反應(yīng)堆冷卻劑泵轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)淺析

蘇繼威,馬敏超，俞晟力

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

反應(yīng)堆冷卻劑泵又稱(chēng)主泵，用于驅(qū)動(dòng)高溫高壓、具有放射性的冷卻劑，使冷卻劑以很大流量形成強(qiáng)迫循環(huán)，通過(guò)反應(yīng)堆堆芯，把堆芯中產(chǎn)生的熱量傳送給蒸汽發(fā)生器[1]。主泵作為冷卻劑系統(tǒng)唯一高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，是冷卻劑動(dòng)力的來(lái)源，是一回路的心臟。故對(duì)主泵運(yùn)行期間轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)，尤為重要。目前，秦二廠1、2號(hào)機(jī)組主泵轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由就地磁阻式傳感器經(jīng)過(guò)信號(hào)采集，發(fā)送到主泵轉(zhuǎn)速處理機(jī)箱進(jìn)行處理，然后再通過(guò)機(jī)柜卡件經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，再發(fā)送到主控指示儀、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等參與計(jì)算。主泵轉(zhuǎn)速信號(hào)還將送至超溫/超功率ΔT保護(hù)單元，以生成ΔT整定值。另外還送至RPN系統(tǒng)作為中子通量變化率高的修正信號(hào)，送至RPDM系統(tǒng)參與堆芯監(jiān)測(cè)[2]。同時(shí)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)還參與保護(hù)控制，若主泵轉(zhuǎn)速產(chǎn)生故障，將會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作。轉(zhuǎn)速信號(hào)處理機(jī)箱設(shè)有2個(gè)閾值，分別為甩負(fù)荷閾值(低：1 396 r/min)和緊急停堆閾值(低低：1 367 r/min)，在處理機(jī)箱尾部有相應(yīng)的觸點(diǎn)輸出至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“RPR系統(tǒng)”)。在轉(zhuǎn)速低于1 367 r/min一旦4取2的邏輯有2條以上的保護(hù)通道觸發(fā)了閾值，會(huì)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆保護(hù)[3]，則RPR系統(tǒng)就會(huì)做出相應(yīng)甩負(fù)荷或緊急停堆動(dòng)作。可見(jiàn)，主泵轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)故障將對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅，會(huì)導(dǎo)致停機(jī)停堆風(fēng)險(xiǎn)。

在每次大修主泵點(diǎn)動(dòng)期間，主泵轉(zhuǎn)速基本上都會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速高漂或者轉(zhuǎn)速跳變的情況，根據(jù)以往的檢修經(jīng)驗(yàn)，都是通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速探頭的間距到合理位置進(jìn)行處理消除故障，通過(guò)轉(zhuǎn)速探頭間距的調(diào)整方法，一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢修要求太高且機(jī)組啟機(jī)運(yùn)行后，就沒(méi)有窗口進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)；另一方面沒(méi)有根本解決問(wèn)題所在。本文將從主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱和轉(zhuǎn)速探頭國(guó)產(chǎn)化技術(shù)改造中遇到主泵轉(zhuǎn)速高漂和轉(zhuǎn)速跳變問(wèn)題進(jìn)行分析解決，消除故障隱患。

1 磁阻式傳感器及主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱的原理

1.1 傳感器工作原理

本次技術(shù)改造使用的是江蘇利核公司生產(chǎn)的磁阻傳感器ZH3302N,是利用磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的原理來(lái)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速，磁通量的變化速率越快，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)越大，在發(fā)訊齒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中與磁阻式轉(zhuǎn)速探頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生磁阻變化，在探頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)交變電壓，感應(yīng)電壓的頻率與觸發(fā)頻率同步，通過(guò)周期性的變化產(chǎn)生的觸發(fā)頻率信號(hào)輸入到轉(zhuǎn)速機(jī)箱，通過(guò)轉(zhuǎn)速機(jī)箱進(jìn)行信號(hào)處理。

1.2 主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱工作原理

主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱同樣使用的是江蘇利核公司生產(chǎn)的ZH2251N，其主要是由穩(wěn)壓電源，信號(hào)處理單元，信號(hào)輸入輸出端口、前面板切換開(kāi)關(guān)以及數(shù)碼管等組成。轉(zhuǎn)速機(jī)箱可連接現(xiàn)場(chǎng)兩只傳感器，并通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)切換工作傳感器。主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱將傳感器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理，提供就地?cái)?shù)碼管指示轉(zhuǎn)速和遠(yuǎn)程顯示接口，并生成與轉(zhuǎn)速值成比例的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出，送往主控記錄儀以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等進(jìn)行轉(zhuǎn)速顯示。同時(shí)轉(zhuǎn)速機(jī)箱低值報(bào)警產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)送往RPR系統(tǒng)參與保護(hù)控制。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)安裝情況

現(xiàn)場(chǎng)磁阻式傳感器與發(fā)訊盤(pán)大致安裝情況如圖1所示，每臺(tái)主泵由兩兩為180°的傳感器安裝在泵軸的一周，通過(guò)安裝支架固定。互為180°的兩個(gè)傳感器信號(hào)送入到同一轉(zhuǎn)速機(jī)箱，一個(gè)作為實(shí)時(shí)信號(hào)通道，另一個(gè)作為備用信號(hào)通道，信號(hào)通道的選擇通過(guò)轉(zhuǎn)速機(jī)箱前面板選擇按鈕實(shí)現(xiàn)。發(fā)訊盤(pán)上開(kāi)有2個(gè)凹槽口作為觸發(fā)傳感器信號(hào)的發(fā)訊齒，兩個(gè)發(fā)訊齒也相差180°，傳感器與發(fā)訊盤(pán)安裝在同一平面上。

圖1 安裝示意圖

發(fā)訊盤(pán)與主泵泵軸相連接，當(dāng)主泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)訊盤(pán)也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，主泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速約為1488 r/min，頻率約為49.7 Hz，磁阻式傳感器通過(guò)與發(fā)訊齒的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出正弦脈沖電壓信號(hào)[4]，該信號(hào)送往主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱進(jìn)行處理。該機(jī)箱安裝在機(jī)柜中，傳感器信號(hào)通過(guò)信號(hào)電纜與機(jī)箱連接。

2 主泵轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)故障分析

2.1 轉(zhuǎn)速高漂和跳變故障

在秦二廠2號(hào)機(jī)組D213大修期間，對(duì)主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱和轉(zhuǎn)速探頭進(jìn)行技術(shù)改造。在主泵點(diǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速高漂到1800 r/min，同時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到額定轉(zhuǎn)速期間，時(shí)常出現(xiàn)跳變情況。現(xiàn)場(chǎng)檢查調(diào)整轉(zhuǎn)速機(jī)箱閾值電壓和傳感器的安裝間距后，轉(zhuǎn)速仍然高漂至1580 r/min，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)跳變狀況。

由于主泵的特殊性，無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，故我們按照相同材質(zhì)制作模擬了現(xiàn)場(chǎng)發(fā)訊盤(pán)，在實(shí)驗(yàn)室中，將發(fā)訊盤(pán)模擬現(xiàn)場(chǎng)主泵轉(zhuǎn)速，同時(shí)將在發(fā)訊盤(pán)邊安裝的磁阻式探頭信號(hào)分別接入主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱和示波器進(jìn)行模擬研究分析。

2.2 故障的根本原因分析

在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)安裝情況，傳感器與發(fā)訊盤(pán)的安裝間隙按照現(xiàn)場(chǎng)安裝要求1.15 mm±0.05 mm安裝，發(fā)訊盤(pán)的轉(zhuǎn)速按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1488 r/min，觀察轉(zhuǎn)速機(jī)箱上測(cè)試的轉(zhuǎn)速顯示，發(fā)現(xiàn)主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱也出現(xiàn)了超轉(zhuǎn)速和跳變情況。同時(shí)，我們使用示波器將該傳感器測(cè)得的波形進(jìn)行記錄，如圖2所示。通過(guò)對(duì)測(cè)試圖形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在信號(hào)產(chǎn)生之前，有一個(gè)畸變信號(hào)[5]，如圖3所示。

圖2 傳感器信號(hào)波形測(cè)試

圖3 波形放大后的畸變信號(hào)

由于這個(gè)畸變信號(hào)的波形是一個(gè)向上的反向波形，而且技術(shù)改造使用的主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱,信號(hào)處理采用上升沿采樣方式，該畸變信號(hào)電壓峰值一旦超過(guò)轉(zhuǎn)速機(jī)箱閾值電壓，就會(huì)影響轉(zhuǎn)速的正常測(cè)量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速故障，故判斷該畸變波形是影響主泵轉(zhuǎn)速高漂和跳變的主要原因。同時(shí)，我們?cè)谌粘Ｖ鞅眠\(yùn)行期間，在不影響機(jī)組安全運(yùn)行的情況下，安排窗口對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的轉(zhuǎn)速波形進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了1號(hào)機(jī)組第二組保護(hù)柜和2號(hào)機(jī)組第一組保護(hù)柜對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)同樣存在畸變波形情況。由于目前使用的主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱濾波使用的閾值電壓約為180 mV，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的畸變波形的電壓峰值可以達(dá)到約480 mV，故轉(zhuǎn)速機(jī)箱無(wú)法將其濾除，從而使轉(zhuǎn)速機(jī)箱采樣到了該畸變信號(hào)，導(dǎo)致了主泵轉(zhuǎn)速高漂和跳變情況。

為了能夠找出產(chǎn)生畸變波形的根本原因，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)所有能夠產(chǎn)生該情況的因素進(jìn)行分析試驗(yàn)，如傳感器安裝間隙大小、主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱閾值大小、傳感器接線方式等，具體分析情況如下。

2.3 傳感器安裝間隙的影響

根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)傳感器的安裝間距對(duì)轉(zhuǎn)速影響很大，與發(fā)訊盤(pán)的安裝間距太近，會(huì)出現(xiàn)超轉(zhuǎn)速，裝的太遠(yuǎn)可能會(huì)丟失轉(zhuǎn)速情況。我們對(duì)額定轉(zhuǎn)速下，不同的安裝間隙，畸變波形的電壓進(jìn)行測(cè)量以及轉(zhuǎn)速機(jī)箱的轉(zhuǎn)速顯示進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)安裝間隙對(duì)其峰值電壓也有一定的影響，如表1所示。

表1 安裝間隙對(duì)畸變波形的影響

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，傳感器安裝間隙越大，產(chǎn)生的畸變波形電壓峰值越小，轉(zhuǎn)速高漂和跳變的故障就越不明顯，但同時(shí)如果安裝間隙過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致傳感器無(wú)法產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電壓，使轉(zhuǎn)速機(jī)箱無(wú)法采樣測(cè)量轉(zhuǎn)速。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得的情況，由于現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的畸變波形電壓峰值比實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的電壓大，可能因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)發(fā)訊盤(pán)、主泵振動(dòng)等環(huán)境狀況比較復(fù)雜而導(dǎo)致的這種情況。通過(guò)試驗(yàn)分析和結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為了更大限度的減少故障的發(fā)生，將傳感器安裝間隙調(diào)整為2.5 mm±0.5 mm，同時(shí)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的安裝也更加方便。

2.4 主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱閾值的影響

為了進(jìn)一步解決畸變波形對(duì)主泵轉(zhuǎn)速的影響，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室也對(duì)機(jī)箱閾值電壓進(jìn)行了研究試驗(yàn)。主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱閾值主要是為了濾除現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等的影響產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)對(duì)該畸變波形也有濾波作用。機(jī)箱閾值當(dāng)然是越大對(duì)濾波效果越好，但是為了能夠最大限度地減少低轉(zhuǎn)速無(wú)顯示的情況，盡量將閾值電壓提高，以此來(lái)濾除畸變波形產(chǎn)生的影響。

轉(zhuǎn)速機(jī)箱一般使用的閾值電壓約180 mV，故現(xiàn)場(chǎng)很容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)速高漂和轉(zhuǎn)速跳變情況。在大修期間，我們將閾值電壓調(diào)整到約380 mV后，主泵轉(zhuǎn)速仍然產(chǎn)生轉(zhuǎn)速高漂情況。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)波形測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)，將主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱閾值電壓設(shè)置在600 mV左右，同時(shí)測(cè)量發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在100 r/min以下，無(wú)法顯示正常轉(zhuǎn)速。由于磁阻式傳感器本身也有缺陷，無(wú)法精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速，這種在主泵正常啟動(dòng)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)無(wú)轉(zhuǎn)速顯示無(wú)影響。因?yàn)橹鞅眠€設(shè)計(jì)了卡轉(zhuǎn)子保護(hù)系統(tǒng)，使用的是電渦流式傳感器，能夠精確實(shí)時(shí)顯示主泵轉(zhuǎn)速情況，故此類(lèi)短時(shí)間的無(wú)轉(zhuǎn)速顯示并不影響主泵正常運(yùn)行。所以通過(guò)磁阻式傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)速在100 r/min下轉(zhuǎn)速無(wú)顯示是不影響對(duì)主泵轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)情況。

2.5 傳感器接線的影響

在試驗(yàn)分析傳感器信號(hào)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)傳感器接線反接后，即傳感器內(nèi)圈引線和外圈引線反接，也可在信號(hào)進(jìn)入轉(zhuǎn)速機(jī)箱時(shí)，將信號(hào)接線反接，則正弦脈沖電壓信號(hào)會(huì)有180°的翻轉(zhuǎn)。同樣道理，發(fā)訊盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向發(fā)生變化也會(huì)使信號(hào)翻轉(zhuǎn)，但現(xiàn)場(chǎng)主泵轉(zhuǎn)動(dòng)只有一個(gè)方向，暫不考慮這種情況。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的波形進(jìn)行測(cè)量時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了正弦脈沖電壓信號(hào)也有先上升沿(即標(biāo)準(zhǔn)的正弦波)的情況。為了排除信號(hào)先上升沿還是下降沿對(duì)該故障的影響情況，通過(guò)對(duì)接線方式的不同進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)信號(hào)先上升沿的情況，不同的安裝間距下，主泵轉(zhuǎn)速未發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)速高漂情況，只有在傳感器間距安裝太大丟失轉(zhuǎn)速情況。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)畸變波形為反方向產(chǎn)生，而主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱信號(hào)采集為上升沿采集，在這種情況下，該畸變波形為下降趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速機(jī)箱不會(huì)將其采樣，故該情況不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速高漂和跳變情況。

由于該分析只針對(duì)畸變波形，但環(huán)境干擾也會(huì)使轉(zhuǎn)速出現(xiàn)故障，同時(shí)，傳感器的外圈引線與轉(zhuǎn)速機(jī)箱還起到雜波濾除功能，若調(diào)換接線，無(wú)法從根本上解決轉(zhuǎn)速故障問(wèn)題，同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致其他故障。從傳感器本身原理出發(fā)，通過(guò)對(duì)傳感器內(nèi)部的磁場(chǎng)N極、S極對(duì)調(diào)，也能使信號(hào)發(fā)生上述變化，但同樣無(wú)法從根本上解決該問(wèn)題，從實(shí)用性和通用性來(lái)說(shuō)，這兩種方式不作為本次解決故障的參考方發(fā)，但這也是一種解決問(wèn)題的思路。

2.6 故障的解決方案

通過(guò)對(duì)磁阻式傳感器和主泵轉(zhuǎn)速機(jī)箱的研究試驗(yàn)分析，最終將傳感器安裝間隙定為2.5 mm±0.5 mm，將轉(zhuǎn)速機(jī)箱閾值電壓設(shè)置約為600 mV。為了能夠驗(yàn)證確認(rèn)該方案有效，在1號(hào)機(jī)組大修期間，按照該間隙和閾值電壓安裝傳感器和轉(zhuǎn)速機(jī)箱，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施完成后，在主泵啟動(dòng)過(guò)程，均未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速高漂和轉(zhuǎn)速跳變故障，轉(zhuǎn)速顯示平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)且在100 r/min以上轉(zhuǎn)速顯示正常有效。同時(shí)，通過(guò)日常主泵轉(zhuǎn)速運(yùn)行的情況，也未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速異常，故通過(guò)該種方案，成功解決了主泵轉(zhuǎn)速高漂和跳變故障。

3 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，主泵轉(zhuǎn)速探頭及機(jī)箱用的都是國(guó)外產(chǎn)品，產(chǎn)品價(jià)格昂貴且出現(xiàn)故障后，無(wú)法第一時(shí)間分析處理，相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)方面不透明，在技術(shù)支持和反饋上非常欠缺，增加的現(xiàn)場(chǎng)維修工作難度，對(duì)于維修人員整體的技術(shù)能力要求較高。本次技術(shù)改造實(shí)施的成功，積累了很豐富的經(jīng)驗(yàn)和大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷局面，不僅在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了成本，同時(shí)對(duì)后續(xù)的設(shè)備維護(hù)和檢修更容易更方便，提高了現(xiàn)場(chǎng)主泵轉(zhuǎn)速檢測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性。

通過(guò)對(duì)大修技術(shù)改造遇到的主泵轉(zhuǎn)速高漂和跳變問(wèn)題進(jìn)行研究分析，解決了困擾維修人員多年的問(wèn)題，同時(shí)保證了主泵轉(zhuǎn)速系統(tǒng)檢修后一次成功率，避免了影響大修工期窗口，為主泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障，為國(guó)內(nèi)核電廠同行維修人員提供了一種解決思路。