320 MW機組主泵轉速前置器改進

蒲曉彬，潘衛(wèi)華，錢　敏，夏德莉

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

320 MW機組主泵轉速前置器改進

蒲曉彬，潘衛(wèi)華，錢敏，夏德莉

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

主泵轉速前置器是主泵轉速測量的關鍵設備。秦山核電站針對轉速前置器存在的元器件設計及選型不滿足要求、測量性能不穩(wěn)定、1E級鑒定試驗不完整等問題，通過自行研發(fā)轉速前置器，在電路結構設計、元器件選型方面進行了重新設計或優(yōu)化，依據(jù)設備鑒定大綱和試驗程序進行1E級鑒定，新研發(fā)的轉速前置器具有精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強等特點，在現(xiàn)場進行實際運用后狀態(tài)良好，提高了設備的可靠性。

主泵轉速；前置器；分析；可靠性；1E級鑒定

秦山核電站320MW機組主泵轉速保護由3個獨立的測量通道構成。當主泵轉速下降至額定值的89%時（測量范圍0～1 860 r/min，額定轉速1 488 r/min），3取2邏輯觸發(fā)事故保護停堆信號。主泵轉速測量由渦流探頭和轉速前置器組成。渦流探頭安裝在主泵電機軸上，通過30齒測速齒輪產(chǎn)生脈沖信號（0～930 Hz）。轉速前置器處理渦流探頭的信號并輸出標準的4～20 mADC信號送至反應堆保護系統(tǒng)，同時反應堆保護系統(tǒng)為過程控制系統(tǒng)提供轉速顯示、報警、趨勢信號（見圖1）。

1　轉速前置器存在的問題

按照設計標準，秦山核電站主泵轉速測量為1E級、抗震1類、質保1類（RCC-E，K2類），在正常工況和地震載荷下要求完成規(guī)定的功能。原轉速前置器為法國AREVA產(chǎn)品，非1E級。20世紀90年代初調試時因負載低無法滿足現(xiàn)場需要，由秦山核電站與上海轉速表廠合作開發(fā)了轉速前置器，沒有進行過老化試驗和輻照試驗，抗震和電磁兼容等試驗也不能完全滿足當時的標準要求。

圖1　主泵轉速測量及控制框圖Fig.1　 Pump speed measurement and control

轉速前置器安裝在反應堆廠房的主泵電機圍板上，處于高溫、高輻射、振動大的環(huán)境中，曾出現(xiàn)數(shù)次由前置器自身問題引起的主泵轉速測量故障。主要表現(xiàn)為前置器輸出電流不穩(wěn)定，無輸出、設備溫度過高等問題。在備件制造過程中缺少嚴格的質量控制，元器件未經(jīng)嚴格的制造過程跟蹤及老化篩選，導致多個后續(xù)備件安裝到現(xiàn)場24 h內即出現(xiàn)故障。同時制造工廠轉型，不再提供備件及技術支持。盡管每次大修均安排了功能檢查并制定了定期更換的策略，但現(xiàn)場設備故障、備件質量問題依然對機組的長期運行存在著較大的安全風險。

如何對轉速的可靠性進行全面的分析并改進，滿足核安全法規(guī)的要求，防止因轉速故障導致的誤停堆事故就成了一個迫切需要解決的問題。

2　原轉速前置器電路原理

原轉速前置器主要由波形轉換電路、整形電路、隔離電路、RC微分電路、F/V電路、放大電路、V/I電路、供電電路構成。

波形轉換電路（見圖2）：將磁電傳感器送來的主泵轉速信號轉換成方波信號。該模塊首先通過限幅電路將傳感器送來的信號（正弦波、矩形波、三角波均可）進行限幅，之后通過三極管Q1的開關特性將頻率信號轉換為方波信號。

整形電路（見圖3）：將波形轉換電路送來的不規(guī)整方波通過施密特整形電路轉換為與輸入信號頻率一致的規(guī)整方波。

圖2　波形轉換電路Fig.2　 Circuit of electric wave conversion

圖3　整形電路Fig.3　 Regulated circuit

圖4　隔離電路Fig.4　 Isolated circuit

隔離電路（見圖4）：該模塊首先通過反相電路將整形方波信號取反，之后通過光電隔離電路實現(xiàn)電氣隔離，輸出的隔離方波信號與輸入的整形方波信號頻率和波形完全一致。

RC微分電路（見圖5）：該模塊將輸入的隔離方波信號通過RC微分電路轉換成頻率一致的脈沖波信號，作為F/V電路的頻率輸入信號。

F/V電路：該模塊以LM331（U3）頻率/電壓轉換芯片為核心，將輸入的0～930 Hz脈沖波信號經(jīng)過計算轉換成對應的0～0.95 VDC電壓輸出。

放大電路（見圖6）：將F/V電路輸入的電壓信號進行放大（放大倍數(shù)為14），放大后的信號傳送給V/I電路。

圖5　RC微分電路Fig.5　 RC differential coefficient circuit

圖6　放大電路Fig.6　 Magnified circuit

V/I電路：將代表主泵轉速的0～13.3 VDC電壓信號轉換成對應的4～20 mA電流信號。模塊有較多的分立元件構成，包括零滿調整電路、電流負反饋回路、電流輸出回路。輸出電流C17濾波后供后端負載。

供電電路：將輸入的AC220 V轉換為DC12 V和DC18V，為前置器各電路模塊提供低壓供電。

3　失效分析

根據(jù)前置器電路工作原理，采用事故樹分析方法（見圖7），對前置器的失效模式及根本原因進行分析。

對于輸出電流不穩(wěn)定主要為F/V電路LM331或LM258受到干擾或自身性能不穩(wěn)定，導致輸出電壓短暫下降。無輸出是由于LM331、LM258或C17性能不穩(wěn)定引起。設備溫度過高是由于18 V供電電路中電容C11性能下降，輸出電壓減小，電流下降，當C11擊穿時引起18 V電源短路，板件大量發(fā)熱，輸出電流降為零。

參照最新電子電路設計標準，在對前置器失效分析中發(fā)現(xiàn)其設計存在以下問題：

圖7　失效因素示意圖Fig.7　Failure factors

1）元器件選型不合理：原設計中所選擇的器件多為商業(yè)級器件（0～70 ℃），且在關鍵器件的選擇上也未對溫漂等重要指標進行充分考慮。影響電路精度和穩(wěn)定性的關鍵參數(shù)如工作溫度范圍取值偏小，溫漂指標大。關鍵的F/V和V/I電路的集成芯片及電阻電容等級較低。電路中的關鍵電容使用了易短路的鉭電解電容。

2）電路設計不夠合理：電路中使用較多的分立元件，任何一個元器件故障導致前置器性能下降。如V/I電路中電阻R20、R21，電位器W1等器件對“滿量程”設定值有重要影響；電阻R22、R23、穩(wěn)壓管D5，電位器W2器件對“零點”設定值有重要影響；一旦溫度發(fā)生變化，以上器件的性能會發(fā)生較大變化，對前置器的“滿量程”設定值和“零點”設定值產(chǎn)生不利影響，進而降低前置器的輸出精度；F/V電路自身特性受溫度變化影響較大，V/I電路自身不帶溫度補償，溫度變化后，由LM258及電阻R24、R25等器件組成的轉換電路對前置器的輸出精度也會產(chǎn)生不利影響，影響輸出精度。放大電路易出現(xiàn)故障。

3）結構設計不合理：前置器內的器件布局不合理，重量較大的變壓器安裝在相對靠后的位置（相對于前置器固定點而言），這種布局造成了前置器安裝后重心不穩(wěn)。前置器保護殼是前置器的重要輔助設備，固定在主泵電機圍板上，而前置器則安裝在保護殼內的導軌上。原設計中的保護殼沒有防護要求及未進行IP等級試驗。

4　改進措施

目前，國內僅有秦山核電站320 MW機組設計了主泵轉速保護要求，根據(jù)設計院提供的設備技術規(guī)格書要求，前置器為1E級、抗震1類、質保1類，使用環(huán)境0～65 ℃，在特定溫度值下（工作溫度），精度需要達到0.2 % F.S，之后環(huán)境溫度每變化10 ℃，前置器精度可以變化0.2 % F.S。由于市場上無成熟的1E級轉速測量及信號處理裝置，因此只能在目前電路結構的基礎上重新研制并進行1E級鑒定。因此在電路設計上盡量精簡設計，減少元器件故障帶來的影響。所有元器件進行老練篩選，選型時對工作溫度范圍和溫漂指標進行重點關注，大部分元器件為軍級器件（-55～125 ℃），少部分為工業(yè)級器件（-40～85 ℃）；對輸出精度有重要影響的關鍵器件均具有較好的溫漂指標（±25 ppm/℃，1ppm=10-6）。在供電電路中增加壓敏電阻進行抗浪涌保護。

4.1電路設計改進

F/V電路設計：新設計的F/V電路經(jīng)過嚴格的分析計算，選取合適的電阻和電容參數(shù)，可以將輸入的0～930 Hz頻率信號轉換為對應的0～5 V信號，該模塊以LM231A（U3）頻率/電壓轉換芯片為核心。通過調節(jié)電位器CW3，可以保證F/V電路在輸入脈沖波頻率為0～930 Hz時，對應輸出0～5 VDC電壓信號，實現(xiàn)頻率和電壓之間的等效轉換。

圖8　放大電路Fig.8　Amplified circuit

放大電路改進（見圖8）：轉換后的0～5 V電壓信號不需要進行幅值放大，信號經(jīng)電壓跟隨電路的緩沖和隔離后送V/I電路。該設計簡化了信號處理過程，同時減少了對輸出精度有影響的環(huán)節(jié)。該模塊以電壓跟隨器為核心，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，可以在前后級之間實現(xiàn)良好的阻抗匹配，此外該模塊還具有提高前級電路驅動能力的作用。

V/I電路改進（見圖9）：以XTR110AG為核心將跟隨器輸入的電壓信號轉換為對應的4～20 mA電流信號。通過調節(jié)電位器CW1，可以對V/I電路輸出零點（4 mA）進行調節(jié)，保證輸出零點符合要求。通過電位器CW2，可以對輸出電流的線性度進行調節(jié)，保證輸出電流具有良好的線性關系。該電路不僅具有良好的可靠性和輸出精度，而且自身具有溫度補償功能，可以降低溫度變化對輸出精度的影響，提高了前置器的整體性能。

4.2結構設計改進

新設計中對前置器中的器件布局進行了調整和優(yōu)化，將重量較大的變壓器安裝在了前置器靠近固定點的位置，這種布局提高了前置器安裝后的抗震能力。在設計開發(fā)過程中，通過與設計院進行技術交流，結合現(xiàn)場實際使用情況，在結構上采用不銹鋼全封閉金屬設計，防護等級為IP55，提供良好的抗輻照、防水、防塵保護。由于在結構方面進行了全面改進，前置器在安裝穩(wěn)定性、防護等級等方面都得到了較大加強。

5　1E級鑒定

通過對設備原理圖及試驗大綱進行分析，根據(jù)設計準則及設備規(guī)范書要求，編制了主泵前置轉換器鑒定試驗大綱并通過專家組的評審，確定了轉速前置器進行1E級鑒定的試驗項目。

5.1性能試驗

性能試驗包括基本電氣特性試驗程序，功能和性能測試程序，供電電壓的影響試驗程序，環(huán)境溫度和供電電壓組合影響試驗程序，電磁兼容性試驗程序，高溫試驗程序，低溫試驗程序，溫度快變化試驗程序，交變濕熱試驗程序，長期運行試驗程序，外殼防護等級試驗程序?；拘阅茉囼灱淳仍囼?，通過5點法進行輸入輸出測試。電磁兼容性能是前置器的一項關鍵技術指標，對其能否在現(xiàn)場實際環(huán)境中連續(xù)穩(wěn)定運行具有重要影響。試驗包含浪涌抗擾度等八項試驗，各類試驗均一次性成功，各項試驗中精度滿足設備規(guī)格書要求。

圖9　V/I電路Fig.9　V/I circuit

5.2老化試驗

由于該設備位于主泵電機殼體上，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，根據(jù)與設計院協(xié)調后按照8年壽命設計，在高溫70 ℃，低溫-25 ℃下分別運行96 h。在60 ℃及45 ℃下分別連續(xù)運行300 h，試驗后設備性能符合精度要求，滿足鑒定試驗大綱要求。核電廠按5年使用周期安排定期更換。

5.3輻照鑒定

抗輻照性能是前置器的一項關鍵技術指標。由于國內開發(fā)的K2類電子設備很少，可以借鑒的經(jīng)驗不多。前置器安裝位置處的輻照劑量率約為8 mSv/h。為減少受輻照的影響，新前置器結構件和保護殼均采用全封閉結構和加厚的不銹鋼材質，相比以前的鋁質材料耐輻照能力加強。試驗方案由相關設計院、專家組分析及討論后以15 mSv/h劑量率按照5年壽命折算出累計劑量，增加15%裕量作為輻照試驗的累積劑量（756 Gy），順利通過抗震試驗，設備性能滿足精度要求。在后續(xù)的破壞性試驗中總的累積劑量3 090 Gy，滿足20年的輻照壽命。

5.4抗震鑒定

根據(jù)反應堆廠房內部結構12 m層樓面反應譜（SSE），采用多頻試驗中的時程曲線方法，阻尼取4%，水平X、Y方向的峰值加速度為2 g，垂直Z方向的峰值加速度為0.2 g進行試驗。由于經(jīng)過前置器電路改進及結構件和保護殼結構設計優(yōu)化，順利通過抗震試驗，設備性能滿足精度要求。

鑒定試驗在認證資質試驗單位中完成，試驗資料規(guī)范完整。結果滿足鑒定大綱的技術要求，符合核安全1E級（RCC-E，K2類）設備的鑒定要求。鑒定組專家一致同意通過鑒定。

6　結束語

通過對秦山核電站320 MW機組主泵轉速前置器電路原理、失效原因及設計弱項分析，新研制的轉速前置器從器件選型、電路設計、結構設計等各個方面進行了全面改進，并通過1E設備質量合格鑒定，具有輸出穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強等特點，能夠更好的替代原產(chǎn)品。新設備到主泵轉速測量現(xiàn)場進行實際運用，運行狀態(tài)良好。該成果達到了國內同類產(chǎn)品的先進水平，具有良好的經(jīng)濟效益社會效益和推廣前景，對核電廠的1E級儀控設備研制具有良好的借鑒和參考意義。

［1］ 主泵轉速前置器技術規(guī)范書［R］. 上海核工程研究設計院，2014.（Technical Specifications of the Primary Pump Rotation Speed Preamplifier. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute， 2014.）

［2］ 主泵轉速前置器鑒定大綱［R］. 中科華北京分院，2014.（Appraisal Program for the Primary Pump Rotation Speed Preamplifier［R］. China Nuclear Power Technology Research Institute， 2014.）

［3］ 秦山320 M W核電機組基礎理論教材儀表與控制［R］. 秦山核電公司，2008.（Basic Theory Teaching Material for Qinshan 320 MW Nuclear Power Plant： I&C［R］. Qinshan Nuclear Power Corporation， 2008.）

［4］ 核電站冷卻劑泵轉速檢測裝置預老化試驗大綱［R］.上海自動化儀表股份有限公司轉速表廠，1998.（Pre-ageing Test Program for the Rotation Speed Measuring Device of the Reactor Coolant Pump［R］. Rotation Speed Instrument Plant of Shanghai Automation Instrument Co.， Ltd.，1998.）

Modifi cation of Reactor Coolant Pump Speed Converter of Qinshan 320 MW Unit

PU Xiao-bin， PAN Wei-hua， QIAN Min， XIA De-li
（CNNC Nuclear Power Operation Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China）

Reactor coolant pump speed converter is the key component to measure reactor coolant pump speed. Aiming at the fact that equipment design and model of speed converter do not meet requirements， instability of measurement performance as well as incompleteness of 1E identification test， Qinshan Nuclear Power Plant has redesigned or optimized the circuit structure design and equipment model selection through study and development of speed converter independently. Qinshan Nuclear Power Plant has carried out 1E identification based on component identification program and test program. The newly developed speed converter has characteristics such as high accuracy， stable performance and strong anti-disturbing ability， the state of which is excellent after being put into practice in the field， therefore the reliability of component is enhanced.

reactor coolant pump speed； converter； analysis； reliability； improvement

TL35 Article character：A Article ID：1674-1617（2015）04-0316-06

TL35

A

1674-1617（2015）04-0316-06

2015-09-20

蒲曉彬（1971—），男，四川人，研究員級高級工程師，學士，從事核電廠儀控設備的技術管理工作。