AP1000核电站MTP与发电机接口方案分析

郑健 张朝银

摘要：文章简要介绍了世界首台AP1000核电机组、自主化依托项目，三门核电1#机组汽轮机保护系统结构和功能，重点分析汽轮机保护系统和发电机系统的接口方案，并针对目前接口方案存在的问题提出了改进方法。

关键词：AP1000；汽轮机保护；发电机保护；跳机；接口

中图分类号：TL353 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0127-04

汽轮机保护系统对机组的安全正常运行起着至关重要的作用。在监测到异常工况时，汽轮机保护系统可以快速关闭主汽阀、主调阀、再热主汽阀和再热主调阀，切断通往高压缸和低压缸的蒸汽，实现紧急停机。三门核电一期工程主汽轮机为日本三菱公司制造的HN1251-5.38型号汽轮机，额定功率为1251MW，转速为1500r/min，频率50Hz。在汽轮机打闸后，汽轮机侧会送出跳机信号到发电机侧，联锁发电机跳闸。完善的汽轮机和发电机接口方案设计，对机组的运行和设备保护都有着重要意义。

1 MTP结构和功能

1.1 MTP系统结构

三门核电一期工程汽轮机保护系统（MTP）主要设备包括就地仪表、就地电磁阀、中间继电器机柜、汽轮机保护机柜。其中共配置了6个机柜，4个用于控制跳机保护功能，COM机柜用于完成在线试验功能，中间继电器机柜用于连接电磁阀110VDC供电回路和24VDC控制回路。

三菱在AP1000汽轮机保护系统（MTP）设计中，要求采用四列冗余的控制器来实施汽轮机保护。每个控制器各输出一个跳机指令至一个AST电磁阀（SV1-SV4），实现一个机柜控制一个电磁阀。四个AST电磁阀构成先并联再串联（两次二取一）的控制回路，以保证跳机功能的冗余要求，提高MTP系统的可靠性。三门核电1#机组中，每个跳机电磁阀分别由单独的配电盘进行供电，采用110VDC。其整体结构如图1所示：

1.2 MTP系统跳机方案

机组正常运行期间，AST电磁阀得电，所以四个机柜的继电器触点输出都为1，使被控制的电磁阀得电，保持油压；当出现异常工况，需要汽轮机跳机动作时，继电器触点输出变为0，电磁阀失电，高压油管路泄压，从而达到关闭主汽阀、主调阀、再热主汽阀和再热主调阀的功能。

参考电站的设计中，基于MELTAC系统的汽轮机保护系统使用的是四个非冗余的单控制器，而Ovation系统是基于双冗余控制器设计的，不采用单控制器结构，因此系统在实施过程中采用四对双冗余的控制器来实施MTP系统，可靠性比单控制器方案更高。

从图1所示的三门核电一期工程MTP系统结构中，可以得出图2中所示的汽轮机跳机逻辑。

2 MTP与发电机联锁保护接口方案

MTP系统共包括6个机柜，后面的分析只针对用于汽轮机跳机保护的4个机柜中的逻辑。三门核电一期工程汽轮机保护系统（MTP）中，联锁发电机跳闸部分逻辑如下图3所示。

图3中的“汽轮机同步继电器A动作”信号，用于发电机跳闸。三门核电一期工程的设计中，分别有“汽轮机同步继电器A动作”和“汽轮机同步继电器B动作”信号，两路信号分别送到发电机继电保护机柜。发变组保护的两个机柜，功能是等同的，都用于发电机跳闸，互为冗余关系。圖2中的左侧虚线框表示的是一个MTP机柜中的逻辑，MTP1机柜和MTP3机柜的跳机信号经过“与”逻辑后，送出汽轮机同步继电器A动作信号。其中汽轮机同步继电器A动作信号，由硬接线从汽轮机送往发变组保护，虚线外的“与”逻辑同样由硬接线回路完成。

下面我们分析MTP-1机柜送出“汽轮机同步继电器A得电-1”信号条件。

（1）带厂用电或发电机出口断路器与主变高压侧断路器闭合，并且主汽门全关或紧急跳机油压低，则延迟15s后送出“汽轮机同步继电器A得电-1”。

（2）在满足条件1的前提下，同时推力轴承磨损跳机（lockout）信号产生，则会立即送出“汽轮机同步继电器A得电”。

（3）在满足条件1的前提下，同时轴振高跳机或汽轮机跳机硬操开关（布置在主控室的汽机保护面板上）动作或轴承油压低跳机信号产生，则延迟10s后送出“汽轮机同步继电器A得电-1”。

当出现上述任何一种情况后，汽轮机打闸且MTP系统都会送出发电机跳机信号。

图3中，只描述了MTP1和MTP3机柜与发电机联锁保护的接口部分，MTP2和MTP4与发电机的接口逻辑与图3所示一样。所以MTP系统与发变组保护的接口方案，可以用图4来表示：

3 接口方案存在的问题

MTP系统动作，可以导致主汽轮机打闸，同时联锁发电机跳机。对比图2和图4中的接口方案，不难发现，MTP系统汽轮机打闸方案和与发电机跳机的接口方案不一致。

图2所示，主汽轮机侧满足如下条件，就会产生汽轮机跳机信号。

图4所示，发电机侧满足如下条件，才会产生发电机跳机信号。

上述两种接口方案的不一致，可能导致如下的问题：

（1）假设MTP1和MTP3机柜同时动作，或MTP2和MTP4机柜同时动作，则MTP系统并不会产生跳机信号（A=0），而发电机则会接收到来自MTP系统的跳机信号（B=1），而引起发电机动作。假设由第3节分析的原因而导致发电机跳闸，这时汽轮机并不一定满足跳机条件，就会引起发电机误跳闸。因为发电机误跳闸，反过来联锁汽轮机停机，显然这种情况是我们所不希望的。

（2）假设MTP1和MTP2或MTP1和MTP4或MTP2和MTP3或MTP3和MTP4动作，则主汽轮机侧（A=1）会产生汽轮机打闸信号，但是发变组保护却接收不到联锁跳机信号（B=0），这时程序逆功率保护功能将失去作用，只能由发变组保护的逆功率动作，产生发电机跳闸。从图3的逻辑中可以看出，若产生主汽门全关或紧急跳机油压低信号，优先考虑程序逆功率保护。若其他原因造成的停机，如主调门全部关闭等，才会使用发变组保护的逆功率。

对于上述的第一种缺陷，个人分析认为，最可能导致其发生的原因是仪表故障。三门核电1#机组的设计中，一路就地信号需要同时送到4个MTP机柜，所以在仪表和MTP机柜之间增加了信号分配继电器。仪表故障，指的是信号分配继电器到DPU之间存在故障。出现此故障，则会引起相应的汽轮机保护序列动作。假如MTP动作序列正好满足上述1中分析的情况，则会引起发电机误跳闸情况。出现此种情况的可能性很小，但是我们可通过后面的建议方案避免这种情况。

除了上述接口不一致可能存在汽轮机打闸，发电机不会跳闸的情况外，MTP系统机柜失电也可能造成此异常工况。正常工况下，图3中的MTP系统送到发变组保护的联锁跳机信号为0，当出现异常工况时，“汽轮机同步继电器A动作”信号变为1，才会引起发电机跳闸。MTP输出继电器到发变组保护的接线如图5所示。假设MTP机柜失电而导致汽轮机跳机，MTP则不会送出“汽轮机同步继电器动作”信号，这样发电机就不会跳闸。所以这种设计同样可能会存在汽轮机打闸后，发电机不会联锁跳闸的情况，对机组的安全运行存在隐患。

4 接口方案的改进方法

首先，我们应该改进MTP机柜失电，可能发电机不会联锁跳机的情况。正常情况下，“汽轮机同步继电器得电”信号为0，只需将其更改成正常为1即可，若失电此信号将变为0。修改方法为，在“汽轮机同步继电器得电”信号前增加“非”逻辑，并对接口方案中的接线进行改进。

对于汽轮机跳机方案和MTP与发电组保护接口方案不一致，可以通过逻辑和接线变更来完善。MTP侧的逻辑修改如图6所示：

图6中，只表示出MTP1机柜中的逻辑，其余3个MTP机柜中的逻辑与其一样。改进后的“汽轮机同步继电器得电”信号为常1，且每个MTP机柜同时送出两路“汽轮机同步继电器得电”信号，分别送往发变组保护的发电机继电保护机柜A和发电机继电保护机柜B。

MTP逻辑改进后，接口方案的硬接线同样需要更改。改进后的硬接线方法如图7所示：

改进后，MTP继电器输出卡的NC端子与发变组保护机柜相连，且每个发电机继电保护机柜分别接收来自每个MTP机柜的1路信号。

发电机继电保护机柜中的逻辑需要改进为如图8所示的逻辑：

参考图6、图7和圖8，正常情况下，每个MTP机柜输出为常1信号，但是通过MTP继电器输出卡的NC端子接线，使发电机继电保护机柜接收到的仍是“0”信号。当出现异常工况时，4个MTP机柜同时各送出一路跳机信号至每个发电机继电保护机柜。在每个发电机继电保护机柜中完成图8所示的逻辑，满足条件则发电机跳闸。

综合改进后的逻辑和接线，可以看出汽轮机跳机和发电机跳闸逻辑保持了一致，且MTP机柜失电情况下，发变组保护机柜仍可以正确判断是否需要发电机跳闸。

5 结语

对于核电厂的整个仪控系统来说，各个仪控系统之间不可避免地会存在信号接口。特别是需要硬接线来完成重要设备的控制、联锁和保护功能。在设计仪控系统之间的接口方案时，仪控系统设计人员不仅要考虑自身系统的特点和功能需求，还要充分了解对方系统的保护原理和安全策略，只有这样才能设计出更加完善的接口方案。否则，可能会对设备长期、安全、可靠运行带来安全隐患。

参考文献

[1] 顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010，（4）.

[2] 张磊，马明礼.汽轮机设备与运行[M].北京：中国电力出版社，2008，（4）.

[3] 沈邱农.超超临界汽轮机的技术特点[J].北京：动力工程，2002.

[4] 刘禾，白焰，李新利.火电厂热工自动控制技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2008.

[5] 边立秀，周俊霞，赵劲松，等.热工控制系统[M].北京：中国电力出版社，2002.

[6] 林诚格，郁祖盛.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

作者简介：郑健（1985—），男，浙江宁波人，中核集团三门核电有限公司调试处助理工程师，研究方向：汽轮机控制和保护。