杨念军 李和

摘要：核电厂汽轮机调节系统是自动控制系统中的重要系统，系统可实现功率控制、蒸汽压力限制等功能。汽轮机工作特性复杂，采用PID控制方法难以满足动态控制性能要求。PID参数整定困难，使控制系统内外部抗干扰能力较弱，机组稳定性对电网品质影响较大。汽轮机保护系统对保证汽轮机安全运行具有重要意义。介绍核电汽轮机保护系统特点，探讨核电汽轮机保护系统配置合理性，提出汽轮机机械超速保护优化建议，对核电汽轮机保护系统完善具有借鉴意义。

关键词：核电厂汽轮机超速保护技术改造研究

Study on Changing Mechanical Overspeed Protection to Electrical Overspeed Protection of Steam Turbine in Nuclear Power Plant

YANG Nianjun  LI He

（Hainan Nuclear Power Co.， Ltd.， Changjiang， Hainan Province， 572700 China）

Abstract： Steam turbine regulation system in nuclear power plant is an important system in automatic control system， which can realize power control， steam pressure limitation and other functions. The working characteristics of steam turbine are complex， and it is difficult to meet the requirements of dynamic control performance by using PID control method. It is difficult to set PID parameters， which makes the internal and external anti-interference ability of the control system weak， and the stability of the unit has a great impact on the quality of the power grid. Steam turbine protection system is of great significance to ensure the safe operation of steam turbine. This paper introduces the characteristics of nuclear power steam turbine protection system， discusses the rationality of configuration of nuclear power steam turbine protection system， and puts forward optimization suggestions for steam turbine mechanical overspeed protection， which has reference significance for the improvement of nuclear power steam turbine protection system.

Key Words： Nuclear power plant steam turbine; Overspeed protection; Technical transformation; Research

汽轮机是核电厂常规岛重要设备，对电厂运行起到重要作用。核电厂汽轮机调节系统实现功率控制、蒸汽流量限制，一二次调频功能等。汽轮机控制采用经典控制，在石化控制中许多参数采用传统PID控制，PID控制设计方便，国内外有很多PID整定方法，但对复杂非线性系统PID控制具有局限性。核电汽轮机工作特性复杂，由于主蒸汽压力扰动，传统控制方法无法达到理想控制效果【1】。PID参数整定依靠工程人员经验，随着机组容量增大，汽轮机调节品质不佳造成阀门频繁波动等问题，可以考虑改进现有控制方法。本文在汽轮机转速调节中采用模糊PID控制策略，使PID参数不断调整，解决核电工程汽轮机调节系统效果不理想问题。

1 汽轮机保护系统

汽轮机保护系统在机组发生故障时实现安全停机，工程中汽轮机保护系统采用三取二逻辑，在主控室设置操作员可手动停机按钮。汽轮机保护系统包括液压伺服机、跳闸电磁阀、保护回路检测仪表等。高压主气阀为全开关式，汽轮机保护系统动作快速关断。抗燃油进入油缸，复位弹簧被压缩，抗燃油压降低，孔板前产生差压，油缸内抗燃油快速放出，实验电磁法用于机组运行中在线阀门关闭实验，使卸油口与回油箱回路打开。跳闸电磁法是保护回路中电液转换重要环节，要求其供电可靠，电磁法控制不同继动器。根据保护系统设计原则，保护信号包括汽轮机超速信号、润滑油压低信号、控制器故障、反应堆连续跳汽轮机等。

2 汽轮机调节分析

汽轮机调剂系统通过控制蒸汽流量实现转速控制，主要功能包括并网后负荷控制，汽轮机快速负荷控制，蒸汽流量限制等。转速控制是根据设定目标转速控制进气阀开度。功率控制是根据电网自动逻辑运算目标负荷设定值控制开度，负荷降速是系统故障时快速降低机组负荷。压力限制是对汽轮机高压缸入口进气压力进行限制。汽轮机调节系统包括主汽隔离阀，仪表测量元件等【2】。

某核电机组有8组进气阀，调节阀通过Vickers伺服卡控制。核电机组由东方电气设计汽轮机，控制系统为TGX-S V2+系统。P320系统包括通信控制模块CCL，保护控制器模块STP，控制柜1布置通信控制器模块CCL等设备;控制柜2布置冗余调节控制器;控制柜3布置超速保护卡FT3124，相关供电开关等。通信控制器采用C8075模块，标准模块包括重内部总线接口卡，以太网卡实现与HMI冗余以太网连接。STG调节控制器是汽轮机调节系统重要控制器，控制器包括16槽底板，网络通讯等，STG控制器信号同时送入两列控制器。采用主備运行模式，备用控制器通过冗余心跳拷贝数据。控制器重要I/O故障、CPU看门狗发现故障，出现故障控制器可在不停机下更换【3】。

某核电工程采用东方电气汽轮机组，调节系统采用分层设计理念，基本控制为下层，自动控制为上层，负责热应力控制等高级复杂控制功能。分层控制理念由于控制系统硬件可靠性不高，通过模拟电路模块实现下层控制，上下层控制功能不需使用不同控制器实现。分层控制理念延续使用。汽轮机转速通过传感器测量，6个探头作用于汽轮机超速保护，3个探头采用平均值方式。转速控制负责机组冲转过程控制。并网后转速控制转换为一次调频控制。自动控制回路限制因素包括转速给定值变化率限制、升速中保持功能，给定值自动设置等。

汽轮机负荷控制设置高压缸为第一级入口蒸汽限制模式，高压缸入口压力限制采用限制进气压力，可由反应堆功率仪表系统激活，达到防止反应堆功率超调目的。蒸汽流量限制目的为限制近期流量不超过一定值，需要根据电厂效率计算后给出，可将限制值设置到上限105%。高压缸热应力通过监测内外壁温度计算得出，高压转子热应力需采用间接测量法，通过热应力换算允许升速率。热应力控制功能由操纵员投入，转速负荷变化受到限制。汽轮机快速减负荷载在系统故障时缓解带来的影响，采用硬接线方式将信号送到汽轮机调节系统。检测甩负荷工况需快速关闭汽轮机调节阀【4】。

3核电厂汽轮机机械超速保护改造分析

中核运行二厂机组配置机械超速保护装置，根据技术报告及国家标准，《汽轮机调节系统技术条件》，将1，2，3，4号机组机械超速取消，改为增加电路避免受到过大应力损害，超速实验在3000rpm下执行，首次并网无需执行超速实验。机械超速保护装置传统结构为飞锤，撞击危机诊断器杠杆，导致汽轮机进气阀门关闭。新安装机组后首次启动，危急遮断器解体检修后，机组停机1个月后汽轮机需进行超速实验【5】。

汽轮机运行中向飞锤注入油压，由于影响充油实验飞锤动作因素多，如危急遮断器飞锤异物卡涩等。超速实验前需站在机头脱复手柄前。转速达到1.11n0，运行人员应拉动脱复手柄到脱扣位置。防止汽轮机转速飞升危及安全。对脱扣机构进行检查，超速保护不能动作表明压缩弹簧压力过紧。超速实验转速达到1.10-1.11nO，在超速实验时不能出现转子其他热应力，规定启机带上10%额定负荷4h，允许减负至零进行超速实验。汽轮机机械超速机构实验复杂，导致影响大修关键路径。独立电超速组成包括3个模块，停机输出3取2表决模块，信号送AST电磁法阀组等。系统可对电磁法作在线实验，实验按钮在DEH界面上可视，任何单一模块故障不会导致误停机。

取消机超后飞锤机构保持不变，短轴保持取消机超前状态不变。新增独立电超包括1套DOPS，1个三取二跳机模块。系统调试包括接线回路检查，110%超速遮断等。送电前核电源接线，就地停机按钮接点、电磁阀线路可靠性等。送电后核查电源冗余切换功能，这端回路操作台遮断功能等。对最低转速值，故障报警指示值、超速遮断死区值等进行重点核查。解除转速联锁保护功能，核查110%超速动作值。核查超速软件控制逻辑正确性，检测硬件回路逻辑判断功能，核查超速软硬件回路保护是否按预定设定值动作。检测故障显示报警功能正确性。核查电超速保护控制单元接线回路后，静态联合实验装置功能【6】。

取消机超后防止飞车屏障解除，要考虑飞升转速超过上限值，继电器延时时间等准确设置。充分保证软硬件可靠性，考虑运行中机柜安装，保证系统不误动。删除机械超速相关规程章节。取消机械超速保护系统，可以减少大修时间，经精心改造可靠可控。汽轮机保护系统非常重要，优化保护配置可以提高运行安全性。汽轮机保护系统调试运行满足机组运行要求。建议优化轴振保护配置，增加可实现主油箱位测量油位计。

4结语

PID满足大多数应用的需要，但系统控制复杂，某些情况下PID控制存在一些问题，通过其他方式解决会带来很多成本影响。如阀门波动问题，可通过控制系统补救，更换为大容量阀门会带来其他问题，工作中要应用多种理论解决问题。本文从控制理论等方面分析，阐述理解模糊控制理论基础上，通过检测机组负荷偏差，对PID参数进行实时变化，找到最优的PID参数配置。改进后的模糊PID动态响应快速性较好，表明PID控制法可用于核电厂汽轮机控制，但能否推广需要调试验证。

参考文献

[1]魏晓栋.核电厂汽轮机机械超速保护改电气超速保护初探[J].仪器仪表用户，2017，24（5）：93-95.

[2] 张利冰，丁近厚，沈元帆，杨帆.在役核电站一种高可靠性的汽轮机超速保护的研究与实践[J].仪器仪表用户，2021，28（7）：64-66+93.

[3]袁凤学.某核电厂汽轮机机械超速远程注油试验失效分析[J].仪器仪表用户，2020，27（3）：81-83+55.

[4]吴忠全.汽轮机电子脱扣替代机械超速脱扣的改造[J].大氮肥，2020，43（4）：251-253+270.

[5]齐江永. 汽轮机DEH系统延迟分析及其抑制方法研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

[6]尹剛. 压水堆核电厂反应堆与汽轮机功率协调控制方案的研究[D].上海：上海交通大学，2018.

1115501186200