运转，APA泵作为备用；如果有1台APP泵因事故跳闸，则APA泵将在接到APP泵跳闸信号后的8～10s内自动启动并带负荷。岭澳核电站一期单台APP泵的最大容量为75%机组额定给水流量，每台APP泵由增压泵（前置泵）、汽轮机、减速齿轮箱、压力级泵等组成（图1）。

当汽轮发电机组负荷高于70%时，APP泵小汽轮机的进汽由汽－水分离再热器系统（GSS）抽汽供给；机组负荷低于70%时，由主蒸汽系统（VVP）中的新蒸汽补充抽汽量的不足。增压泵的供水来自除氧器的存水箱，给水经升压后进入压力级泵，压力级泵将给水送至高压加热器（AHP），再到给水流量控制系统（ARE），最后到蒸汽发生器。APP泵作为二回路的心脏，为给水循环提供源动力（图2）。

图1 APP泵结构示意图Fig.1 Structure of the turbine－driven feedwater pump

图2 APP泵给水回路示意图Fig.2 Water loop sketch of the turbine－driven feedwater pump

1.2 ENTEK 6611系列超速保护装置

机组日常运行期间，岭澳核电站一期APP泵的转速调节方式设定为自动模式，根据ARE给出的4～20mA的信号进行调节，转速稳定在4 600r／min左右。为了避免APP泵因超速而损坏，核电厂专门为每台泵设计了一套超速保护装置L1／2APP102／202UC，在小汽轮机的转速达到设定的上限值5 573r／min时，自动触发APP泵跳闸。该超速保护装置安装在APP泵平台上的控制保护机柜L1／2APP101／201AR内。

改造前，APP泵的超速保护装置使用的是ENTEK IRD公司生产的ENTEK 6611系列汽轮机超速跳闸系统。该系统由1个6679信号输入和检测模块、3个6675速度显示和监测模块、1个6678继电器模块和供电模块6691构成（图3）。

图3 ENTEK 6611汽轮机速保护装置原理图Fig.3 Schematic diagram of the ENTEK 6611turbine overspeed protection system

每台APP泵的超速保护系统设置了4个磁阻式传感器（JAQUET公司生产），其中1个作为备用，其他3个传感器用来测量泵的转速并将信号送入6679模块。6679模块识别传感器信号的正确性，并在面板上以3个TX OK灯分别表示3个输入信号的健康状态；6679模块还可以选择各个通道模拟相应的转速信号。6675模块用来显示每个通道的转速，设置跳机转速定值以及改变每个通道跳闸继电器的翻转特性；岭澳核电站一期APP泵的超速定值设定在5 573r／min。6678继电器模块用来实现3取2跳闸逻辑，当3个通道中有2个或以上的通道转速测量值大于5 573r／min时，继电器动作，输出跳闸信号。为了保证超速保护单元可靠性，系统设置了220VAC和125VDC转换成24VDC的双路供电。

以给水泵的小汽轮机L1／2APP101TC为例，其超速保护装置的4个磁阻式传感器的功能 位 置 编 码 分 别 为 L1／2APP151／152／153／154MC（其中154MC为备用传感器），依次安装在轴承座的支架上（图4）。

图4 磁阻式速度传感器安装示意图Fig.4 Installation sketch of the electromagnetic speed sensor

2 改造背景和过程

在岭澳核电站一期投产初期，ENTEK 6611超速保护装置已出现部分模块库存备件短缺的问题，另有部分模块库存备件的技术参数与现场所使用的模块不一致，无法直接更换使用。

鉴于APP泵超速保护装置正常运行的需要及其重要性，电厂备件采购小组于2007年进行了该系列备件的询价和采购。2008年6月，ROCKWELL／ENTEK 公 司 发 函 申 明：ENTEK66＊＊系列产品已于2004年停产（升级为XM系列），提供备件的难度增大，价格较高，且暂时无法供应岭澳核电站一期超速保护装置所需要的备件。

为了确保机组APP泵的安全稳定运行和二回路的正常给水，核电厂于2009年年初开始进行APP泵超速保护装置换型改造的可行性和必要性研究。在综合考虑机组的安全稳定运行、改造的成本／收益比等因素后，决定尽快对该系统进行换型改造。

经过调查分析，综合产品的质量、价格和技术参数等各方面因素，最终选择了原设备制造商ROCKWELL／ENTEK公司生产的XM系列超速监测保护系统对APP泵的超速保护装置进行换型改造。

APP泵超速保护装置改造的初步设计方案于2009年6月通过了大亚湾核电运营管理有限责任公司电厂技术委员会（PEC）的审查，于2009年10月完成了设备采购合同签订和详细设计审批，并分别于2009年12月和2010年2月在岭澳核电站2号机组第7次大修（L207）和1号机组第8次大修（L108）完成了2台机组的现场改造。

3 XM系列电子超速保护装置

3.1 保护系统的组成及功能

改造后的XM系列电子超速保护系统（简称EODS）是高可靠性、冗余的系统，充分满足了美国国家石油协会的API 670和API 612标准，其设计初衷是为了避免燃气和蒸汽汽轮机超速所带来的极大灾难。EODS可以独立运行，也可以作为其他系统的一部分进行工作，比如可以为可编程序逻辑控制器（PLC）、分散控制系统（DCS）或其他状态监测系统提供实时数据等。但是从电厂的实际情况以及系统的可靠性等方面考虑，目前岭澳核电站一期仅仅是将其作为独立的汽动给水泵超速保护系统来使用。

该超速保护单元由3个XM－220双通道速度监测模块、断电器1个XM－442表决模块、1个PanelView 600彩色操作员界面和1套冗余电源模块组成（图5）。

图5 EODS结构示意图Fig.5 Structure of the electronic overspeed detection system

XM－220模块用来测量实时转速并在该通道超速或模块故障时向XM－442模块提供信号；XM－442继电器表决模块用于实现3取2超速信号的表决功能，产生跳闸信号，或者用于输出单通道故障报警；PanelView 600彩色操作员界面用来显示3个通道的转速；2个冗余电源模块用来接入220VAC和125VDC电源。超速保护系统的前面板主要包括1个PanelView 600彩色操作员界面和部分用于报警指示的LED灯。

岭澳核电站一期XM系列超速保护装置几个主要部分功能分析如下：

（1）3个XM－220型双通道速度模块：3个速度模块各自接受安装在汽轮机附近的磁阻式传感器的信号，同时测量各自传感器的信号并将其与设定的报警阈值进行比较。

每个XM－220模块包括1个超速／回路故障输出信号，该信号与XM－442模块相连（图5）。当XM－220模块监测到超速状态、传感器故障、模块故障时，将会激活超速／回路故障输出信号。

（2）XM－442继电器表决模块：XM－442模块提供了3取2表决逻辑功能，该模块包含4个大功率继电器，其中1个继电器作为超速或故障报警输出，另外3个继电器用于3取2跳闸输出。目前岭澳核电站一期的超速保护系统仅仅使用了其中的报警继电器和1个跳闸继电器。

XM－442模块从3个XM－220模块接收超速／回路故障信号，如果3个信号中有2个激活，则XM－442模块激活3个跳闸继电器；如果3个信号中仅有1个激活，或者某1个电源回路出现故障，则XM－442模块的报警继电器激活。需要注意的是，XM－442模块的跳闸继电器不会受某1个电源回路故障或者某1个XM－220回路故障影响。

（3）PanelView 600彩色显示屏：该操作员界面很好地应用在既需要彩色图形显示屏又受到空间安装限制的场合。PanelView 600彩色显示屏采用设备网与XM－220模块进行连接，实时采集模块的数据并根据用户的需求进行显示，同时提供各种颜色的报警，根据现场实际需要选择性地记录某些故障或报警的发生时间。

（4）2个魏德米勒CP SNT 70W24V3A型电源模块：2个电源模块（85～264VAC或110～370VDC输入，24VDC输出）为超速保护系统提供冗余电源。每路电源都可以独立为整个系统供电，某个电源模块或某1路供电电源出现故障均不会影响超速保护系统的正常运行。

3.2 XM－220和XM－442模块的工作状态指示和组态

（1）XM－220和 XM－442模块的 LED 指示灯

XM－220和XM－442模块均包含多个LED状态指示。指示状态包括电源故障、跳闸、网络故障、传感器故障等。每个模块的LED灯都分布在模块的顶端（图6），每个模块的顶部还有1个外部的复位开关，可以用来复位XM－220和XM－442模块所有的继电器报警，该按钮只能复位那些不再存在报警触发信号的继电器。

图6 XM模块LED指示灯分布图Fig.6 Distribution of LED indicators on XM modules

XM－442模块包含3个LED显示灯，分别为：1个模块状态（MS）指示灯、1个跳闸继电器状态指示灯和1个报警继电器状态指示灯。

XM－220模块包含7个LED指示灯，分别为：1个 MS指示灯、1个网络状态（NS）指示灯、2个通道（CH1和CH2）状态指示灯、1个启机（START）指示灯、1个继电器状态（RELAY）指示灯和1个预留（AUX）指示灯。

（2）XM－220模块的组态

XM－442模块不需要用户进行组态，设备制造商在出厂前已经将所有的参数和表决逻辑在模块内部进行了固化。XM－220模块需要用户通过设备网远程组态，或者使用便携式计算机通过1根串口组态电缆就地进行组态。由于岭澳核电站一期XM系列超速保护装置没有接入远程控制网络，所以只能就地使用便携式计算机进行组态。

XM串口组态软件是基于Windows开发的应用程序，通过该程序用户可以对XM－220模块进行组态并察看实时数据。该软件随同XM模块打包销售，可以作为独立的程序在电脑上安装运行，电脑和XM－220模块之间通过1根串口组态电缆进行连接。

根据现场实际情况，岭澳核电站一期使用的XM－220模块需要进行以下几个主要参数的组态：

①选择双通道模式，并使用通道1作为每个模块的正常工作通道。由于此时仅仅在通道1所属的端子上进行了接线，通道2的参数均是无效的，因此不需要对通道2进行参数设置。

②选择偏置电流使能选项，以便传感器返回一个偏置电压值，对传感器进行故障检测。

③选择传感器直流偏置电压的上限和下限值，当电压值超出该范围时，则认为传感器故障或者信号失真。

④选择转速计数触发方式，一般选择自动触发方式，并设定合适的触发阈值以及正负脉冲触发方式。

⑤输入APP泵每转所产生的脉冲数，即泵的转轴上测量齿轮的齿数。岭澳核电站一期APP泵测速齿轮对应的该参数数值为15。

⑥对继电器的动作阈值、工作方式等参数进行设置（失电或者得电动作）。

在电脑上完成所有参数的组态之后，将其下载到现场的XM－220模块上。如果将多个XM－220模块连接到设备网中进行工作，则还需要手动对其进行通讯地址分配。

4 技术参数和性能的比较和验证

改造前的6611系列的超速保护装置属于模拟板件，改造后的XM系列超速保护装置属于数字板件，2个系统在对外接口上实现的功能相同，但是两者在软硬件方面存在区别。表1对改造前、后超速保护装置技术参数和性能的主要异同点进行了比较。

表1 改造前、后超速保护装置技术参数和性能的主要异同点Table1 Similarities and differences between two overspeed protection systems before and after modification

续表

由表1可知，与改造前的ENTEK 6611系列超速保护装置相比，改造后的XM系列超速保护装置具备更多的手段对设备可能发生的故障和异常事件进行监测，及时产生报警并送往就地机柜前面板上的指示灯和主控室的数据采集和故障记录系统。由分析可知，改造后的超速保护装置较改造前更加可靠。

改造现场实施前，为了对新的XM系列超速保护装置的性能参数及保护功能进行充分验证，在设备出厂验收阶段，项目组的改造工程师联合供货商的设计和集成人员利用磁阻式速度传感器（其型号和现场使用的传感器完全一致）、转速校验台、高精度信号发生器、软件组态和数据记录计算机等工具，对新系统的各种正常工作状况和假想工作状况进行了模拟试验。通过进行全面的出厂试验，改造项目组详细掌握了设备的性能参数、启停和正常工作流程以及系统的转速测量功能、超速跳闸输出功能以及异常事件报警功能等，认为新系统在测量精度、设备可靠性、动作及时性等方面均满足超速保护系统的要求。

改造现场安装完成后，项目组成员按照详细设计阶段编写的鉴定试验程序，对超速保护装置的主要功能及其信号通道再次进行了验证，确保了APP泵启动前现场设备的正常工作。在给水泵正常启动和运行期间，项目组成员对超速保护装置的运行情况进行了跟踪，发现设备工作稳定，转速测量值以及报警状况等各项参数均符合设计要求和现场实际情况，并与历史记录值相吻合。

5 结束语

岭澳核电站一期2台机组的4个APP泵于2009年12月—2010年2月完成了超速保护系统L1／2APP102／202UC的换型改造。改造前期，项目组的工程师对系统功能、传感器参数及测量信号范围等进行了详细的分析，对市场上的设备进行了充分的筛选，并对设备采购／到货、实施文件准备、实施窗口等主要问题进行了详细的讨论，最终确保了在大修给定的时间窗口内顺利完成改造。

改造后使用的ROCKWELL／ENTEK公司生产的XM系列超速保护装置运行稳定，解决了原有ENTEK 6611系列超速保护系统备件缺乏、设备老化的问题。相对于改造前的设备，新系统具有更强大的故障检测和报警功能，为APP泵的安全稳定运行提供了有力的保障。

本次改造的顺利实施，既解决了重要敏感设备库存备件短缺的问题，又增强了系统的可靠性；同时，通过对设计／集成以及出厂验收、现场安装和鉴定试验等工作的积极参与，核电厂改造和维修工程师对超速保护装置的结构和功能有了更深层次的理解和掌握，提高了工程师的技术水平，为后续类似系统和设备的维护和改造打下了良好的基础。