核电厂仪表与控制系统第7部分-主汽轮机和珍断

授课人：吴剑鸣研究员级高级工程师日期：2013年9月中电投高级培训中心核电厂仪表与控制基础

第8单元

主汽轮机控制和珍断系统（TOS）

2.主汽轮机控制（MTC）1.

TOS概述3.主汽轮机保护（MTP）4.紧急跳闸系统（ETS）5.汽轮机监测仪表（TSI）6.汽轮机诊断监测（TDM）7.

TOS相关其它系统和设备

转子应力监测（RSM）第8单元目录

汽水分离再热器（MSR）控制TOS系统是电厂控制系统（PLS）的重要组成部分之一，该系统主要执行以下功能：操纵员自动和超速保护控制（OA/OPC）自动汽轮机控制（ATC）转子应力监测（RSM）汽水分离再热器控制（MSR）紧急跳闸系统（ETS）辅助控制（AUX）随主设备配套供货的控制装置TSI、TDM和AVR（由CI供货商提供）提供信号给TOS，用于某些保护和控制作用。1.TOS概述（续）基于数字化分散控制系统Ovation平台:构造功能系统所必须的标准设备和软件的总称，它包括系统软件、应用软件、计算机、操纵员工作站、控制机柜、多路调制器、系统通讯网络和远程输入/输出（I/O）等（非1E级）。独立运行的汽轮机控制和诊断系统（TOS）仅包括汽轮机数字电液控制系统（DEH:DigitalElectricHydraulicControlSystem）功能和汽轮机紧急跳闸系统（ETS）功能。DEH一般由汽轮机制造厂提供。2.汽轮机控制和诊断系统（TOS）由汽轮机厂设计组态，系统硬件设备与DCS系统相同。汽轮机控制和诊断系统（TOS）的控制机柜布置在汽轮机厂房。3.汽轮机监视仪表系统（TSI）和汽轮机振动监测和故障诊断系统（TMS）与电厂控制系统（PLS）和汽轮机控制和诊断系统（TOS）的接口主要采用通讯与硬接线的方式。1.TOS概述DEH系统的主要功能包括：汽轮机转速控制、自动同期控制、负荷控制、参与一次调频、机/堆协调控制、快速减负荷、主汽压控制、单阀/多阀解耦控制、阀门试验、汽轮机程控启动、OPC控制、甩负荷及失磁工况控制、双机容错、与DCS系统实现数据共享、手动控制等。DEH系统的组成包括：操作员站、HUB（或交换机）、控制柜、伺服放大器、电液转换器、油动机、LVDT（差动变压器式位移传感器）。主汽轮机控制系统（MTC）能够自动控制流入汽轮机的蒸汽量来维持汽轮机转速和负荷的平衡。1.TOS概述（续）TOS系统主要包括以下四个部分：主汽轮机控制(MTC)：汽机转速和负荷的自动和手动控制；主汽轮机保护(MTP)：保护停机、自动紧急跳机；汽轮机监测仪表(TSI)：汽轮发电机机械状况的监测；汽轮机诊断监测(TDM)：汽轮发电机监测和诊断。TOS还向Ovation数据网络传送数据，使其它系统能访问TOS系统的状态。61.TOS概述（续）开关量输入1081点开关量脉冲输入3点开关量输出326点模拟量输入421点模拟量输出79点热电阻（RTD）输入193点注：TOS部分的最终I/O量由T-G制造商负责确定。非安全级平台TOS部分控制规模2.主汽轮机控制（MTC）

操纵员自动控制（OA）执行额定汽轮机转速和基本负荷控制工况下的全部功能。OA的主要功能是选择各种运行模式，例如：手动模式操纵员自动模式自动同期模式远程模式基于运行模式，OA/OPC控制器内的TOS控制逻辑计算定值、目标值和速率。控制器根据当前的定值可以为速度控制和三个独立的负荷控制回路修正阀门需求指令信号。三种单独的负荷控制回路包括：速度（频率）校正回路、功率回路和汽机冲动级压力反馈回路。

当DEH处于没有反馈的自动模式，并且反应堆处于额定压力和温度条件下时，如果调节阀（流量与行程对应）的流量特性曲线是精确的，那么参考值与实际功率应匹配。OA控制器将以前馈的方式按照调节阀流量特性曲线确定调节阀阀位。DEH的速度、功率和冲动级压力三个闭环反馈回路都可以在线可调。在不与系统解列的负荷控制时，任意一种反馈控制回路都可以按照操纵员的要求置于工作或退出工作。这些反馈回路之间完全相互独立，但冲动级压力回路和功率回路之间相互闭锁，两个回路不能同时在役。

超速保护控制（OPC）由超速功能、关闭截止阀功能、预先降负荷（LDA）功能和超速跳闸功能来实现。操纵员自动和超速保护控制（OA/OPC）自动汽轮机控制（ATC）功能使用来自转子应力监测（RSM）功能的转子应力信息自动地使机组以可能的最快速率加速或加负荷，并且不会使汽机转子应力超限值。在速度控制时，ATC模式将在0～1500rpm范围内自动改变需求信号，同时监测所有的振动、金属温度等变量；当达到稳定工况时，保持转速。根据初始的断路器闭合状态，控制将自动切换到仅监控汽机的操纵员自动模式。一旦处于负荷控制，当操纵员输入一个新的需求时，可再次选择ATC控制模式，并且针对操纵员选择的需求自动地计算参考值。在ATC的负荷控制模式下，也可选择远程模式,并且执行所有的ATC监测功能，同时保持负荷防止改变远程控制参考值。在负荷控制的ATC模式下也可选择加负荷速率，这个速率与电厂加负荷速率和操纵员输入的加负荷速率比较，并选择最低值。自动汽轮机控制（ATC）机组监控自动化水平和运行方式正常运行时（恒定负荷、基负荷，负荷跟踪）实现堆跟机运行模式。机组本身应具备调峰运行功能，即能在额定负荷和最小负荷（厂用电负荷）之间的任一负荷工况下稳定运行。在25~100%额定功率范围内，机组能适应从初始功率阶跃下降10%的变化；在15~90%额定功率范围内，机组能适应从初始功率阶跃上升10%的变化而不引起反应堆停堆或者蒸汽排放；在15~100%额定功率范围内，机组能够承受每分钟5%的功率线性变化，而不引起反应堆停堆或者蒸汽排放，但受到堆芯功率分布的限制。手动控制可在0~100%额定功率范围内进行。汽轮发电机的运行满足电网负荷要求，可进行负荷跟踪、调整和限制负荷波动。在30%到100%发电机额定功率范围内，可以进行负荷自动变化。在低功率水平上能够实现稳定手动操作。在突然的大功率甩负荷情况下（如汽轮机脱扣或50%以上功率与电网解列），能够通过快速降功率系统实现核功率的速降，从而使得热功率下降到蒸汽排放系统可以调节的水平；在汽机脱扣的情况下，蒸汽旁通到冷凝器，反应堆可不停堆。电厂在稳态运行期间，操纵员主要通过主控室内的操纵员站和大屏幕显示器监视电厂的运行工况，并可通过操纵员站对电厂进行控制。事故情况下，一般由保护系统动作，使反应堆功率降到热停堆状态。各种安全动作都是自动的，以便在预计运行事件或设计基准事故开始的一段合理时间内，不需要操纵员的干预。此外，操纵员能够获取足够的信息以监视自动动作的效果。机组监控自动化水平和运行方式（续）1.汽轮机组升速控制MTC利用液压控制系统驱动MSV-主汽阀、GV-主调阀、RSV-再热主汽阀、ICV-再热调节阀，MTC的控制功能在DCS平台上实现。通过在整个转速范围内设置多个不连续的限值，TOS系统能够自动控制汽机的转速和加速度。汽轮机的备用手动控制的优先级大于自动控制。升速控制是按照设定的升速速率通过控制由主汽阀MSV流入高压缸的蒸汽量，来提升汽轮机的转速，MSV的小流量先导阀可提供好的控制精度。升速中GV和ICV处于全开状态。132.主汽轮机控制（MTC）续阀门切换功能指自动从MSV控制向GV控制切换的功能，为升速完成后的负荷运行做准备。在人机界面操作屏上选择“阀门切换”时，首先通过逐渐减小在升速控制阶段加载在GV阀位指令（GVPD）上的GV全开偏置，来逐渐关小所有GV。当GV全开偏置减小到零时，通过自动增加MSV全开偏置来全开MSV。汽轮机跳机时，通过伺服阀关闭所有的阀门（MSV、GV、RSV、ICV），并保护其阀芯；调速器控制并网运行时，调速器控制能根据电网频率调节GV阀位，改变汽轮机输出，以保持电网频率的稳定。142.主汽轮机控制（MTC）续调速器自动跟踪调速器自动跟踪功能是在负荷限制模式（LL模式）运行期间，调速器设定值自动设定为负荷限制器设定值加上一个固定值（跟踪带宽，如10%），使在电网不稳定时切换至GOV模式，以关小GV。在该功能下，GOV模式和LL模式的切换是瞬间自动完成的，切换时负荷不会波动。负荷限制器控制（LL模式）GV和ICV阀位取决于负荷限制器设定值，该值可任意改变，与电网频率无关。当负荷限制器阀位指令小于GOVPD时，汽轮机的运行模式由GOV模式自动转为LL模式；2.主汽轮机控制（MTC）续超速保护控制（OPC）通过检测超速预感器（负荷不平衡就是计算汽轮机输出功率和发电机负荷），并快速关闭GV和ICV（下泄的紧急跳机油使泄压阀打开）来防止汽轮机超速自动负荷调节器（ALR）ALR能自动以低速率增减负荷，ALR负荷变化率可以带宽0.1%、0-300%/小时范围内手动任意设定；如选择了ALR程序运行模式“GO”，负荷就会以选定的变化率向ALR负荷目标值靠近；Runback控制功能使负荷限制器控制设定值和调速器设定值都以一个固定的负荷变化率（200%/分）减少；2.主汽轮机控制（MTC）续超速跳机试验功能让汽轮机在解列时实际升速，以确认机械超速跳机装置的实际动作转速，能手动增加转速设定值；OPC试验功能解列期间，实际运行OPC,全关GV、ICV,确认OPC功能；阀门试验功能确认阀门的可用性，一个MSV和一个GV成对地进行；一个RSV和一个ICV成对地进行。2.主汽轮机控制（MTC）续目标转速设定值

18升速速率

19主汽轮机保护：通过对汽轮机异常的早期监测，使汽轮机安全停机，防止汽轮机损坏。最主要的操作对象是电磁阀块：四个汽轮机跳机电磁阀块；两个OPC电磁阀。四个汽轮机跳机电磁阀块（SV-1到SV-4）组成两个（A和B两列）2取1，正常运行时通电，紧急跳机油下泄阀关闭，油压为11.4-11.5Mpa,安装在每个主阀门油动机上的卸载阀关闭，当MTP输出跳机信号，SV-1到SV-4断电打开，紧急跳机油下泄，卸载阀打开，主阀门关闭，主汽轮机跳机。当汽轮机转速超过比如103%满功率时，将通过给OPC电磁线圈通电进而关闭主调门和再热调节阀的方法来降低汽轮机转速。3.主汽轮机保护（MTP）主汽轮机保护：通过对汽轮机异常的早期监测，使汽轮机安全停机，防止汽轮机损坏。最主要的操作对象是电磁阀块：四个汽轮机跳机电磁阀块；两个OPC电磁阀。四个汽轮机跳机电磁阀块（SV-1到SV-4）组成两个（A和B两列）2取1，正常运行时通电，紧急跳机油下泄阀关闭，油压为11.4-11.5Mpa,安装在每个主阀门油动机上的卸载阀关闭，当MTP输出跳机信号，SV-1到SV-4断电打开，紧急跳机油下泄，卸载阀打开，主阀门关闭，主汽轮机跳机。当汽轮机转速超过比如103%满功率时，将通过给OPC电磁线圈通电进而关闭主调门和再热调节阀的方法来降低汽轮机转速。3.主汽轮机保护（MTP）一个机械超速跳机闭锁电磁阀(SV-MOST:三通阀)，它装在紧急跳机油系统的紧急跳机隔膜阀的上游；正常运行时，SV-MOST通电，当紧急跳机隔膜阀打开时，紧急跳机油母管泄压，所有主阀门关闭，主汽轮机跳机；超速跳机飞锤安装在主汽轮机的主油泵轴的末端，飞锤由弹簧克服离心力来固定。当主汽轮机速度上升到设定速度时，飞锤在离心力作用下弹出。随后MOST的滑阀打开，自动跳机油流出下泄。应急跳机隔膜阀正常情况下在自动跳机油的压力下保持在关闭位置。当自动跳机油流出下泄，应急跳机隔膜阀打开，紧急跳闸油流出下泄。紧急跳闸油压丧失导致所有主阀门(MSV、GV、ICV和RSV)关闭。

3.主汽轮机保护（MTP）续真空低：四个压力开关组成两级2取1；轴承油压低：四个压力开关组成两级2取1；推力轴承磨损：四个压力开关组成两级2取1；电超速：四个3取2电路，电超速跳闸定值大约为110%额定转速。23MTP触发信号机械超速紧急跳机油压低手动跳机操作(就地和远程)转子振动高低压缸排汽温度高主汽轮机控制系统(MTC)异常两台循泵停泵发电机跳机从核岛来的跳机请求（3个）汽轮发电机运行时，非常重要的一点就是要投入保护系统，以便在存在可能导致设备损害的危险工况下自动使汽机跳闸。这样的系统需要具备公认的可靠性，以便在要求汽机跳闸时动作并且避免汽机误跳闸。为了防止发生如果不及时退出工作就可能引起机组损坏的危险，紧急跳闸系统（ETS）提供了一种快速、精确和有效的保护手段。系统采用多通道原则连续监测关键的汽机参数，如果参数超过汽机运行的安全限值，将给所有蒸汽阀发送关闭信号，使机组跳闸。ETS由紧急跳闸－试验控制块、一个冗余配置的ETS控制器和与其相关的软件，以及汽机超速检测和超速跳闸装置等现场I/O接口设备组成。4.紧急跳闸系统（ETS）ETS提供独立的汽机超速跳闸功能，此外还提供了超速跳闸实验功能。在功能上，ETS超速跳闸与OA/OPC控制器超速跳闸是相同的，就是说，它是后者的一个功能上的补充。如果将用于ETS的测速探针与用于OA/OPC控制器的测速探针分别安装在不同的位置，系统功能将更加优越。当OA/OPC和ETS跳闸功能都提供时，两个超速跳闸信号在与自动跳闸电磁阀线圈接口的ETS继电器逻辑中组合。这种途径提供了独立和冗余设置的汽轮机安全跳闸的方法，满足了工业领域内预期的不断增加的可靠性要求。OA/OPC转速探测模块安装了超速跳机软件定值，带有跳闸继电器的速度探测器按2/3跳闸逻辑接线。在这种结构下，OA/OPC控制器和ETS控制器可单独断开，并且仍然可以防止汽机超速，因为超速探测器模块独立于控制器工作。4.紧急跳闸系统（ETS）（续）汽轮机紧急跳闸系统（ETS）至少具有下列停机保护功能：汽机超速（转速>3300转/分）；轴向位移过大；三取二逻辑判断润滑油压过低（≤0.02MPa）支持轴承温度高（>75℃）；或推力轴承温度高（>75℃）；三取二逻辑判断凝汽器真空低（＜0.06MPa）发变组故障；手动停机保护。4.紧急跳闸系统（ETS）（续）为了防止或减缓反应堆的过冷，或减少由于汽轮机失汽而导致设备损坏，满足下列任一条件即可触发汽轮机跳闸：反应堆停堆；蒸汽发生器窄量程液位高于Hi-2（由任一蒸发器窄量程水位高于Hi-2整定值的四取二逻辑产生）；手动主给水隔离。一回路侧联动触发汽轮机跳闸信号汽轮机安全监视系统（TSI）执行监测汽轮发电机机械状况的功能。TSI提供模拟量检测输出和数字量跳闸输出至汽轮机控制保护系统。TSI系统主要包括检测探头、信号前置放大器、专用电缆、具有信号整定的机柜、监视器和其他设备。通过检测汽轮机的振动、偏心率、轴位移、转速、差胀、缸胀工况值，监视汽轮发电机机械状况。典型的TSI系统结构如下图所示。5.汽轮机监测仪表（TSI）5.汽轮机监测仪表（TSI）（续）汽轮机安全监视系统的监视参数包括：

机组的转速监视。触发自动盘车的机组零转速监视。转子的轴向位移监视：用于监视转子推力盘相对于推力轴承的轴向位移。轴系偏心(弯曲)监视：用于监视转子偏心度的峰--峰值和瞬时值。机组的膨胀监视：用于监视汽缸的绝对膨胀和转子与汽缸间的轴向膨胀差(胀差)。机组的轴系振动监视，由于大型机组的轴系比较复杂，该监视系统又可细分为：转子绝对振动峰一峰值；轴承座振动峰一峰值；转子相对于轴承座的相对振动峰一峰值。5.汽轮机监测仪表（TSI）（续）汽轮机安全监视系统的监视参数包括：机组转速测量9个（1个电涡流原理的用于就地指示，8个磁阻原理的用于MTP、MTC系统）。自动盘车用的2个电涡流式机组零转速（1-99rpm）测量。用于监视转子推力盘相对于推力轴承的2个电涡流式转子轴向位移监测。一个用于监视转子偏心率的电涡流式轴系偏心检测。机组膨胀（一个用于监视汽缸的绝对膨胀，2*2个用于转子与汽缸间的轴向胀差）。用速度传感器监测机组11个轴承箱的绝对振动。包括发电机和励磁机转子轴承在内的转子振动（用11*2个电涡流传感器监测11个转子轴承的相对振动）监测。5.汽轮机监测仪表（TSI）（续）TDM的系统功能是完成对汽轮发电机组机械参量的监测和自动故障诊断，分析汽轮发电机的振动数据（振动向量和频谱）是否与限值相符，并把分析结果显示在LCD上。TDM系统特点：1.不间断地对机组运行状态进行在线实时监视；2.完整保留机组振动、起停机、和升降负荷等数据；3.提供丰富的专业诊断图谱；4.长时间、大容量地保留机组历史数据；5.当机组发生故障时，能方便地查询故障变化趋势。6.汽轮机诊断监测系统（TDM）相对振动波形：11x2绝对振动波形：11x1脉冲：1其它TSI信号：8电厂数据：8轴承金属温度：11x1TDM系统的输入信号说明：数据采集和分析时间间隔：振动向量、电厂数据每秒1次，频谱信号每2小时1次；检查数据是否超过限值，越限时显示报警信息；正常情况下，系统保存历史数据至少10年；报警时能提供报警原因的诊断信息。TDM执行汽轮发电机监测和诊断功能，出现报警时，系统可以自动诊断。系统自动诊断出的原因举例如下：轴不平衡轴裂缝轴承磨损转子未对中油膜振荡/涡动转子弯曲摩擦转动部件松动发电机热弯曲联轴器不耦合转子不对称轴间隙主要包括：6.汽轮机诊断监测系统（TDM）（续）转子应力监测（RSM）功能进行汽机转子应力计算，并将当前实际和预期的转子应力相关信息提供给操纵员。信息包括推荐的加速度和加负荷速率，以及所允许的最大瞬时负荷变化值。以下列出的是为核电站汽轮机配置的RSM软件程序功能清单：高压缸汽轮机转子应力的确定；汽室金属温度和预计汽室金属温度的定期计算和监视；盘车装置运转监视；转子应力控制；偏心率和振动监视；进水检测和疏水阀的控制；转速需求和加速度/加负荷率控制；轴承温度监视；发