在核电厂中，汽轮机仪控技术是连接核岛与常规岛的中枢纽带，除了自身重要而复杂的调节、保护功能之外，还重点涵盖了反应堆与汽轮机协调控制保护的功能接口实现，以及与DCS通信、与电网中调接口、与发变组保护联锁保护等。
从系统功能角度划分，核电厂汽轮机可划分为汽轮机专用仪控系统、汽轮机辅助系统。
1遵循标准
从核电厂安全分级角度来看，汽轮机不执行核安全或核安全相关功能，属于非安全级系统。其设计主要参考的相关标准为IEC标准、国家标准、电力行业和能源标准。
常用的标准主要有：
IEC 60045-1-1991, Steam turbine partl specification;IEC 61064-1991 ,Acceptance Tests for steam turbine speedcontrol system；GB 50660-2011《大中型火力发电厂设计规范》；GB/T 5578-2007《固定式发电用汽轮机规范》；DL/T 590-2010《火力发电厂凝汽式汽轮机的检测与控制技术条件》。
标准中对汽轮机仪控设计的主要技术要求如下。
(1)汽轮机控制和保护系统应保证机组在各种运行模式及工况下安全、可靠、灵活、有效地运行。当机组发生故障或事故时，能使机组安全停机。
(2)用于汽轮机保护系统的测点应采用多点冗余、独立取样方式，并遵循独立性原则。
(3)汽轮机保护系统应采用多通道的保护设计。用于汽轮机跳闸的泄油电磁阀应采用失电打开（泄油）方式，电磁阀应为可靠的多重化设置。
(4)根据核电厂不同的运行工况以及内、外部实际的影响，考虑下列设计原则： ①在正常运行及对于预期运行事件，应考虑提供设备计划维护和检修服务的可能性；
②与核电厂安全及机组运行可靠性相关的控制系统，采用冗余性和独立性准则、故障安全准则、可试验性和可维修性准则。
(5)测量和控制设备（或成套装置）的功能、性能及配置的数量应使汽轮机在各种状态下能自动快速安全启动、并网，直至带满负荷；具备在正常运行时能接受电网调度指令、平稳调整负荷的功能，在故障状态时能自动处理，直至安全停机。
(6)汽轮机从冲转、并网、带基本负荷，直至带满负荷的全过程能投入自动控制，并能实现负荷限制、快速降负荷、停机保护的功能。当部分或全部甩负荷时，通过汽轮机旁路控制系统动作及汽轮机调节系统的作用，不会引起停堆和停机。
(7)汽轮机调节系统根据自动同期系统的指令完成汽轮发电机的转速匹配，保证发电机能自动地同步并网。发电机并网后，汽轮机应迅速带基本负荷。
(8)汽轮机在正常运行中，汽轮机调节系统能配合反应堆功率控制系统实现功率或进汽压力控制功能，并具有一次调频功能。在重要运行参数超过允许值时，汽轮机调节系统有完善的负荷限制功能，包括汽轮机在功率调整方式时的压力限制功能。
(9)汽轮机调节系统的可靠性设计准则按照故障降级原则考虑，即根据故障的性质和范围退出部分控制功能，但最终只能降低到保留转速控制的水平。当转速控制功能因故障失效时，应立即停机。不允许采用手动控制转速方式。
2汽轮机保护系统
汽轮机保护系统和跳闸系统是用于某设备或系统故障时尽快停止汽轮机的运行，以保护其不受损害。
对于汽轮机保护系统，根据设计标准，应满足如下要求。
(1)独立的超速保护装置。
(2)冗余的仪表和控制器。汽轮机保护系统应采用多通道的保护设计。用于汽轮机跳闸的泄油电磁阀应采用失电打开（泄油）方式，电磁阀应为可靠的多重化设置；用于汽轮机保护系统的测点应采用多点冗余、独立取样方式，并遵循独立性原则。
(3)故障安全。
A核电厂的汽轮机保护系统架构如图1所示。其有3个跳闸通道，每个通道由独立的CPU和输入输出卡件构成，每个通道控制一个跳闸电磁阀。3个跳闸电磁阀控制就地的跳闸模块( TRIP BLOCK)实现3取2跳闸逻辑，对供油母管进行卸油，从而跳机。
跳闸电磁阀由机柜提供的24 VDC供电，电磁阀失电跳闸。在供电回路上，串联停机按钮触点、超速保护触点、MPM123硬件跳机（润滑油压低、低压缸排汽压力低、高压缸排汽压力低）触点和软件跳机触点。正常运行时，所有触点闭合，跳闸电磁阀带电。当上述任意一个触点打开，电磁阀供电丧失，抗燃油压失去，汽轮机跳闸。
B核电厂的汽轮机保护系统架构如图2所示。以其中的一个主汽阀为例进行说明，该主汽阀配置两个电磁阀CSE0313EL和C.SE0314EL，其中任意一个电磁阀失电，将导致主汽阀关闭。这两个电磁阀由两个failsafe的DO卡件分别控制。DO卡件的供电由3路24 V电源通过3取2的逻辑进行供电，供电回路上串联有两套超速保护装置、停机按钮，只要其中任意一套超速保护装置或者停机按钮触发，则DO卡件失电，主汽阀关闭。
从上述两个电厂的汽轮机保护系统方案可以看出，在独立超速保护装置、故障安全、冗余设置等方面，均已满足标准基本的要求，但不同的电厂在实现方面存在如下技术差异。
①故障安全设计。A电厂所有阀门由抗燃油压母管进行供油，跳闸模块( TRIP BLOCK)布置在母管上，保护系统动作直接作用于跳闸模块，使母管油压失去，所有阀门关闭。B电厂中，抗燃油压母管上无跳闸电磁模块设计，抗燃油供油到各个阀门，保护系统直接动作各个阀门上的跳闸电磁阀。上述跳闸模块或跳闸电磁阀，在汽轮机正常运行时处于带电状态，失电则停机，确保汽轮机在故障（供电失去）情况下处于安全状态。
②超速保护装置设计。A电厂采用3个转速探头，送到3个超速保护卡件，实现3取2逻辑判断。B电厂采用6个转速探头，分成两组，每组3个，送到两套超速保护装置中，每套超速保护装置中将转速进行3取2处理，两套超速保护中任意一套动作即跳机。B电厂的超速保护配置可靠性高于A电厂。
③冗余设计。转速探头设置方面，A电厂调节和保护系统共用3个转速探头，转速信号采集后先送到保护系统，再由保护系统送到调节系统。B电厂采用9个转速探头，3个用于调节，6个用于保护。B电厂转速探头的设置方案优于A电厂。
④对于汽轮保护系统的跳机信号，设备厂家从保护设备本身的角度出发，设置较多的保护信号，确保设备本身的安全，但部分信号设置过于保守。从电厂角度来看，在满足设备保护的情况下尽可能不误跳机，确保电厂的可用率。跳机信号设置的确定是厂家、运营单位不断商讨的结果。
⑤多样性和冗余设计原则
核电厂中，汽轮机是常规岛重要的设备。为了保证设备和人员的安全，在汽轮机设计中，充分考虑了冗余、多样性等原则，如表1所示。
3汽轮机调节系统
根据法规标准要求，汽轮机调节系统作为汽轮发电机组重要的系统，其应具备如下主要控制功能：
(1)转速控制；
(2)并网后的负荷控制和频率控制；
(3)甩负荷控制；
(4)蒸汽流量限制和蒸汽压力限制；
(5)-次调频、二次调频功能；
(6)超速保护控制。
汽机调节系统通过调节汽机进汽阀开度，对机组进行转速、功率、频率和压力控制，并对机组的负荷和转速实施超速、超加速、负荷速降和蒸汽需求进行限制。在不同的运行方式下，各参数之间互相制约、互相影响，汽机调节系统对各参数进行控制，将各参数维持在允许的范围内。
转速控制，是指根据机组停机状态调节汽机进汽阀开度，使汽机转速按要求从0稳步上升到1 500 r/min，完成汽机冲转。
功率控制，是指根据电网功率需求自动或手动地调节汽机进汽阀开度，达到调节发电机功率的目的。
频率控制，是指对电网频率偏离额定值进行补偿。
压力控制，是指通过限制汽机进汽压力或者限制汽机进汽压力的增长速率，以达到保护汽机的目的。
超速限制和超加速限制，是指当汽轮机转速或转速加速度达到或超过限值以后，按照超过的比例关小汽机进汽阀门，以达到保护汽机的目的。
负荷速降限制，是指发生某些异常工况时，迅速地降低汽机的负荷，以防止反应堆保护系统的动作并保护汽机。
蒸汽需求限制，是指操作员在必要时可以通过设定汽机进汽流量进行流量限制，以保证汽机功率不超过安全值。
汽轮机调节系统实际上是负荷控制回路叠加转速控制回路，辅以蒸汽流量限制、蒸汽压力限制以及甩负荷控制。其原理图如图3所示。
A核电厂和B核电厂的汽轮机调节系统设计原理类似，均能满足标准中所具备的功能，但具体实现方式差异较大，主要体现在如下方面。
1)A核电厂中，采用了分层的控制模式。该控制模式的划分源于20世纪90年代技术。由于分散控制系统的可靠性越来越高，分层控制模式可取消。
2)自动化程度。A核电厂技术路线下，汽轮机冲转、并网直至带最小负荷的过程中，需要操纵员操作的步骤较多，自动化程度较低。B核电厂技术路线的自动化程度较高，可实现汽轮机自启停控制。
4技术要求
通过上述对这些关键技术方案的标准适用性研究分析以及技术对比，在吸收各个技术路线优点的基础上，形成如下的技术基本要求，为后续的汽轮机仪控设计标准化提供可行的技术参考。
(1)汽轮机保护系统架构及停机保护信号设置。
由于汽轮机厂家技术路线的不同，汽轮机保护系统架构存在差异，在满足技术要求的前提下，技术差异项的存在可以接受。保护系统的技术要求主要包括如下几点。
①用于汽轮机保护系统的测点采用多点冗余、独立取样方式，避免单一信号停机。
②汽轮机保护系统的逻辑具有冗余容错功能，避免传感器单一故障而停机。
③汽轮机保护系统应采用多通道的保护设计。
④故障安全设计，用于汽轮机跳闸的泄油电磁阀应采用失电打开（泄油）方式。
⑤超速保护装置应独立于其他停机保护装置，并直接串联在跳闸电磁阀的供电回路上，超速保护动作直接切断跳闸电磁阀的供电。超速保护装置采用两套电气超速保护，机械超速保护可选配。用于超速保护的转速探头应独立设置。
⑥发变组、反应堆保护系统联跳汽轮机的信号连接方式采用硬接线连接。
⑦汽轮机停机保护信号设置应与汽轮机厂家达成一致，并至少包括如下基本保护：超速、冷凝器真空、润滑油压力低、轴向位移大、润滑油箱液位低、发电机辅助系统故障、反应堆停堆、发电机跳闸、其他（由厂家提出，与业主协商确定）。
(2)汽轮机调节系统。
汽轮机调节系统应具备如下具体的基本功能，这些功能的具体实现方式可以存在差异。
基本控制功能如下。
①转速控制：启动控制，升、降转速控制。
②负荷控制：升、降负荷控制，稳定负荷控制。
③一次调频。
④二次调频：ACC功能，电网中调控制负荷方式。
⑤甩负荷控制(RB)：包含手动和自动RB。
⑥同期控制：接收同期装置的控制信号。
⑦超加速控制。
⑧防止核岛超功率的限制功能。
⑨试验功能：阀门严密性试验、阀门活动性试验、重要保护在线试验。
可选控制功能如下。
①自启停控制：体现机组自动化水平。
②阀门管理功能：改善转子、气缸热应力和部分负荷时的经济性（与机组特点相适应）。
5结束语
从标准要求的角度出发，对核电厂汽轮机控制系统的重要技术点进行分析，并采用对比的方法，研究不同技术路线下的汽轮机技术相同点和差异。在吸收各个技术路线优点的基础上，形成技术基本要求，可为后续的汽轮机仪控设计标准化提供可行的技术参考。
6摘 要：
对核电厂汽轮机控制系统设计技术方案进行了分析研究。首先，从标准角度出发，对汽轮机仪控技术方案提出基本要求；然后，对汽轮机控制系统的重要技术点进行分析，并采用对比的方法研究不同技术路线下的汽轮机技术相同点和差异。通过对汽轮保护系统架构、汽轮机调节系统功能（转速控制、负荷控制、瞬态控制、二次调频、自动化水平）等方面关键技术的研究和对比分析，综合各个技术路线的优点并进行提炼，形成汽轮机仪控技术方案基本要求，旨在为后续的汽轮机仪控系统标准化设计提供可行的技术参考。
