模块式小堆汽轮机保护系统选型

模块式小堆汽轮机保护系统选型

李建锁,高敏,李宗琪,张林

中国核电工程有限公司河北分公司     河北石家庄   050000

摘要：汽轮机保护系统对汽轮机的安全运行起至关重要的作用，本文针对汽机保护系统的基本技术要求，对现有产品技术现状进行分析，论述了模块堆汽机保护系统的选型问题，为以后模块式小堆汽轮机保护系统的实际工程设计选型奠定了基础。

关键词：小堆；保护系统；选型；分析

Selection ofSmall Modular ReactorTurbine Protection System

Abstract：Turbine protection system is very important for safe running of turbine. Aiming at the basic technical requirements of the turbine protection system, the article analyzes the present state of the technology，discusses the selection problem of the turbine protection system，and lays the foundation for the future selection of small reactor turbine protection system in actual engineering design.

Key words：small reactor；Protection system；Selection；Analysis

0引 言

汽轮机作为常规岛最主要的设备，其保护系统的安全可靠运行直接关系到电网的供电质量和电厂的安全、稳定、经济运行。与现有火电机组和大型核电机组相比，模块式小型堆汽轮机的技术参数、运行工况等都有所差别，其保护系统的设计也应有自身的特点，因此对汽轮机保护系统的设备选型进行分析和研究是十分必要的，对小堆工程建设也有着重要的现实意义。

1汽轮机保护系统概述

机组配置汽机保护系统是为防止某些设备故障造成汽轮机严重损坏，该系统接受汽机的跳机信号，如真空度，润滑油油压，控制油油压等。当其中某些参数超过运行限值时，发保护信号到保护系统使汽机的AST电磁阀动作，关闭所有汽轮机进汽阀门，切断汽轮机所有进汽，有效地保护汽轮发电机组安全。

2汽轮机保护系统技术要求

模块式小堆汽轮机保护系统主要的技术要求：

（1）危急遮断系统应按失励遮断原则工作。保护设备应按照“故障-安全”设计原则，系统故障或电源丧失时，其输出应确保汽轮机趋于安全状态。

（2）汽轮机至少设置两套用于防止超速的超速保护装置。

（3）遮断回路及电磁阀应冗余配置。遮断回路的设计应保证系统不会拒动，并能进行在线遮断试验。

（4）在线遮断试验应使被试的遮断电磁阀动作，但不引起汽机跳闸。汽机保护系统应能在线试验每个通道及跳闸功能，系统试验时不应影响跳闸功能。

（5）危急保安系统应有联锁保护，防止汽轮机突然再进汽，当引发跳闸保护的原因消失后，不应使跳闸装置自动复位和蒸汽阀重新开启。

（6）设计适当的冗余回路以保证跳闸动作，并尽量减少误跳闸，该系统至少有两个独立的通道。汽机保护系统中用于保护、跳闸的所有现场信号应采用双冗余或三冗余测量，通过二取一或三取二逻辑选择获取。系统现场冗余测量信号的I/O点应分别配置在不同输入卡上。单个I/O模件的故障，不能引起系统的故障或跳闸。

（7）一些主要的保护装置，如超速保护、轴向位移超限保护等，应有分别的通道，具有冗余输出。

（8）汽轮机跳闸系统的保护信号均采用硬接线。

（9）主要性能指标要求:

系统可用率：≥99.99%；平均无故障时间（MTBF）至少应达到100年；电子控制系统的处理周期要求不超过20ms。

3汽轮机保护系统产品现状分析

汽机保护系统经过多年的工业化应用，已非常成熟完善。西门子、伍德沃德、阿尔斯通、西屋、日立、东芝等都拥有相当成熟并经过核电站或常规电站运行验证的产品，并具备系统的设计、调试、测试、检验等技术能力。

经过多年的努力，目前我国已能生产自己的ETS控制系统，主要有和利时、浙江中控、国电智深、上自仪、科远等，这些公司的产品广泛应用于民用工控领域。国内几家供货商已开启了向核应用领域迈进的步伐。

3.1系统特点对比

对目前国内已建及在建核电机组常用的进口产品进行对比分析，另外还选取了某国产产品，详见表3-1。

表3-1系统特点对比表

3.2系统特点对比分析

上述四套系统在供电、遮断原则、冗余性、系统可用率、平均无故障时间、SIL-3认证、在线维修更换、记录首出跳机原因等方面基本相同。下面主要对其不同点进行论述。

（1）DCS和PLC实现方式对比分析

实现方式目前主要是可编程逻辑控制器和分散控制系统。用PLC系统实现ETS与用DCS直接实现ETS，已经没有什么本质的区别，两者的响应性都极快，可靠性都很高，对现场的抗干扰性良好，都易于编程，易于维护。

从在建的项目看，业主更强调汽机控制和保护系统与全厂主仪控系统实现一体化，其优缺点如下：

1）一体化设备间的通信将是最直接的，不需要另外增加任何设备。虽然现在的工业设备的通信接口倾向于标准化、规范化，非一体化设备间的通信接口容易匹配，但需要双方供货商对协议及数据格式进行协商，在有较高响应时间要求时，还需要进行工厂测试。

2）一体化方案可以实现工程师站的共享。非一体化方案则需要分别配置工程师站。

3）一体化方案使调试、运行和维护更方便，能对DCS进行调试和运维就能对ETS进行调试和运维。

4）一体化方案可以实现备品、备件与主仪控系统通用。非一体化方案则需增加单独的备品备件，既增加了设备管理负担，也不经济。

5）一体化方案对设备采购造成困难，如不能实现一体化采购的情况下，汽轮机保护系统的价格很难谈判。

（2）方案结构对比分析

核电机组选用的ETS都是由主控制系统和独立的超速保护系统组成，火电机组对独立的超速保护系统则没有明确的要求，国内生产商的产品一般也不单独配置。配置独立超速保护主要优点为：

1）独立超速保护系统相当于是在主控制系统的超速保护之外加了一道汽机超速保护，有效地提高了系统应对超速事故的处理能力。

2）与主控制系统相比，独立的超速保护系统采用不同的硬件和软件，能有效地防御共模故障的发生。

（3）处理周期对比分析

华龙、AP1000及VVER核电机组都对ETS系统的处理周期提出了不超过20ms的要求，从各供货商提供的技术资料来看，只有某些公司的产品能够满足此性能要求，其它产品都不满足，这严重制约了设备选型。但是针对不同的汽轮机组，其跳闸时间是需要经过计算的，可以通过计算确定ETS系统的处理周期。

4、结束语

通过对模块堆技术要求及常用ETS系统的特点和性能分析，目前国内外主流产品能够满足模块堆的选型需求，国内产品在价格和服务方面有自身的优势，但在核电应用业绩较少，模块堆汽轮机保护系统的选型应坚持成熟、可靠的原则。

［参考文献］

[1] 赵凤毅，汽机保护紧急跳闸系统的实现方式[D]，民营科技，2009,第3期

[2] 中国电力出版社，DL/T892电站汽轮机技术条件[S]，国家能源局，2021

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