某核电厂汽机保护系统设计特点探究

李开雪 李德银

福建福清核电有限公司 福建福清 350300

1 核电厂汽轮机介绍

该核电厂采用的汽轮机是单机容量100万千瓦的机组，制造厂家为ASLTOM，是世界上性能比较优秀的机组之一，为单轴、三缸四排汽冲动式汽轮机，由一个高中压合缸和两个双流低压缸组成，额定转速为1500rpm。其配备的数字电液调节系统GRE以及汽轮机保护系统GSE都是采用法国ALSTOMP320控制系统。

2 GSE系统构成及工作原理

2.1 GSE系统概述

GSE系统在危急情况下，保护控制器自动检测判断，或者通过外部指令（电气保护，反应堆保护，辅助保护，手动按钮等）遮断高压遮断模块以确保汽轮机的安全。

GSE系统由机柜，高压遮断模块，高中压主汽阀以及热工保护信号组成。GSE系统分为三个通道，基于三取二原理，只有两个或两个以上通道动作，汽轮机才会跳机。电气控制系统按失电保护设计，安全系统发出的关闭指令优先，通过操作定期性试验监测获得处理的参数，以检测任何异常。

2.2 汽轮机保护信号

GSE系统分为主要保护和次要保护。主要保护的跳机原理依靠硬件保护卡和转速保护卡件，信号送入保护卡处理后，产生一个汽轮机跳闸信号，会直接让跳闸电磁阀失电，从而使相应的保护通道动作。再经过高压遮断模块硬件3取2，使汽轮机跳机[1]。

次要保护信号，它的3取2的原理与主要保护信号是不一样的。它先在保护控制器STP中进行软件3取2，然后再送入高压遮断模块进行硬件3取2，实现跳机。

针对主要保护信号，为了防止硬件保护卡或者转速保护卡阈值模块故障不动作，因此，将这些保护信号也送入STP控制器中，实现双重保护。

3 核电厂汽轮机保护系统的重要特点

3.1 机械超速装置的取消

在常规火电和核电项目中，通常都配置一套机械超速保护系统，机械超速保护系统的核心部件是危急遮断器，当汽机转速达到110%额定转速时，危急遮断器动作遮断汽轮机。该核电厂采用的ASLTOM汽机取消了这套机械超速保护装置。

机械超速装置检测极不方便，并且机械超速试验往往是一种非常麻烦并且极具风险的试验。机组旋转部件的离心应力与转速的平方成正比，为避免旋转部件长时间在高离心应力下工作，则要求试验升速时升速率尽可能大些，但这有可能引发机组超速失控；又为了防止超速失控而缓慢升速，旋转部件在高离心应力下运行时间就会加长[2]。可见超速试验是在避免高离心力和防止超速失控的矛盾状态下进行的。

其次，轴封系统的蒸汽泄漏等原因造成了润滑油系统油中带水、机械杂质等油液污染，导致机械超速危急遮断系统部件产生锈蚀、卡涩，很多机组在进行检修后的超速试验中，曾多次发生挂闸电磁阀卡涩和机械超速危急遮断系统拒动故障，既影响了正常生产进度，又增加了调试费用，留下了巨大的安全隐患。

3.2 转速保护可靠性提升方案

为了提高机组在超速保护方面的安全性，该核电厂在原有GSE超速保护的基础上，增加了一套电超速保护系统。转速传感器采用Epro公司生产的电涡流探头，三个转速传感器GME001MC、GME002MC、GME003MC分别送入三个监视卡件，然后通过GME001AR机柜中继电器搭建的3取2逻辑，送出跳机信号。

GME系统超速保护在GME机柜中3取2之后再送入STP保护控制器中，这样，确保了在GME超速保护系统中，任何一路转速信号故障的情况下GSE中的一套电超速保护系统均不会受到影响，确保这两套超速保护系统的独立性[3]。

3.3 轴振动自动跳机取消

该核电厂（GME）系统采用Epro公司生产的MMS6000系列产品对振动进行监测。整个振动测量通道系统由电源模块、智能卡件、传感器、延伸电缆、前置器、信号电缆和输出继电器组成。

3.4 汽轮机轴振动跳机取消依据以及解决方案

（1）汽轮机轴振动跳机取消。GME测振系统中，每个部件出现异常都有可能造成振动保护误动。引发GME系统误动的主要因素有：

①电涡流传感器安装间隙过小，探头端部的线圈绝缘层磨损，造成线圈短路或开路，使振动值瞬间增大，存在保护误动可能。

②前置器与延伸电缆接头松动，引发振动测量值摆动，如果瞬间超过危险值，可导致振动保护误动。

为避免探头误报警导致机组跳闸，该核电厂取消了振动自动跳机，改成由操纵员手动根据报警提示跳机。

（2）提出一套假设的自动跳机方案。根据以往火电厂和核电厂的运行经验来看，如果汽轮机组存在着振动突变的话，往往这个振动会爬升的非常快，此时对操纵员要求非常高，单单靠操纵员的反映来对机组振动进行跳机判断是存在一定风险的。在这基础上，仅提出减少机组误动作几率的自动跳机保护方案[4]。

振动的出现，往往不是一个轴振动Y方向增加，X方向的振动值也会提高，甚至相邻的轴振动也会提升，参考国内很多电站的保护跳机方案，现提出如下的理论振动跳机改进方案：振动保护逻辑改进为同轴瓦的Y相轴振动跳机值与上该轴瓦的X相轴振动报警值来触发振动跳机。

经过这样改进后，振动部件松动或者某个单一的探头损坏造成的汽轮机误动作的几率会减小，但是真实振动过高后，机组也能实现保护，国内也有很多机组采用的类似方法处理振动跳机问题。

4 结语

通过对汽轮机保护系统的特点分析，考虑可能出现的危险因素，提出假设的自动跳机方案，提高机组的保护系统的可靠性，这对于机组安全稳定运行以及在最大程度上对汽轮机进行保护，都具有重大意义。