秦山第二核电厂汽动辅助给水泵超速保护逻辑及系统维护

刘 江

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

汽动辅助给水系统（ASG）属于核电厂的专设安全设施之一，在正常给水系统发生事故时，辅助给水系统启动，用于导出堆芯余热。该系统包含了两台电动辅助给水泵和两台汽动辅助给水泵。秦山第二核电厂使用的汽动辅助给水泵是CLYDE 生产的多级卧式离心泵，与汽轮机呈整体结构形式，由主蒸汽系统提供汽源，汽动泵的运行特性是通过汽轮机蒸汽主气门压差调节器来调节的，使其以约8386rpm 的额定转速运行。为了保证汽动泵的安全运行，防止飞车事故的发生，在其超速保护逻辑中，设置有机械超速脱扣和电超速脱扣两种类型的保护措施。

图1 汽动泵超速保护装置示意图Fig.1 Schematic diagram of pneumatic pump overspeed protection device

图2 机械脱扣装置原理Fig.2 Principle of mechanical trip device

1 汽动泵超速保护简介

汽动泵超速保护根据不同的工作原理可分为两种形式。如图1 所示，其一，电超速脱扣保护，将转速探头测得的汽动泵实际转速送入就地控制柜与转速处理模块中的设定值进行比较，当超出定值时，脱扣电磁阀V5 带电开启，主汽门的蒸汽通过该电磁阀管线直接排放至乏汽出口，汽动泵停运。其二，机械脱扣保护，当汽动泵转速高于机械超速定值时，由位于泵轴上的脱扣螺栓被甩出，敲击锥形阀动作，主汽门的蒸汽通过打开的锥形阀排往乏汽出口，汽动泵停运。

由此看出上述两种脱扣形式，虽是相互独立的保护，但最终均是通过释放主汽门活塞下部的蒸汽来实现汽动泵超速时的脱扣保护。

2 超速保护的工作原理

2.1 机械超速保护工作原理

机械超速保护的设定值为9645rpm，即汽动泵额定转速的115%，介于两级电超速保护定值之间。当汽轮机转速达到设定值时，位于泵轴上的脱扣螺栓被甩出，敲击位于中央水室中的触发器，触发器产生位移释放脱扣杆，从而使锥形阀打开，主汽门压力直接排往乏汽排出管线，使泵停运[2]。另外，也可通过敲击手动停机按钮，同样可实现脱扣动作。

机械超速保护的复位，可通过手动上提位于锥形阀位置的手动复位杆，复位触发器并关闭锥形阀，主汽门蒸汽压力重新推动汽轮机，汽动泵重新投运。另外，也可通过位于主控室或就地控制柜上的复位按钮，使位于锥形阀下方的电动螺线管得电动作来复位锥形阀。

2.2 电超速保护工作原理

电超速保护系统的构成及逻辑相对复杂，在电超保护中共设置两级超速保护，分别是定值为9220rpm 的一级电超速（110%）和定值为10060rpm 的二级电超速（120%）。系统正常运行期间，一级电超速参与汽动泵的脱扣保护逻辑，二级电超速主要用于泵单体超速试验，系统正常运行期间并不参与超速保护。两个定值均通过就地控制柜中的TR400 模块进行动作值设定，由该模块内部的继电器单元对当前转速信号进行判定，当实际转速达到设定值时，触发脱扣命令，通过就地控制柜内的继电器触点动作使V5 脱扣电磁阀带电，实现超速保护的目的。

2.3 电超速保护设计逻辑

电超速保护逻辑，根据其功能主要分为：自动脱扣逻辑、手动脱扣逻辑、复位逻辑、报警显示4 个部分。

如图3 所示，转速探头将测得的频率信号直接送到就地控制柜TR400 模块，先进行一级电超速（110%）判断，若满足动作要求，则将动作信号输出至V5 脱扣电磁阀；如一级电超速失效，则直接进入机械超速保护（115%）逻辑，当上述两个保护失效的情况下，则需人工进行干预，进行手动脱扣。

根据试验需要或自动超速脱扣保护失效的情况，为避免设备损坏，在保护逻辑中应用了手动脱扣设置。为方便对设备的有效控制，分别在就地控制柜、KPR 机柜及主控室设置有汽动泵脱扣按钮。按下脱扣指令按钮，就地V5 电磁阀带电执行脱扣命令，停运汽动泵。

当电超速保护动作后，就地控制柜上脱扣报警指示灯常亮及报警窗快闪，同时触发主控室相应的报警，提醒操作人员汽动泵脱扣。

图3 汽动泵电超速保护逻辑图Fig.3 Pneumatic pump electric overspeed protection logic diagram

图4 汽动泵电超速保护复位逻辑图Fig.4 Pneumatic pump electric overspeed protection reset logic diagra

如图4 所示，电超速脱扣指令的复位主要通过主控或就地控制柜复位按钮控制。当按下复位按钮时，就地V5 电磁阀失电关闭，汽动泵重新投运。在此过程当中，机械脱扣复位电动螺线管同时带电，保证机械脱扣复位杆在正常状态。

3 超速保护系统的改进

3.1 信号处理模块的改进

秦二厂1#/2#机组的汽动泵电超速逻辑采用的信号处理模块为分体式结构，由DSP 多功能转速开关和AP1000数字式测速计两部分构成。

DSP 多功能转速开关由控制柜内部电源转换模块（110VDC 转24VDC）供电。如图5 所示，在对DSP 模块进行设置或验证时，需在TB2 的8、9 端子上连接频率模拟信号源，通过R1、R2 调节器调整4mA ～20mA 输出电流信号直至满足精度要求；之后，需通过S1 开关切换来选择需要进行定值设定的电超速通道，分别通过调节器R3、R4分别对一级/二级电超速定值进行调整，工作完成后，需将S1 切回至A 位置，该保护投入运行。

如图6 所示，AP1000 数字式测速计需单独供电（24VDC），与DSP 模块共用由转速探头输出的频率信号，转换后用于当前转速的显示。该模块在制造厂已做校准，投入使用前，只需通过盘面上的按钮软键完成最大频率（变量1）、最大频率显示单位（变量2）、显示更新率（变量3）3 个参数的设定。

秦二厂3#/4#机组选用TR400 型超速逻辑处理模块来替代DSP 模块和AP1000 显示单元，如图7 所示，TR400模块面板上分为指示灯、数字显示、编程按键3 个区域。首次使用或后续维护期间的参数检查，均通过面板上的九宫格软键进行。

图5 DSP多功能转速开关接线图Fig.5 DSP Multi-function speed switch wiring diagram

图6 AP1000数字式测速计示意图Fig.6 Schematic diagram of AP1000 digital speedometer

图7 TR400面板图Fig.7 TR400 panel diagram

表1 TR400参数设置表Table 1 TR400 parameter setting table

按“VAR 键”即进入编程模式，同时RPOG 灯亮提醒进入编程模式，通过“上”“下”“左”“右”箭头按键选择需要编辑或查看的参数代码，之后按“ENTER 键”后进入参数修改界面。主要参数设置见表1，参数查看或修改完毕后，依次按“ENTER 键”“VAR 键”，退出编程模式并显示初始状态。

通过上述两种信号处理（显示）模块的设置及验证步骤可以看出，TR400 模块相比DSP 模块具备以下优点：

1）操作简单，参数设置及检查更为快捷，降低了人因失误风险。

2）在定值设定方式上，编程式相比机械式可靠性增大，基本零误差，同时避免了机械式定值可能的高、低漂移问题。

3.2 一级电超速闭锁按钮的改进

1#/2#机组超速保护逻辑中的一级电超速闭锁按钮型号为：CR104PXF11，具备自保持功能，即按下触点闭合（闭锁），再次按压触点断开（复位）。

3#/4#机组一级电超速闭锁按钮选用CR104PBG92R3型瞬动按钮，没有自保持功能，即按下触点导通（闭锁），释放按钮触点断开（复位）。

由于此按钮状态决定了一级电超速保护是否可用，在机组正常运行期间，按钮必须处于断开状态，否则一级电超速保护失效。因此，3#/4#机组按钮的改进，有效避免了人因误动或工作后遗忘复位所造成一级电超速不可用的风险。

4 电超速保护系统的维护

为保证电超速保护系统的可靠性，在每个燃料循环周期内都要进行超速通道及定值检查的预防性检修及汽动泵超速试验，并在5 个燃料循环周期时，对转速探头本体进行校验，通过上述手段有效保证了该系统的正常运行。

在机组大修期间，从转速探头输出端加模拟频率信号进行电超速定值及通道的检查，该项目主要进行以下验证：

① TR400 中参数设置检查。

② 一级、二级电超速定值的准确性。

③ V5 脱扣电磁阀、机械复位电动螺线管动作可靠性。

④ 就地数显及主控、KRP 位置的ID 指示仪正确性。

⑤ 脱扣相关报警和复位逻辑的准确性。

上述验证已涵盖除探头本体外的所有检查，也为后续运行人员执行汽动泵超速定期试验奠定基础。

汽动泵超速试验是为了实际验证ASG 汽动辅助给水泵110%电超速保护逻辑与执行机构动作的正确性，以及小流量管线运行的各项参数。因超速试验对设备本体而言具有破坏性，所以为保证设备及工作人员的安全，仪控人员须按照运行规程临时将一级超速定值修改为5000rpm 后方可进行试验验证。在确认汽动辅助给水泵超速保护逻辑正确后，再将一级电超速定值恢复原设置。

根据汽动泵运行维护手册要求，每5 年需拆卸转速探头并送计量检测单位进行校验，结果合格方可回装探头，否则更换备件。通过这一手段预防探头本体性能下降，以保证转速测量数据的有效性。

5 电超速保护系统故障及处理

在历年的汽动泵超速试验期间，执行汽动泵机械脱扣（敲击手动停机按钮）及复位逻辑功能的验证中，多次发生在主控或就地按下手动复位按钮后，机械复位电动螺线管无响应，机械脱扣无法正常复位的缺陷。

图8 机械脱扣复位示意图Fig.8 Schematic diagram of mechanical trip reset

图9 二极管故障处理Fig.9 Diode fault handling

通过机械脱扣复位回路分析，如图8 绿线标示，由于机械脱扣为手动触发，故串联在脱扣复位回路中的R1 继电器触点不是可能的故障点，所以故障原因主要集中在继电器R2 和TDR 以及串联在复位线圈回路熔丝FU6（15A）上。首先，对柜内继电器安装情况进行检查，并未发现松动或损坏，但是15A 熔丝熔断。经更换后进行验证，复位仍不能正常动作，且熔丝再次熔断。

熔丝多次熔断说明存在过流现象，即在复位回路中存在短路情况，那么和复位电动螺线管并联的二极管造成短路的可能性较大，经拆下测试，二极管已击穿，处于短路状态。

想分析清楚二极管击穿原因，就需要判断在这个回路中二极管所起的作用。在直流电路中的电动螺线管突然断电时，为保持电流的方向不变，线圈将会产生一个自感应电势，为了防止感应电势损坏其他元器件，需在感应线圈处并联一个二极管，当产生感应电势时，二极管导通，感应电流将在电动螺线管和二极管形成的回路中流通，从而消耗掉感应电势，这种二极管称作续流二极管[3]。

续流二极管一般按照耐压高于线圈电压1.5 ～2 倍，电流大于线圈电流1.5 ～2 倍的原则选取，同时续流二极管可和电阻串联构成续流电路，实现降压、限流的作用。

根据电动螺线管额定电压为120VDC（机柜电源实测电压也为120VDC），额定电流10A 的情况，共使用两种方案对故障二极管进行改造，如图9 所示。

目前使用的二极管为设备自带，二极管型号：STTH5L06，反向耐压600V，正向电流5A。

1）使用3 个二极管并联后，再串联1 个100Ω 电阻。这样电阻实现限流功能，3 个二级管实现分流功能。

2）更换为IN4007 型二极管，该二极管电压等级700V，最大电流30A。

通过上述方法处理后，该回路再未出现熔丝熔断和二极管击穿的情况，故障完全消除。

6 结论

汽动辅助给水泵是安全相关的重要设备之一，而超速保护系统是保证设备安全的重要手段。本文通过超速保护逻辑原理的梳理、机组间改进对比及现场缺陷的分析处理等方面进行总结，为系统维护提供一定的借鉴作用，有利于机组安全稳定运行。