核电厂汽轮机保护通道试验方式优化及应用

陈晓文，韩 潇，蓝伟钦，连鑫炜

(中核国电漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

核电厂汽轮机保护系统用来接收核电厂汽轮发电机组相关系统、反应堆保护相关系统、电气继电保护相关系统、手动打闸按钮等共计70多路的跳机保护信号，进行实时运算处理，当发生任何预定的影响机组或者汽轮发电机组的故障时，为汽轮发电机组提供安全停机的手段，防止事故发生、扩大和损坏设备，并将汽机脱扣信号送到反应堆停堆逻辑线路中[1]，确保核电厂机组及设备迅速后撤至安全状态。

为了防止汽轮机保护的误动或者拒动导致的核电厂重大设备损坏造成严重的经济损失，或者使核电厂处于不安全的状态，核电厂汽轮机保护系统具有很高的可靠性要求。因此，汽轮机保护系统应具备重要的周期性安全测试试验并且试验时不影响跳闸功能。

1 传统汽轮机保护通道试验方法

目前国内已经商业运行核电项目中，数字化汽轮机保护系统周期性测试试验全部采用在机柜侧或者就地进行拆接线，通过信号发生器注入仿真信号、或在计算机中心侧强制组态，在计算机中心侧操作员站观察信号状态的方式对汽轮机保护通道和功能进行验证，一般为每次大修开展一次。

结合图1介绍传统试验方法：2名试验人员在房间1内的机柜1或者就地侧拆除现场传感器仪表送至该机柜的信号接线，采用信号发生器注入模拟信号；1名试验人员在房间3计算机中心的工程师站或者操作员站查看相关信号是否按预期在房间1机柜2内触发；该人员通过电话反馈试验情况，确认试验正常后恢复相关接线。依次执行下一个保护通道试验。

图1 传统的汽轮机保护通道试验方法Fig.1 Traditional turbine protection channel experiment method

这类方法存在以下几类缺点：

1)保护通道试验占用大修时间较长，存在影响大修关键路径的风险，对机组经济性不利；

2)保护通道试验需要多人同时参与，需要2人在机柜执行或2人在就地模拟、1～2人在工程师站或者操作员站检查并记录；

3)试验拆接线存在导致端子排故障损坏，未恢复电缆端接或者端接不可靠引入预防性维修导致保护通道故障失效的风险，信号强制存在强制错误或者强制后未正确恢复的风险。

2 汽轮机保护通道试验优化方案

2.1 设计思路

为实现安全高效执行核电厂汽轮机保护通道试验，本方案从跳机保护通道传输方式优化、通道测试逻辑设计、通道测试DCS画面设计三大部分入手，以现实国内核电项目首个汽轮机保护通道自动测试的功能。该功能通过在汽轮机控制系统TCS平台的软硬件基础上，采用全数字化软件设计实现，无需增加新的硬件或者系统。相关原理如图2所示。

图2 汽轮机保护通道试验优化方案示意图Fig.2 Schematic diagram of turbine protection channel test optimization scheme

2.2 设计方案

(1)跳机保护通道传输优化方面

漳州核电汽轮机控制系统包含5对控制器(AP)，用以实现汽轮机相关系统的自动控制调节功能，其中AP1用于实现汽轮机调节功能，AP2用于实现汽轮机保护功能，AP3用于实现汽轮机相关辅助系统控制功能，AP4用于实现汽水分离再热系统控制功能，AP5用于实现发电机相关辅助系统控制功能。这5对AP通过一层环网Plant Bus连接起来实现相互间的信号传输，其框架结构图如图3所示。

图3 汽轮机控制系统架构示意图Fig.3 Schematic diagram of turbine control system

为确保跳机保护功能的可靠性和快速响应，本方案对现有的跳机保护逻辑设计进行排查优化，在跨平台和控制器的跳机保护信号全部由网络传输改为采用硬接线传输的方式。包括如下：

AP3包含如下：TSD0311NZ/TSD1021NZ/TSD2021NZ/TTC0101KC/TTC0110NZ.XK96, TTC0203NG/TTC0303NG.XK20/TTL0021NY.XK01/TSD1031/2031NZ.XK97信号。

AP1包含如下：TTP0151/0251/0351/0451MM.XH52。

优化后所有跨处理器的汽轮机保护通道全部改为硬接线传输。

(2)跳机保护通道测试逻辑组态设计方面

设计方案主要针对来自其他控制器(汽轮机调节控制器AP1、汽轮机辅助系统控制器AP3、汽水分离再热器控制器AP4、发电机辅助系统控制器AP5)的大量汽轮机相关系统保护通道的验证，在跨控制器保护通道全部优化为硬接线传输的基础上，在数字化组态中增加测试功能设计。下文以AP3为例介绍，如图4所示。

图4 汽轮机保护通道试验逻辑组态注入信号方案示意图Fig.4 Schematic diagram of logic configuration injection signal scheme for turbine protection channel test

汽轮机辅助系统控制器AP3包含多路送往汽轮机保护控制器AP2的跳机保护信号，这些信号通过3路优化后的硬接线跨站跳机保护信号TTS0107NZ.XK46/47/48基础上，新设计了3路保护通道的测试按钮TEST CH1/2/3逻辑，测试人员可以在机组运行或者大修期间对上述通道进行试验。

同时，在汽轮机保护系统控制器AP2侧专门设计了测试信号接收逻辑TTP0101NZ.XK46、47/48，如图5所示。

图5 汽轮机保护通道试验逻辑组态反馈信号方案示意图Fig.5 Schematic diagram of logic configuration feedback signal scheme for turbine protection channel test

(3)跳机保护通道测试画面组态设计方面

为了实现这些跳机保护通道测试功能的操作的简易性和测试结果的直观性，在国内核电汽轮机保护系统画面中首次设计了汽轮机保护系统硬通道测试画面，实现了较为友好的人机测试接口,如图6所示。

图6 汽轮机保护通道试验人机接口Fig.6 Man-machine interface of Turbine protection channel test

以汽轮机辅助系统控制器AP3为例，图6中第二列代表来自汽轮机辅助系统控制器的所有跳机信号的硬接线输出三个通道测试按钮TTS0107NZ.XA90/91/92和对应的三个测试结果指示灯TTP0107NZ.XK46/47/48，将画面组态和逻辑组态下装至操作员站和控制器中后，测试人员可以在该画面完成从汽轮机辅助系统控制器的所有汽轮机保护信号传输功能验证。

3 优化后的测试方案优势分析

1)测试按钮A-ON统一设计为5 s脉冲指令，当测试人员在画面按下测试按钮，会触发该保护通道为期5 s的触发信号，5 s后该通道跳机信号自动复位，从设计上自动实现避免由于人因导致该通道测试结束后未复位导致跳机保护降级的风险。

2)三个测试按钮设计为互锁功能，每次正在执行一个跳机保护通道试验时，其他通道不允许测试员进行测试，从技术上自动避免由于人因导致跳级保护误动作的风险。

3)跳机保护测试功能设计为与跳机信号互相独立功能，即便是测试期间跳机信号触发，不会由于正在进行测试而闭锁了跳机保护功能，不影响该跳机保护功能的正常触发动作。

4)优化后不需要对保护信号进行拆接线，仅需1人在工程师站进行操作，一人监护即可，工作时间可从3人工作6 h，缩减为2人工作2 h，有效节省了人力及时间成本，也降低了人因失误风险。

4 总结

本文所述针对传统汽轮机保护通道测试试验实施方法占用关键路时间长、人力投入大、人因风险高的缺点，创新性地提出了通过DCS下发试验指令的方法来进行汽轮机保护通道试验，填补了汽轮机保护试验方法数字化上的空白，大大降低通道测试过程中人因失误的风险，避免了保护通道降级、减少工作中的人力时间成本，节约大修关键路径。该试验方案的优化还可应用于国内汽轮机保护系统采用同类技术路线的核电项目中，具有较大的推广价值。