320 MW機(jī)組主泵轉(zhuǎn)速前置器改進(jìn)

蒲曉彬，潘衛(wèi)華，錢　敏，夏德莉

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

320 MW機(jī)組主泵轉(zhuǎn)速前置器改進(jìn)

蒲曉彬，潘衛(wèi)華，錢敏，夏德莉

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

主泵轉(zhuǎn)速前置器是主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備。秦山核電站針對(duì)轉(zhuǎn)速前置器存在的元器件設(shè)計(jì)及選型不滿足要求、測(cè)量性能不穩(wěn)定、1E級(jí)鑒定試驗(yàn)不完整等問(wèn)題，通過(guò)自行研發(fā)轉(zhuǎn)速前置器，在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選型方面進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)或優(yōu)化，依據(jù)設(shè)備鑒定大綱和試驗(yàn)程序進(jìn)行1E級(jí)鑒定，新研發(fā)的轉(zhuǎn)速前置器具有精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用后狀態(tài)良好，提高了設(shè)備的可靠性。

主泵轉(zhuǎn)速；前置器；分析；可靠性；1E級(jí)鑒定

秦山核電站320MW機(jī)組主泵轉(zhuǎn)速保護(hù)由3個(gè)獨(dú)立的測(cè)量通道構(gòu)成。當(dāng)主泵轉(zhuǎn)速下降至額定值的89%時(shí)（測(cè)量范圍0～1 860 r/min，額定轉(zhuǎn)速1 488 r/min），3取2邏輯觸發(fā)事故保護(hù)停堆信號(hào)。主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量由渦流探頭和轉(zhuǎn)速前置器組成。渦流探頭安裝在主泵電機(jī)軸上，通過(guò)30齒測(cè)速齒輪產(chǎn)生脈沖信號(hào)（0～930 Hz）。轉(zhuǎn)速前置器處理渦流探頭的信號(hào)并輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mADC信號(hào)送至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)為過(guò)程控制系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速顯示、報(bào)警、趨勢(shì)信號(hào)（見(jiàn)圖1）。

1　轉(zhuǎn)速前置器存在的問(wèn)題

按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，秦山核電站主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量為1E級(jí)、抗震1類、質(zhì)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(zhuǎn)速前置器為法國(guó)AREVA產(chǎn)品，非1E級(jí)。20世紀(jì)90年代初調(diào)試時(shí)因負(fù)載低無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，由秦山核電站與上海轉(zhuǎn)速表廠合作開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)速前置器，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)老化試驗(yàn)和輻照試驗(yàn)，抗震和電磁兼容等試驗(yàn)也不能完全滿足當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1　主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量及控制框圖Fig.1　 Pump speed measurement and control

轉(zhuǎn)速前置器安裝在反應(yīng)堆廠房的主泵電機(jī)圍板上，處于高溫、高輻射、振動(dòng)大的環(huán)境中，曾出現(xiàn)數(shù)次由前置器自身問(wèn)題引起的主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量故障。主要表現(xiàn)為前置器輸出電流不穩(wěn)定，無(wú)輸出、設(shè)備溫度過(guò)高等問(wèn)題。在備件制造過(guò)程中缺少嚴(yán)格的質(zhì)量控制，元器件未經(jīng)嚴(yán)格的制造過(guò)程跟蹤及老化篩選，導(dǎo)致多個(gè)后續(xù)備件安裝到現(xiàn)場(chǎng)24 h內(nèi)即出現(xiàn)故障。同時(shí)制造工廠轉(zhuǎn)型，不再提供備件及技術(shù)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(chǎng)設(shè)備故障、備件質(zhì)量問(wèn)題依然對(duì)機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行存在著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

如何對(duì)轉(zhuǎn)速的可靠性進(jìn)行全面的分析并改進(jìn)，滿足核安全法規(guī)的要求，防止因轉(zhuǎn)速故障導(dǎo)致的誤停堆事故就成了一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

2　原轉(zhuǎn)速前置器電路原理

原轉(zhuǎn)速前置器主要由波形轉(zhuǎn)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(gòu)成。

波形轉(zhuǎn)換電路（見(jiàn)圖2）：將磁電傳感器送來(lái)的主泵轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。該模塊首先通過(guò)限幅電路將傳感器送來(lái)的信號(hào)（正弦波、矩形波、三角波均可）進(jìn)行限幅，之后通過(guò)三極管Q1的開(kāi)關(guān)特性將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。

整形電路（見(jiàn)圖3）：將波形轉(zhuǎn)換電路送來(lái)的不規(guī)整方波通過(guò)施密特整形電路轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)頻率一致的規(guī)整方波。

圖2　波形轉(zhuǎn)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(jiàn)圖4）：該模塊首先通過(guò)反相電路將整形方波信號(hào)取反，之后通過(guò)光電隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，輸出的隔離方波信號(hào)與輸入的整形方波信號(hào)頻率和波形完全一致。

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

F/V電路：該模塊以LM331（U3）頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片為核心，將輸入的0～930 Hz脈沖波信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的0～0.95 VDC電壓輸出。

放大電路（見(jiàn)圖6）：將F/V電路輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行放大（放大倍數(shù)為14），放大后的信號(hào)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(zhuǎn)速的0～13.3 VDC電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的4～20 mA電流信號(hào)。模塊有較多的分立元件構(gòu)成，包括零滿調(diào)整電路、電流負(fù)反饋回路、電流輸出回路。輸出電流C17濾波后供后端負(fù)載。

供電電路：將輸入的AC220 V轉(zhuǎn)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(shù)分析方法（見(jiàn)圖7），對(duì)前置器的失效模式及根本原因進(jìn)行分析。

對(duì)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(dǎo)致輸出電壓短暫下降。無(wú)輸出是由于LM331、LM258或C17性能不穩(wěn)定引起。設(shè)備溫度過(guò)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(dāng)C11擊穿時(shí)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)前置器失效分析中發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)存在以下問(wèn)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(shè)計(jì)中所選擇的器件多為商業(yè)級(jí)器件（0～70 ℃），且在關(guān)鍵器件的選擇上也未對(duì)溫漂等重要指標(biāo)進(jìn)行充分考慮。影響電路精度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)如工作溫度范圍取值偏小，溫漂指標(biāo)大。關(guān)鍵的F/V和V/I電路的集成芯片及電阻電容等級(jí)較低。電路中的關(guān)鍵電容使用了易短路的鉭電解電容。

2）電路設(shè)計(jì)不夠合理：電路中使用較多的分立元件，任何一個(gè)元器件故障導(dǎo)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(duì)“滿量程”設(shè)定值有重要影響；電阻R22、R23、穩(wěn)壓管D5，電位器W2器件對(duì)“零點(diǎn)”設(shè)定值有重要影響；一旦溫度發(fā)生變化，以上器件的性能會(huì)發(fā)生較大變化，對(duì)前置器的“滿量程”設(shè)定值和“零點(diǎn)”設(shè)定值產(chǎn)生不利影響，進(jìn)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(bǔ)償，溫度變化后，由LM258及電阻R24、R25等器件組成的轉(zhuǎn)換電路對(duì)前置器的輸出精度也會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理：前置器內(nèi)的器件布局不合理，重量較大的變壓器安裝在相對(duì)靠后的位置（相對(duì)于前置器固定點(diǎn)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(hù)殼是前置器的重要輔助設(shè)備，固定在主泵電機(jī)圍板上，而前置器則安裝在保護(hù)殼內(nèi)的導(dǎo)軌上。原設(shè)計(jì)中的保護(hù)殼沒(méi)有防護(hù)要求及未進(jìn)行IP等級(jí)試驗(yàn)。

4　改進(jìn)措施

目前，國(guó)內(nèi)僅有秦山核電站320 MW機(jī)組設(shè)計(jì)了主泵轉(zhuǎn)速保護(hù)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)要求，前置器為1E級(jí)、抗震1類、質(zhì)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(dá)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(chǎng)上無(wú)成熟的1E級(jí)轉(zhuǎn)速測(cè)量及信號(hào)處理裝置，因此只能在目前電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上重新研制并進(jìn)行1E級(jí)鑒定。因此在電路設(shè)計(jì)上盡量精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，減少元器件故障帶來(lái)的影響。所有元器件進(jìn)行老練篩選，選型時(shí)對(duì)工作溫度范圍和溫漂指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，大部分元器件為軍級(jí)器件（-55～125 ℃），少部分為工業(yè)級(jí)器件（-40～85 ℃）；對(duì)輸出精度有重要影響的關(guān)鍵器件均具有較好的溫漂指標(biāo)（±25 ppm/℃，1ppm=10-6）。在供電電路中增加壓敏電阻進(jìn)行抗浪涌保護(hù)。

4.1電路設(shè)計(jì)改進(jìn)

F/V電路設(shè)計(jì)：新設(shè)計(jì)的F/V電路經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的分析計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的0～5 V信號(hào)，該模塊以LM231A（U3）頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片為核心。通過(guò)調(diào)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(shí)，對(duì)應(yīng)輸出0～5 VDC電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率和電壓之間的等效轉(zhuǎn)換。

圖8　放大電路Fig.8　Amplified circuit

放大電路改進(jìn)（見(jiàn)圖8）：轉(zhuǎn)換后的0～5 V電壓信號(hào)不需要進(jìn)行幅值放大，信號(hào)經(jīng)電壓跟隨電路的緩沖和隔離后送V/I電路。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了信號(hào)處理過(guò)程，同時(shí)減少了對(duì)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(diǎn)，可以在前后級(jí)之間實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，此外該模塊還具有提高前級(jí)電路驅(qū)動(dòng)能力的作用。

V/I電路改進(jìn)（見(jiàn)圖9）：以XTR110AG為核心將跟隨器輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的4～20 mA電流信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器CW1，可以對(duì)V/I電路輸出零點(diǎn)（4 mA）進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證輸出零點(diǎn)符合要求。通過(guò)電位器CW2，可以對(duì)輸出電流的線性度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證輸出電流具有良好的線性關(guān)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(bǔ)償功能，可以降低溫度變化對(duì)輸出精度的影響，提高了前置器的整體性能。

4.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

新設(shè)計(jì)中對(duì)前置器中的器件布局進(jìn)行了調(diào)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(diǎn)的位置，這種布局提高了前置器安裝后的抗震能力。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)與設(shè)計(jì)院進(jìn)行技術(shù)交流，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，在結(jié)構(gòu)上采用不銹鋼全封閉金屬設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)為IP55，提供良好的抗輻照、防水、防塵保護(hù)。由于在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了全面改進(jìn)，前置器在安裝穩(wěn)定性、防護(hù)等級(jí)等方面都得到了較大加強(qiáng)。

5　1E級(jí)鑒定

通過(guò)對(duì)設(shè)備原理圖及試驗(yàn)大綱進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及設(shè)備規(guī)范書(shū)要求，編制了主泵前置轉(zhuǎn)換器鑒定試驗(yàn)大綱并通過(guò)專家組的評(píng)審，確定了轉(zhuǎn)速前置器進(jìn)行1E級(jí)鑒定的試驗(yàn)項(xiàng)目。

5.1性能試驗(yàn)

性能試驗(yàn)包括基本電氣特性試驗(yàn)程序，功能和性能測(cè)試程序，供電電壓的影響試驗(yàn)程序，環(huán)境溫度和供電電壓組合影響試驗(yàn)程序，電磁兼容性試驗(yàn)程序，高溫試驗(yàn)程序，低溫試驗(yàn)程序，溫度快變化試驗(yàn)程序，交變濕熱試驗(yàn)程序，長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)程序，外殼防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)程序。基本性能試驗(yàn)即精度試驗(yàn)，通過(guò)5點(diǎn)法進(jìn)行輸入輸出測(cè)試。電磁兼容性能是前置器的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，對(duì)其能否在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境中連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響。試驗(yàn)包含浪涌抗擾度等八項(xiàng)試驗(yàn)，各類試驗(yàn)均一次性成功，各項(xiàng)試驗(yàn)中精度滿足設(shè)備規(guī)格書(shū)要求。

圖9　V/I電路Fig.9　V/I circuit

5.2老化試驗(yàn)

由于該設(shè)備位于主泵電機(jī)殼體上，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，根據(jù)與設(shè)計(jì)院協(xié)調(diào)后按照8年壽命設(shè)計(jì)，在高溫70 ℃，低溫-25 ℃下分別運(yùn)行96 h。在60 ℃及45 ℃下分別連續(xù)運(yùn)行300 h，試驗(yàn)后設(shè)備性能符合精度要求，滿足鑒定試驗(yàn)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。由于國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的K2類電子設(shè)備很少，可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)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(jié)構(gòu)件和保護(hù)殼均采用全封閉結(jié)構(gòu)和加厚的不銹鋼材質(zhì)，相比以前的鋁質(zhì)材料耐輻照能力加強(qiáng)。試驗(yàn)方案由相關(guān)設(shè)計(jì)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(jì)劑量，增加15%裕量作為輻照試驗(yàn)的累積劑量（756 Gy），順利通過(guò)抗震試驗(yàn)，設(shè)備性能滿足精度要求。在后續(xù)的破壞性試驗(yàn)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(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)12 m層樓面反應(yīng)譜（SSE），采用多頻試驗(yàn)中的時(shí)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(jìn)行試驗(yàn)。由于經(jīng)過(guò)前置器電路改進(jìn)及結(jié)構(gòu)件和保護(hù)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，順利通過(guò)抗震試驗(yàn)，設(shè)備性能滿足精度要求。

鑒定試驗(yàn)在認(rèn)證資質(zhì)試驗(yàn)單位中完成，試驗(yàn)資料規(guī)范完整。結(jié)果滿足鑒定大綱的技術(shù)要求，符合核安全1E級(jí)（RCC-E，K2類）設(shè)備的鑒定要求。鑒定組專家一致同意通過(guò)鑒定。

6　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)秦山核電站320 MW機(jī)組主泵轉(zhuǎn)速前置器電路原理、失效原因及設(shè)計(jì)弱項(xiàng)分析，新研制的轉(zhuǎn)速前置器從器件選型、電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各個(gè)方面進(jìn)行了全面改進(jìn)，并通過(guò)1E設(shè)備質(zhì)量合格鑒定，具有輸出穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠更好的替代原產(chǎn)品。新設(shè)備到主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，運(yùn)行狀態(tài)良好。該成果達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益社會(huì)效益和推廣前景，對(duì)核電廠的1E級(jí)儀控設(shè)備研制具有良好的借鑒和參考意義。

［1］ 主泵轉(zhuǎn)速前置器技術(shù)規(guī)范書(shū)［R］. 上海核工程研究設(shè)計(jì)院，2014.（Technical Specifications of the Primary Pump Rotation Speed Preamplifier. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute， 2014.）

［2］ 主泵轉(zhuǎn)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(jī)組基礎(chǔ)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(zhuǎn)速檢測(cè)裝置預(yù)老化試驗(yàn)大綱［R］.上海自動(dòng)化儀表股份有限公司轉(zhuǎn)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(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，從事核電廠儀控設(shè)備的技術(shù)管理工作。