反應(yīng)堆冷卻劑泵轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)及實(shí)踐

張 鵬（中核集團(tuán)秦山核電有限公司, 浙江 海鹽 314300）

反應(yīng)堆冷卻劑泵轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)及實(shí)踐

張 鵬
（中核集團(tuán)秦山核電有限公司, 浙江 海鹽 314300）

反應(yīng)堆冷卻劑泵（主泵）轉(zhuǎn)速是核電站關(guān)鍵設(shè)備反應(yīng)堆冷卻劑泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，直接反映設(shè)備的運(yùn)行狀況，并擔(dān)負(fù)向反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)輸送反應(yīng)堆的保護(hù)信號(hào)。但是該信號(hào)一直存在運(yùn)行過(guò)程中測(cè)量不穩(wěn)定的情況。從該測(cè)量通道的測(cè)量原理、歷史狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際檢修過(guò)程，對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的缺陷、可能的原因進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)以上原因采取改進(jìn)方式。經(jīng)過(guò)2008年的運(yùn)行驗(yàn)證，改進(jìn)的測(cè)量方式信號(hào)穩(wěn)定，滿足了現(xiàn)場(chǎng)的要求，有利于改進(jìn)的持續(xù)進(jìn)行。

主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量；轉(zhuǎn)速測(cè)量前置器；轉(zhuǎn)速測(cè)量干擾

隨著科技的進(jìn)步，設(shè)備的功率及出力越來(lái)越大，目前核電站的裝機(jī)容量、運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)回路數(shù)量也隨之提高，對(duì)大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)要求也越來(lái)越高，而由于經(jīng)濟(jì)性的考慮，對(duì)影響經(jīng)濟(jì)性的設(shè)備的維修安排就顯得非常重要。維修方式也逐漸由讓設(shè)備一直運(yùn)行至故障停車的故障維修，演變至按照預(yù)定的時(shí)間間隔或檢修周期進(jìn)行計(jì)劃修理的維修。如今，基于設(shè)備可靠性維修原則而觸發(fā)的預(yù)防性維修成為現(xiàn)今最具價(jià)值的維修方式。但是此種方式是基于對(duì)設(shè)備的定期或連續(xù)的監(jiān)測(cè)和故障診斷，并根據(jù)其結(jié)果查明設(shè)備有無(wú)異?；蚬收馅厔?shì)，再安排必要時(shí)進(jìn)行維修。大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)就是通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、軸向位移、差脹等參數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)的，并對(duì)這些參數(shù)測(cè)量的要求在精度上、響應(yīng)速度上、準(zhǔn)確率上提出了更嚴(yán)格的要求，并且對(duì)測(cè)量裝置的維護(hù)、安裝等也提出了更高的需求。本文著重介紹秦山核電有限公司反應(yīng)堆冷卻劑泵的轉(zhuǎn)速測(cè)量通道及裝置的工作原理、工作狀態(tài)和改進(jìn)的方式。

反應(yīng)堆冷卻劑泵是反應(yīng)堆的心臟也是一回路壓力邊界，在啟堆前對(duì)主系統(tǒng)升溫，正常運(yùn)行時(shí)保證一次側(cè)冷卻劑的流動(dòng)將反應(yīng)堆的熱量傳遞給二次側(cè)給水。在失去工作電源的情況下依靠主泵轉(zhuǎn)子的自身慣量惰轉(zhuǎn)，能在一定時(shí)間內(nèi)保持部分流量，帶走堆芯熱量，保證堆芯安全。所以主泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)非常重要。而其運(yùn)行狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)的參數(shù)中轉(zhuǎn)速信號(hào)尤為重要，同時(shí)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求測(cè)量信號(hào)有故障單一性、數(shù)據(jù)多樣性的原則，為了保證反應(yīng)堆主系統(tǒng)安全，壓力邊界的完整，標(biāo)志主泵運(yùn)行狀態(tài)及狀況的代表數(shù)據(jù)——轉(zhuǎn)速信號(hào)，也要求被納入反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。所以在每臺(tái)泵上設(shè)立了三個(gè)轉(zhuǎn)速通道，將信號(hào)送至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)反應(yīng)堆及電站的安全。

目前大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的區(qū)別主要是一次傳感元件的種類不同。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝的設(shè)備主流、技術(shù)要求及其工作原理，非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量探頭主要使用的是渦流探頭和磁阻探頭。

渦流探頭的工作原理是：在傳感器的端部有一個(gè)線圈，線圈通以頻率較高的交變電壓。當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時(shí)，由于線圈磁通鏈穿過(guò)導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面感應(yīng)出一個(gè)渦流ie，而這一渦流形成的磁通鏈又穿過(guò)原有的線圈（即探頭上的線圈），如圖1，這樣原線圈與導(dǎo)體表面的渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感。而耦合系數(shù)的大小又與兩者之間的距離和導(dǎo)體的材料有關(guān)。當(dāng)導(dǎo)體的材料一定時(shí)，耦合系數(shù)就成為與距離有關(guān)的函數(shù)了。通過(guò)其后的測(cè)量線路（通常稱之為前置器）中的檢波器，將耦合系數(shù)與兩者之間的距離轉(zhuǎn)變成正比于間隙的直流電壓。用于轉(zhuǎn)速測(cè)量的渦流探頭一般安裝在軸的一頭，并且軸在此處安裝有轉(zhuǎn)速測(cè)量盤，一般為有齒形缺口的金屬圓盤，軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)金屬圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，齒形缺口經(jīng)過(guò)渦流探頭，由于齒頂、齒底與探頭的距離交替變換，前置器會(huì)輸出一個(gè)與轉(zhuǎn)速相關(guān)的脈沖信號(hào)，如圖2，在信號(hào)采集模塊中設(shè)定相應(yīng)的門檻電壓，就可以對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而監(jiān)測(cè)軸的轉(zhuǎn)速。恰?，敽穗娬局鞅棉D(zhuǎn)速測(cè)量采用的就是此類探頭及設(shè)備。

磁阻探頭是一種無(wú)源發(fā)電型、非接觸安裝的磁電傳感器，是針對(duì)測(cè)速齒輪設(shè)計(jì)發(fā)展起來(lái)的專用傳感器。磁電傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由磁阻探頭、頻率－電流轉(zhuǎn)換器及相應(yīng)二次表組成。在磁阻探頭內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)工作原理如圖3所示。

圖1 渦流探頭的工作原理示意圖Fig.1 Working principle of turbulence

圖2 脈沖信號(hào)圖Fig.2 Pulse signal

磁阻探頭由鐵芯、骨架、線包、永久磁鋼組成。為了防止側(cè)面干擾，在磁鋼四周加了純鐵制做的磁屏蔽罩，這樣信號(hào)來(lái)源主要來(lái)自于鐵芯前端。由于空氣和鐵的導(dǎo)磁率相差很大，測(cè)速齒盤的齒頂靠近鐵芯，磁路短，磁阻??；而齒根靠近鐵芯，空氣部分很長(zhǎng)，磁路長(zhǎng)，磁阻大，這樣當(dāng)被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)齒輪同時(shí)旋轉(zhuǎn)，齒頂齒根交替變化，發(fā)信凹槽與非接觸的傳感器軟鐵之間的空氣間隙發(fā)生周期性變化，磁路磁阻隨之發(fā)生變化，引起貫穿于軟鐵內(nèi)磁通量變化，磁阻大小也交替變化，從而使鐵芯上的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化［1］。根據(jù)電磁感應(yīng)定律出電動(dòng)勢(shì)，由于這種變化一般符合正弦規(guī)律，所以感應(yīng)電壓當(dāng)齒盤是漸開(kāi)線或擺線齒形時(shí)，電壓波形接近正弦波，其幅值大小與電感（線包圈數(shù)）、安裝間隙（磁阻變化量）和轉(zhuǎn)速（時(shí)間變化量）有關(guān)。在制造時(shí)，磁鋼采用稀土磁鋼（磁場(chǎng)強(qiáng)），鐵芯使用軟磁材料，不會(huì)被磁化，保證有足夠的變化量以取得足夠大的電壓幅值，但信號(hào)頻率嚴(yán)格與轉(zhuǎn)速同步，即每走過(guò)一個(gè)齒周期（一個(gè)齒頂加一個(gè)齒根）產(chǎn)生一個(gè)正弦波，當(dāng)齒盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即使停在齒頂位置，由于沒(méi)有磁場(chǎng)的變化，所以也沒(méi)有電壓輸出。探頭信號(hào)一般需要通過(guò)放大，整形成規(guī)范的矩形脈沖才能被利用。秦山核電有限公司使用的主泵就是此類轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)裝置。其波形如圖4［1］。

圖4 主泵轉(zhuǎn)速檢測(cè)波形圖Fig.4 The wave pattern of main pump rotating speed detection

1 主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量通道

1.1 通道組成及功能

每臺(tái)反應(yīng)堆主泵設(shè)有3個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量通道，每個(gè)通道由轉(zhuǎn)速傳感器（型號(hào) FGL 1/2），F(xiàn)/I頻率－電流轉(zhuǎn)換卡件（型號(hào) XPZ-02A），指示儀等3大部分組成。在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)改造后，頻率－電流轉(zhuǎn)換卡件輸出的信號(hào)直接送反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)接收后并送出同樣的經(jīng)過(guò)隔離的4～20 mA信號(hào)至儀控監(jiān)測(cè)及卡轉(zhuǎn)子保護(hù)用。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

2 歷史缺陷及解決方法

2.1 歷史缺陷

圖3 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)工作原理圖Fig.3 Working principle of generating induced electromotive force signal

秦山核電有限公司使用的主泵的轉(zhuǎn)速測(cè)量通道原由主泵生產(chǎn)廠KSB公司外購(gòu)并安裝在主泵電機(jī)上部。在頂部軸承端安裝了一個(gè)30齒的測(cè)速盤，每臺(tái)主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量的3個(gè)磁阻探頭就安裝在此處，其配套的頻率—電流轉(zhuǎn)換卡件就安裝在主泵電機(jī)殼體上，原型號(hào)為EV088[2]。在核電站運(yùn)行初期，出現(xiàn)主泵測(cè)量的轉(zhuǎn)速信號(hào)紊亂的狀況。經(jīng)檢測(cè)，認(rèn)為EV088型轉(zhuǎn)換器本身的帶負(fù)載能力不強(qiáng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器輸出電流不穩(wěn)定，影響了轉(zhuǎn)速測(cè)量的準(zhǔn)確性及響應(yīng)時(shí)間。隨后選用了上海轉(zhuǎn)速儀表廠開(kāi)發(fā)的XPZ-02A型F/V轉(zhuǎn)換器。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)圖Fig.5 On-site design drawing

2.2 更換后前置器的性能及運(yùn)行狀況

在1999年更換了XPZ-02A型F/V轉(zhuǎn)換器后，主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量正常并保持該工作狀態(tài)至2003年。

3 目前轉(zhuǎn)速測(cè)量通道存在的問(wèn)題、分析及解 決方案

3.1 目前轉(zhuǎn)速測(cè)量通道存在的問(wèn)題

主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量通道自2003年起，轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)不穩(wěn)定，保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)定值器經(jīng)常出現(xiàn)“主泵轉(zhuǎn)速低”記憶黃燈/紅燈亮誤報(bào)警，發(fā)生誤報(bào)的通道分別是A泵A1/A2通道、B泵A1通道。

通過(guò)對(duì)缺陷的分析處理并做了以下改進(jìn)：

（1）更換了測(cè)量通道的輸入卡；

（2）更換了測(cè)量通道的探頭；

（3）更換了頻率-電流轉(zhuǎn)換器（截至2008年，根據(jù)檢修記錄，現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)換器除Y0401-1/ Y0402-1為2005年的產(chǎn)品以外，其余均為2007年產(chǎn)品，轉(zhuǎn)換器基本每?jī)蓚€(gè)循環(huán)更換一次）；

（4）接地點(diǎn)改進(jìn)：在檢修中，發(fā)現(xiàn)測(cè)量通道轉(zhuǎn)換器屏蔽線在機(jī)柜中接至機(jī)柜機(jī)殼螺栓（保護(hù)地），后均改接在儀表地線上(儀表地為無(wú)噪聲地)；

（5）屏蔽效果改善：大修中發(fā)現(xiàn)從就地到主控卡件柜的信號(hào)線的屏蔽線在貫穿件上被中斷，并進(jìn)行了糾正，同時(shí)確保一點(diǎn)接地，這使屏蔽線真正起到了屏蔽作用；

（6）探頭安裝距離最小化，使信號(hào)輸出最大化：在上海進(jìn)行探頭標(biāo)定時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速探頭與齒輪的安裝距離微小調(diào)整可使探頭輸出信號(hào)成倍增大，于是探頭安裝距離由原來(lái)的平均約2.3 mm(例如A泵)減小到誤差許可的1.8 mm時(shí)，探頭的輸出由原來(lái)的5 V左右提高到了約10 V(峰值)。

2007年4月1日，主泵轉(zhuǎn)速再次出現(xiàn)誤報(bào)。

由于缺陷產(chǎn)生的歷史較長(zhǎng)，且信息記錄的平臺(tái)在以前不完善，就缺陷的記錄為例，見(jiàn)表1。

3.2 原因分析

從現(xiàn)場(chǎng)的故障情況來(lái)看，出現(xiàn)問(wèn)題的原因有兩個(gè)方面：

(1) 探頭接入干擾及故障

因?yàn)榇烹妭鞲衅魈筋^（磁阻探頭）是通過(guò)磁電感應(yīng)將被測(cè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，因此磁電傳感器對(duì)空氣間隙處的外部磁場(chǎng)非常敏感，較強(qiáng)的外部干擾磁場(chǎng)，會(huì)造成測(cè)量的失真，如圖6。

由圖6可見(jiàn)，在干擾下，輸出電壓與圖4的標(biāo)準(zhǔn)波形相比，有嚴(yán)重的電壓畸變，出現(xiàn)了最高點(diǎn)大于信號(hào)電壓門檻值的正脈沖，造成轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換器在識(shí)別波形上產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速測(cè)量偏差。探頭自身線圈及內(nèi)部永磁體的性能變化，也會(huì)導(dǎo)致探頭對(duì)磁場(chǎng)變化的敏感程度變化，輸出波形的幅值也會(huì)變化，引起轉(zhuǎn)速測(cè)量偏差。同時(shí)，由于磁阻探頭本身的特性，當(dāng)被測(cè)軸振動(dòng)較大時(shí)，探頭與測(cè)量盤表面的間隙產(chǎn)生變化，使得傳感器輸出波形失真較大，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)速測(cè)量。

表1 缺陷記錄Table 1 Default record

圖6 電磁傳感器測(cè)量失真圖Fig. 6 Distortion view of electromagnetic sensor measurement

(2) 頻率－電流轉(zhuǎn)換器故障

頻率－電流轉(zhuǎn)換器的工作框圖，如圖7[3]。

從XPZ-02A轉(zhuǎn)換器的原理圖來(lái)看：轉(zhuǎn)換器分為電源部分和信號(hào)處理部分。磁阻探頭傳來(lái)的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和整形之后，通過(guò)光電耦合開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，并將交流的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成為脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)F/V頻率－電壓轉(zhuǎn)換模塊，再與VMOS管與運(yùn)放配合起來(lái)完成V/I變換。F/V的13腳輸出電壓（產(chǎn)生0～16 mA）與18 V穩(wěn)壓電源（產(chǎn)生4 mA）根據(jù)線性迭加原理在運(yùn)放的三腳產(chǎn)生一個(gè)電壓，運(yùn)放的6腳輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管與三極管相比主要優(yōu)點(diǎn)是電壓控制型，不需要基極電流，嚴(yán)格保證了漏極電流和源極電流的一致性，也即負(fù)荷電流與流過(guò)R15的電流嚴(yán)格保持一致，而R15產(chǎn)生的電壓降反饋到運(yùn)放的同相輸入端。由于運(yùn)放的虛地特性，在同相、反相二個(gè)輸入端的電位應(yīng)該是一樣的，而6腳的輸出電壓卻與負(fù)載電阻大小有關(guān)，起到自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，保證了負(fù)載電阻變而輸出電流不變，達(dá)到了恒流輸出目的[3]。

所以影響轉(zhuǎn)換器工作的因素有：

1）外部干擾信號(hào)，即自身的抗干擾能力，尤其是小幅信號(hào)對(duì)其有影響

在轉(zhuǎn)換器輸入端同時(shí)輸入兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)模擬正常轉(zhuǎn)速信號(hào)，一個(gè)模擬干擾，測(cè)試轉(zhuǎn)換器的輸出電流見(jiàn)表2。

從數(shù)據(jù)可以看出，低頻小幅干擾信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的影響要大。

2）光電耦合開(kāi)關(guān)的性能

光電耦合開(kāi)關(guān)是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端。而轉(zhuǎn)換器裝在主泵間內(nèi)，所以現(xiàn)場(chǎng)的輻射也會(huì)影響光電耦合開(kāi)關(guān)的材料性能，如圖8。模擬現(xiàn)場(chǎng)的累積輻照環(huán)境，將頻率－電流轉(zhuǎn)換器放在γ劑量場(chǎng)中，同時(shí)輸入固定標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，連續(xù)測(cè)量輸出信號(hào)的變化（累積γ劑量為12.266 Gy時(shí)(約3天之后)，輸出開(kāi)始偶爾下降，最大下降0.18 V，持續(xù)最大時(shí)間700 μs）。

所以轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換器內(nèi)部存在的光耦及MOS管屬于核輻照及熱老化敏感器件，在高溫及現(xiàn)場(chǎng)的輻射場(chǎng)中長(zhǎng)期使用后造成這些敏感器件性能下降或失效，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)異常[4]。

3）自身的電源模塊的性能都會(huì)影響頻率－電流轉(zhuǎn)換器的性能

在頻率－電流轉(zhuǎn)換器的電源部分中的主工作電源采用了7818電源穩(wěn)定模塊。該模塊具有過(guò)流和超溫保護(hù)功能。當(dāng)溫度超過(guò)70 ℃時(shí)，該模塊會(huì)自動(dòng)停止工作，導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)換器失去功能，使轉(zhuǎn)速測(cè)量值為零。

4）硬件設(shè)計(jì)缺陷

XPZ-02A的接線端子后接線與內(nèi)部電路的連接采用的是雙端焊接，在轉(zhuǎn)換器拆裝過(guò)程中，端子的晃動(dòng)也會(huì)引起其后焊接點(diǎn)的晃動(dòng)。由于焊接點(diǎn)采用的是錫焊，焊點(diǎn)截面積小，所以在疲勞強(qiáng)度方面的性能較差，在多次拆裝后，焊點(diǎn)容易虛接，在震動(dòng)情況下，可能導(dǎo)致信號(hào)中斷。

圖7 頻率-電流轉(zhuǎn)換器工作框圖Fig.7 Block diagram of the frequency-electromagnetic transducer works

表2 轉(zhuǎn)換器輸出電流表Table 2 Transmitter output current

圖8 模擬現(xiàn)場(chǎng)的累積輻射環(huán)境Fig.8 Simulating the accumulated radiation environment on site

3.3 現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)方案

由于主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量通道中存在這么多的不確定因素，而每臺(tái)主泵共3個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量通道，均送反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速信號(hào)在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)中經(jīng)3取2符合邏輯后送出“主泵低轉(zhuǎn)速停堆”信號(hào)。也就是說(shuō)只要有一個(gè)轉(zhuǎn)速通道出現(xiàn)“轉(zhuǎn)速低”誤報(bào)警信號(hào)，就增大了誤停堆的概率，降低了電站運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。

因此解決目前轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)信號(hào)不穩(wěn)定給設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)從考慮改變轉(zhuǎn)速測(cè)量的方式入手。

改進(jìn)方案1：

仍采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量原理進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)仍由原設(shè)備組成，如圖9。

將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換器移至01號(hào)廠房外（如02號(hào)貫穿區(qū)），減小現(xiàn)場(chǎng)輻照、振動(dòng)、高溫等情況對(duì)轉(zhuǎn)換器的影響。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備改動(dòng)較小，較可靠，運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障易于處理。缺點(diǎn)是仍然不能避免原設(shè)備的自身不確定因素。

改進(jìn)方案2：

采用渦流探頭的轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，如采用本特利公司的產(chǎn)品。測(cè)量系統(tǒng)由本特利8 mm渦流探頭、前置器、3500機(jī)柜、轉(zhuǎn)速模塊、中央處理模塊、框架接口模塊、繼電器模塊、SPEC200處理組件等組成。該測(cè)量方式恰?，斠黄诘闹鞅帽O(jiān)測(cè)已使用，如圖10所示。

探頭的信號(hào)經(jīng)前置器處理后送至主控的3500機(jī)柜，經(jīng)過(guò)3500機(jī)柜處理后送至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，最后送至SPEC200機(jī)柜處理進(jìn)行處理指示、記錄、報(bào)警。3500系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的顯示、報(bào)警以及模擬/開(kāi)關(guān)量輸出。此方案需在保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)安裝放置本特利3500機(jī)柜，每臺(tái)泵需在主控室放置3個(gè)通道的3500系統(tǒng)框架。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)品成熟、性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)是：需重新設(shè)計(jì)安裝支架以便安裝轉(zhuǎn)速探頭，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和主控室改變比較大。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量原理轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)示意圖Fig.9 Measurement principle of on-site rotating speed measurement signal

圖10 渦流探頭轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)示意圖Fig.10 Sketch of turbulence probe for monitoring rotating speed

比較上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，兩種都不是很完善，但是如果將磁阻探頭的電纜延長(zhǎng)，以至于延長(zhǎng)至主控室SPEC200機(jī)柜，接入?？怂共_公司生產(chǎn)的F/V頻率電壓轉(zhuǎn)換組件，就可以避免上述這些方案中的缺點(diǎn)。基于這種設(shè)想做了如下試驗(yàn)：

(1) 在1 500 r/min的轉(zhuǎn)速下，探頭安裝間距為1.5 mm的情況下，用8841記錄儀記錄探頭輸出信號(hào)；

(2) 在1 500 r/min的轉(zhuǎn)速下，探頭安裝間距為1.0 mm的情況下，將探頭輸出信號(hào)直接接至F/V卡，用8841記錄儀記錄探頭的輸出信號(hào)、F/V卡輸出信號(hào)；

(3) 在1 500 r/min的轉(zhuǎn)速下，探頭安裝間距為1.0 mm的情況下，將探頭輸出信號(hào)經(jīng)200 m電纜轉(zhuǎn)接延長(zhǎng)后接至F/V卡，用8841記錄儀記錄探頭的輸出信號(hào)、F/V卡輸出信號(hào)；

(4) 在1 500 r/min的轉(zhuǎn)速下，探頭安裝間距為1.5 mm的情況下，將探頭輸出信號(hào)直接接至F/V卡，用8841記錄儀記錄探頭的輸出信號(hào)、F/V卡輸出信號(hào)；

(5) 在1 500 r/min的轉(zhuǎn)速下，探頭安裝間距為1.5 mm的情況下，將探頭輸出信號(hào)經(jīng)200 m電纜轉(zhuǎn)接延長(zhǎng)后接至F/V卡，用8841記錄儀記錄探頭的輸出信號(hào)、F/V卡輸出信號(hào)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

從試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

(1) 在1.0 mm及1.5 mm的安裝間距下，探頭輸出信號(hào)經(jīng)200 m電纜轉(zhuǎn)接延長(zhǎng)后，信號(hào)有較大幅度的衰減，但仍能滿足轉(zhuǎn)換器和F/V卡的輸入信號(hào)要求；

(2) 探頭輸入信號(hào)接入F/V卡后，將屏蔽線接入時(shí)，F(xiàn)/V卡輸出穩(wěn)定；未接入屏蔽線時(shí)，F(xiàn)/V卡輸出有細(xì)微波動(dòng)；屏蔽線的接入會(huì)使探頭的輸出信號(hào)有較小的衰減。

因此將轉(zhuǎn)速探頭經(jīng)就地泵體上的轉(zhuǎn)接盒后延長(zhǎng)，送至主控的F/V及V/I卡轉(zhuǎn)換，送至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，然后再送至SPEC200卡件處理后進(jìn)行指示以及報(bào)警的設(shè)想是可實(shí)施的。對(duì)應(yīng)的測(cè)量示意圖如圖11。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施方案及效果

根據(jù)以上思路，決定在每臺(tái)反應(yīng)堆主冷卻劑泵上再加裝一套轉(zhuǎn)速測(cè)量通道，但其信號(hào)只送無(wú)紙記錄儀進(jìn)行信號(hào)記錄。為將來(lái)主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量通道改造積累必須的參數(shù)以及經(jīng)驗(yàn)，作為驗(yàn)證主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量通道改造方案可行性的一種嘗試或科研。在C10期間提出了此變更，并獲得了批準(zhǔn)。變更內(nèi)容是在主泵A/B測(cè)速齒輪盤邊分別重新焊接一探頭安裝支架（尺寸與原安裝支架相同），并各安裝一個(gè)相同型號(hào)的探頭，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)轭l率信號(hào)，在電機(jī)本體邊安裝一接線盒，從主泵間敷設(shè)雙絞屏蔽電纜至主控715室，電纜敷設(shè)按A、B通道分開(kāi)敷設(shè)，以采集不同通道的可能的干擾信息；FOXBORO公司產(chǎn)的F/V卡安裝在主控室SPEC200機(jī)柜將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)（0～10 Vdc）輸出，送往無(wú)紙記錄儀記錄，無(wú)紙記錄儀安裝在主控室，便于試驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)。

該變更是在不影響原有轉(zhuǎn)速測(cè)量功能的前提下實(shí)施的。投入運(yùn)行后，新的轉(zhuǎn)速測(cè)量回路也不會(huì)對(duì)原有的轉(zhuǎn)速測(cè)量造成任何影響，其測(cè)量值僅供試驗(yàn)、累積數(shù)據(jù)信息用，如圖12。

與原轉(zhuǎn)速測(cè)量方式相比，新的測(cè)量回路取消了位于01號(hào)廠房主泵電機(jī)室內(nèi)的頻率—電流轉(zhuǎn)換器，減少了一個(gè)可能的故障環(huán)節(jié)。另一方面，轉(zhuǎn)速傳感器輸出的頻率信號(hào)直接遠(yuǎn)傳至主控室，這就要求信號(hào)線具有較強(qiáng)的抗干擾能力。新增轉(zhuǎn)速信號(hào)電纜采用了屏蔽阻燃電纜，其屏蔽層在SPEC200機(jī)柜內(nèi)通過(guò)COM母排單點(diǎn)接地，能夠滿足性能要求。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Table 3 Record of test data

圖11 轉(zhuǎn)速探頭延長(zhǎng)后測(cè)量示意圖Fig.11 Rotating speed measurement after the probe is extended

圖12 設(shè)備示意圖Fig.12 Sketch diagram of equipment

該變更在2008年實(shí)施，施工過(guò)程如下：

(1) 在試驗(yàn)間采用模擬信號(hào)將F/V卡進(jìn)行標(biāo)定。采用頻率信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生0～930 Hz的頻率信號(hào)，幅值8 Vp-p，調(diào)整F/V的輸出電壓為0～10 Vdc；

(2) 在試驗(yàn)間將探頭安裝到主泵轉(zhuǎn)速和振動(dòng)探頭標(biāo)定裝置上，模擬現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，探頭輸出接入F/V卡，測(cè)試其性能，測(cè)試探頭的輸出信號(hào)性能，如圖13（轉(zhuǎn)速由0逐漸增加到1 860 r/min的過(guò)程局部）；

(3) 現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)電纜，校線，測(cè)試絕緣。用500 V搖表測(cè)試絕緣結(jié)果，大于100 MΩ；

(4) 主控室安裝F/V卡和無(wú)紙記錄儀，設(shè)置好無(wú)紙記錄儀的記錄通道；

(5) 在主泵間將信號(hào)電纜與探頭相連，采用標(biāo)定裝置模擬主泵轉(zhuǎn)速，在主控室用8841測(cè)試信號(hào)，并觀察無(wú)紙記錄儀；

(6) 焊接支架、安裝探頭（安裝間隙約1.5 mm與原有的一致）；

(7) 在主泵啟動(dòng)后，再次用8841測(cè)試F/V卡的輸入端信號(hào)，見(jiàn)圖14。

2008年期間順利完成“主泵轉(zhuǎn)速增加一個(gè)測(cè)量回路”的變更施工，試車合格，并通過(guò)驗(yàn)收。新增轉(zhuǎn)速測(cè)量回路數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且運(yùn)行情況穩(wěn)定。

圖13 探頭輸出信號(hào)性能圖Fig.13 Performance of probe output signal

3.5 問(wèn)題與不足

從2008年現(xiàn)場(chǎng)安裝的轉(zhuǎn)速測(cè)量通道在正常運(yùn)行期間的表現(xiàn)來(lái)看，是非常成功的。但是在反應(yīng)堆主泵的啟動(dòng)過(guò)程中，在主泵轉(zhuǎn)速低于200 r/ min時(shí)，沒(méi)有轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)。因?yàn)樾略鲛D(zhuǎn)速測(cè)量通道中采用的是美國(guó)?？怂共_公司生產(chǎn)的頻率電壓轉(zhuǎn)換卡件，型號(hào)是2AI-F2V。測(cè)量范圍0～12 800 PPS可調(diào)。

其工作所需的脈沖幅度的要求是：正脈沖峰值應(yīng)在＋4.0 Vdc～＋50 Vdc；負(fù)脈沖峰值應(yīng)在＋3.0 Vdc～－40 Vdc；脈沖占空比：應(yīng)在20%～80%之間。即輸入電壓的幅值不低于8 Vp-p。該電壓值就是頻率電壓轉(zhuǎn)換卡件設(shè)置的門檻電壓，以便識(shí)別轉(zhuǎn)速信號(hào)。此電壓的設(shè)置是其工作電路固有的，其設(shè)計(jì)理念也是基于測(cè)量大信號(hào)的脈沖，有效減少外部干擾，適用于美國(guó)本土的設(shè)備[5]。而現(xiàn)場(chǎng)使用的磁阻傳感器，其工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律：為比例系數(shù)，E為感應(yīng)電勢(shì)，φ為磁通。當(dāng)E的單位為伏特（V），φ的單位為韋伯（Wb），t的單位為秒（s）時(shí)，k＝1，這時(shí)感應(yīng)電勢(shì)為：

如果線圈是N匝，磁場(chǎng)強(qiáng)度是B，每匝線圈的平均長(zhǎng)度la，線圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度為：則整個(gè)線圈中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為：

圖14 8841測(cè)試F/V卡輸入端信號(hào)圖Fig.14 Input signal of 8841 F/V test card

所以磁阻探頭輸出電壓的幅值與探頭本身性能，測(cè)速齒輪盤的導(dǎo)磁性，齒輪盤的大小等方面有關(guān)。目前當(dāng)主泵啟動(dòng)時(shí)，在探頭處磁通量的變化率不足以產(chǎn)生足夠的電壓，去觸發(fā)2AIF2V卡件工作?，F(xiàn)場(chǎng)情況是當(dāng)轉(zhuǎn)速探頭安裝間隙為1.5 mm，主泵轉(zhuǎn)速低于200 r/min時(shí)，探頭2AIF2V卡件無(wú)法測(cè)量其轉(zhuǎn)速。這個(gè)情況是由于測(cè)量系統(tǒng)本身各設(shè)備之間的性能不同所決定的。改進(jìn)的方式是在安裝時(shí)盡量減小探頭與測(cè)速齒輪盤的間隙，或加強(qiáng)測(cè)速齒輪盤的磁性，或增加齒輪盤的直徑，提高啟動(dòng)過(guò)程齒輪的線速度，提高啟泵低轉(zhuǎn)速期間，磁阻探頭感測(cè)到的磁阻變化率。但就目前狀況的轉(zhuǎn)速測(cè)量通道的方式和結(jié)果，也是滿足系統(tǒng)監(jiān)測(cè)要求的，同時(shí)不影響反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的功能。因?yàn)榉磻?yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)關(guān)于主泵轉(zhuǎn)速的保護(hù)邏輯是主泵轉(zhuǎn)速信號(hào)3取2，低于1 324 r/min后與反應(yīng)堆P-7信號(hào)以及主冷卻劑流量低信號(hào)相與，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆保護(hù)[7]。雖然目前轉(zhuǎn)速測(cè)量的量程相當(dāng)于200～1 486 r/min，但是觸發(fā)保護(hù)信號(hào)的轉(zhuǎn)速已在測(cè)量范圍之內(nèi)，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)功能正常。

同時(shí)，主泵的啟動(dòng)經(jīng)機(jī)械人員以現(xiàn)場(chǎng)光電轉(zhuǎn)速計(jì)指示為標(biāo)準(zhǔn)，人工秒表計(jì)時(shí)，主泵從零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速需時(shí)7 s，在1 s左右轉(zhuǎn)速即超過(guò)200 r/ min。所以對(duì)于主泵保護(hù)來(lái)說(shuō)，也不會(huì)存在影響。因?yàn)橹鞅每ㄞD(zhuǎn)子保護(hù)是當(dāng)主泵啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，經(jīng)過(guò)約6 s（啟動(dòng)抑制時(shí)間）后，由卡轉(zhuǎn)子測(cè)量通道內(nèi)的定值器開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)速監(jiān)視和比較。如果轉(zhuǎn)速未達(dá)到低速保護(hù)定值250 r/min時(shí)，觸發(fā)信號(hào)，如果此時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量通道中的“轉(zhuǎn)速高”信號(hào)未出現(xiàn)，則兩個(gè)信號(hào)相與后觸發(fā)停泵信號(hào)；如果此時(shí)“轉(zhuǎn)速高”信號(hào)出現(xiàn)，就不能觸發(fā)停泵信號(hào)[8]。從以上的控制邏輯分析可以看出，由于“轉(zhuǎn)速高”信號(hào)取的是三路轉(zhuǎn)速信號(hào)的中值信號(hào)，可靠性高。如果“卡轉(zhuǎn)子保護(hù)(低速保護(hù))”信號(hào)和“轉(zhuǎn)速高”信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)，說(shuō)明“卡轉(zhuǎn)子保護(hù)”信號(hào)是誤信號(hào),故不能停泵。只有在“卡轉(zhuǎn)子保護(hù)(低速保護(hù))”信號(hào)出現(xiàn)并且“轉(zhuǎn)速高”信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)時(shí)，才說(shuō)明“卡轉(zhuǎn)子保護(hù)”信號(hào)是真信號(hào)，需要在這種條件下停泵。所以當(dāng)前增加的轉(zhuǎn)速測(cè)量通道的轉(zhuǎn)速測(cè)量功能的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6 s，不會(huì)影響主泵的保護(hù)功能。就2008年的運(yùn)行反饋，此改進(jìn)設(shè)計(jì)是可行的。

但是在以后的測(cè)量方式改進(jìn)及推行中，還應(yīng)依據(jù)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的要求，將測(cè)量通道中的設(shè)備升級(jí)為1E級(jí)設(shè)備，同時(shí)選取合適的電纜、接線方式和路徑，減少外部干擾和電壓損耗，如需進(jìn)行全量程的轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)，可以考慮在2AI-F2V卡件前增加一個(gè)?？怂共_生產(chǎn)的PA108系列的前置放大器，將磁阻傳感器的信號(hào)增強(qiáng)，同時(shí)調(diào)整2AIF2V卡件的內(nèi)部跨接片，改變零位相應(yīng)頻率，尋找最低測(cè)量轉(zhuǎn)速。同時(shí)再次確認(rèn)主泵啟動(dòng)時(shí)間與轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。這些可以在后續(xù)的改進(jìn)中與國(guó)家核安全局、工程設(shè)計(jì)院交流并進(jìn)行試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

變更的順利完成，直接體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性上。利用現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)備，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，完成了變更，為以后轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)取得了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和改進(jìn)依據(jù)。避免了現(xiàn)場(chǎng)的大量改動(dòng)和設(shè)備更新，節(jié)省了大量資金。

變更的實(shí)施成功，滿足主泵保護(hù)、反應(yīng)堆保護(hù)的信號(hào)要求，同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)提供了可對(duì)比參數(shù)。

該變更也是經(jīng)驗(yàn)積累的過(guò)程，認(rèn)真總結(jié)分析試驗(yàn)、安裝過(guò)程中的成功與不足，可以將其工作方法、經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到秦山核電公司其他設(shè)備的缺陷分析及設(shè)備管理當(dāng)中去。

改進(jìn)實(shí)施的成功，對(duì)大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段和思路都有了創(chuàng)新的思維和開(kāi)闊的視野。

[1] 郁有文. 傳感器原理及工程應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008，7.

[2] Schmidt.NON-CANTRACT SPEED MEASURING[M]. GERMANY KSB US413028.

[3] 王曉蕾. 頻率-電流轉(zhuǎn)換器技術(shù)文件[M]. 上海：上海轉(zhuǎn)速儀表廠.SZ0.466.093，1998，10.

[4] 張松壽. 光電管在輻照下的穩(wěn)定性[C]. 第九屆全國(guó)核電子學(xué)與核探測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)第九屆全國(guó)核電子學(xué)與核探測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，1998.

[5] Joshua.PLUSE RATE-TO-VOLTAGE CONVERRATE Instruction [M]. Foxboro Company，1992，3.

[6] 張三慧. 大學(xué)物理學(xué)(第三冊(cè))電磁學(xué)(第二版)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005，10.

[7] 陸煒偉. 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[M]. 浙江：秦山核電有限公司. QWG.19.11，2008，8.

[8] 張廉. 主泵軸封水系統(tǒng)設(shè)備規(guī)范[M]. 上海：上海核工程研究設(shè)計(jì)院，PA7.S03，1983，2.

Improvement and practice of speed measurement system for reactor coolant pump

ZHANG Peng
(CNNC Qinshan Nuclear Power Co.，Ltd.， Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China)

The coolant pump rotating speed, which is an important parameter for monitoring operation status of key equipment in nuclear power plant, directly shows the operation status of equipment and sends signal to protection system of reactor. But it has long been a headache that this signal can not be measured stably during operation. The paper analyses the defects of rotating speed measurement and their possible reasons and the improvement thereof from the measuring principle and history of this measurement channel, combined with the actual repair process on site. According to the operation feedbacks since 2008, the improved measurement can offer stable signal, meet the site requirement, and facilitate continuous improvement.

measurement of coolant pump rotating speed; preamplifier of rotating speed measurement; interference of rotating speed measurement

TL35

A

1674-1617(2009)01-0026-12

2008-09-12

張 鵬（1974－），男，甘肅人，工程師，本科，從事儀控設(shè)備檢修及設(shè)備管理。