反應堆冷卻劑泵轉速監測系統淺析

蘇繼威,馬敏超，俞晟力

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

反應堆冷卻劑泵又稱主泵，用于驅動高溫高壓、具有放射性的冷卻劑，使冷卻劑以很大流量形成強迫循環，通過反應堆堆芯，把堆芯中產生的熱量傳送給蒸汽發生器[1]。主泵作為冷卻劑系統唯一高速旋轉的設備，是冷卻劑動力的來源，是一回路的心臟。故對主泵運行期間轉速的監測，尤為重要。目前，秦二廠1、2號機組主泵轉速監測系統主要是由就地磁阻式傳感器經過信號采集，發送到主泵轉速處理機箱進行處理，然后再通過機柜卡件經過信號轉化為標準電信號，再發送到主控指示儀、計算機系統等參與計算。主泵轉速信號還將送至超溫/超功率ΔT保護單元，以生成ΔT整定值。另外還送至RPN系統作為中子通量變化率高的修正信號，送至RPDM系統參與堆芯監測[2]。同時，轉速檢測系統還參與保護控制，若主泵轉速產生故障，將會產生對應的報警和保護動作。轉速信號處理機箱設有2個閾值，分別為甩負荷閾值(低：1 396 r/min)和緊急停堆閾值(低低：1 367 r/min)，在處理機箱尾部有相應的觸點輸出至反應堆保護系統(簡稱“RPR系統”)。在轉速低于1 367 r/min一旦4取2的邏輯有2條以上的保護通道觸發了閾值，會觸發反應堆停堆保護[3]，則RPR系統就會做出相應甩負荷或緊急停堆動作。可見，主泵轉速檢測系統故障將對機組的穩定安全運行產生威脅，會導致停機停堆風險。

在每次大修主泵點動期間，主泵轉速基本上都會出現轉速高漂或者轉速跳變的情況，根據以往的檢修經驗，都是通過調整轉速探頭的間距到合理位置進行處理消除故障，通過轉速探頭間距的調整方法，一方面對現場檢修要求太高且機組啟機運行后，就沒有窗口進行調整，嚴重影響機組運行狀態；另一方面沒有根本解決問題所在。本文將從主泵轉速機箱和轉速探頭國產化技術改造中遇到主泵轉速高漂和轉速跳變問題進行分析解決，消除故障隱患。

1 磁阻式傳感器及主泵轉速機箱的原理

1.1 傳感器工作原理

本次技術改造使用的是江蘇利核公司生產的磁阻傳感器ZH3302N,是利用磁通量的變化而產生感應電勢的原理來測試現場轉速，磁通量的變化速率越快，對應的電動勢越大，在發訊齒轉動過程中與磁阻式轉速探頭的相對運動，產生磁阻變化，在探頭線圈中產生感應交變電壓，感應電壓的頻率與觸發頻率同步，通過周期性的變化產生的觸發頻率信號輸入到轉速機箱，通過轉速機箱進行信號處理。

1.2 主泵轉速機箱工作原理

主泵轉速機箱同樣使用的是江蘇利核公司生產的ZH2251N，其主要是由穩壓電源，信號處理單元，信號輸入輸出端口、前面板切換開關以及數碼管等組成。轉速機箱可連接現場兩只傳感器，并通過選擇開關切換工作傳感器。主泵轉速機箱將傳感器產生的信號進行處理，提供就地數碼管指示轉速和遠程顯示接口，并生成與轉速值成比例的標準電信號輸出，送往主控記錄儀以及計算機系統等進行轉速顯示。同時轉速機箱低值報警產生對應的開關量信號送往RPR系統參與保護控制。

1.3 現場安裝情況

現場磁阻式傳感器與發訊盤大致安裝情況如圖1所示，每臺主泵由兩兩為180°的傳感器安裝在泵軸的一周，通過安裝支架固定。互為180°的兩個傳感器信號送入到同一轉速機箱，一個作為實時信號通道，另一個作為備用信號通道，信號通道的選擇通過轉速機箱前面板選擇按鈕實現。發訊盤上開有2個凹槽口作為觸發傳感器信號的發訊齒，兩個發訊齒也相差180°，傳感器與發訊盤安裝在同一平面上。

圖1 安裝示意圖

發訊盤與主泵泵軸相連接，當主泵轉動時，發訊盤也隨之轉動，主泵穩定運行時的轉速約為1488 r/min，頻率約為49.7 Hz，磁阻式傳感器通過與發訊齒的轉動，輸出正弦脈沖電壓信號[4]，該信號送往主泵轉速機箱進行處理。該機箱安裝在機柜中，傳感器信號通過信號電纜與機箱連接。

2 主泵轉速檢測系統故障分析

2.1 轉速高漂和跳變故障

在秦二廠2號機組D213大修期間，對主泵轉速機箱和轉速探頭進行技術改造。在主泵點動時，發現轉速高漂到1800 r/min，同時發現轉速從0上升到額定轉速期間，時常出現跳變情況。現場檢查調整轉速機箱閾值電壓和傳感器的安裝間距后，轉速仍然高漂至1580 r/min，同時還會出現跳變狀況。

由于主泵的特殊性，無法現場進行試驗，故我們按照相同材質制作模擬了現場發訊盤，在實驗室中，將發訊盤模擬現場主泵轉速，同時將在發訊盤邊安裝的磁阻式探頭信號分別接入主泵轉速機箱和示波器進行模擬研究分析。

2.2 故障的根本原因分析

在實驗室模擬現場安裝情況，傳感器與發訊盤的安裝間隙按照現場安裝要求1.15 mm±0.05 mm安裝，發訊盤的轉速按照現場實際情況，轉速為額定轉速1488 r/min，觀察轉速機箱上測試的轉速顯示，發現主泵轉速機箱也出現了超轉速和跳變情況。同時，我們使用示波器將該傳感器測得的波形進行記錄，如圖2所示。通過對測試圖形進行分析，發現在信號產生之前，有一個畸變信號[5]，如圖3所示。

圖2 傳感器信號波形測試

圖3 波形放大后的畸變信號

由于這個畸變信號的波形是一個向上的反向波形，而且技術改造使用的主泵轉速機箱,信號處理采用上升沿采樣方式，該畸變信號電壓峰值一旦超過轉速機箱閾值電壓，就會影響轉速的正常測量，導致轉速故障，故判斷該畸變波形是影響主泵轉速高漂和跳變的主要原因。同時，我們在日常主泵運行期間，在不影響機組安全運行的情況下，安排窗口對現場實際的轉速波形進行測量，現場測量了1號機組第二組保護柜和2號機組第一組保護柜對應的轉速，發現同樣存在畸變波形情況。由于目前使用的主泵轉速機箱濾波使用的閾值電壓約為180 mV，而現場測得的畸變波形的電壓峰值可以達到約480 mV，故轉速機箱無法將其濾除，從而使轉速機箱采樣到了該畸變信號，導致了主泵轉速高漂和跳變情況。

為了能夠找出產生畸變波形的根本原因，在實驗室中對所有能夠產生該情況的因素進行分析試驗，如傳感器安裝間隙大小、主泵轉速機箱閾值大小、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

根據以往的工作經驗，現場傳感器的安裝間距對轉速影響很大，與發訊盤的安裝間距太近，會出現超轉速，裝的太遠可能會丟失轉速情況。我們對額定轉速下，不同的安裝間隙，畸變波形的電壓進行測量以及轉速機箱的轉速顯示進行記錄，發現安裝間隙對其峰值電壓也有一定的影響，如表1所示。

表1 安裝間隙對畸變波形的影響

通過在實驗室測試的數據發現，傳感器安裝間隙越大，產生的畸變波形電壓峰值越小，轉速高漂和跳變的故障就越不明顯，但同時如果安裝間隙過大，會導致傳感器無法產生足夠的感應電壓，使轉速機箱無法采樣測量轉速。通過現場實際測得的情況，由于現場產生的畸變波形電壓峰值比實驗室測得的電壓大，可能因為現場發訊盤、主泵振動等環境狀況比較復雜而導致的這種情況。通過試驗分析和結合現場實際情況，為了更大限度的減少故障的發生，將傳感器安裝間隙調整為2.5 mm±0.5 mm，同時對于現場傳感器的安裝也更加方便。

2.4 主泵轉速機箱閾值的影響

為了進一步解決畸變波形對主泵轉速的影響，我們在實驗室也對機箱閾值電壓進行了研究試驗。主泵轉速機箱閾值主要是為了濾除現場環境等的影響產生的噪聲，同時對該畸變波形也有濾波作用。機箱閾值當然是越大對濾波效果越好，但是為了能夠最大限度地減少低轉速無顯示的情況，盡量將閾值電壓提高，以此來濾除畸變波形產生的影響。

轉速機箱一般使用的閾值電壓約180 mV，故現場很容易產生轉速高漂和轉速跳變情況。在大修期間，我們將閾值電壓調整到約380 mV后，主泵轉速仍然產生轉速高漂情況。結合現場波形測量和實驗室的測試數據，將主泵轉速機箱閾值電壓設置在600 mV左右，同時測量發現轉速在100 r/min以下，無法顯示正常轉速。由于磁阻式傳感器本身也有缺陷，無法精確測量低轉速下轉速，這種在主泵正常啟動時，短時間內無轉速顯示無影響。因為主泵還設計了卡轉子保護系統，使用的是電渦流式傳感器，能夠精確實時顯示主泵轉速情況，故此類短時間的無轉速顯示并不影響主泵正常運行。所以通過磁阻式傳感器測得的轉速在100 r/min下轉速無顯示是不影響對主泵轉速的監測情況。

2.5 傳感器接線的影響

在試驗分析傳感器信號的過程中，發現傳感器接線反接后，即傳感器內圈引線和外圈引線反接，也可在信號進入轉速機箱時，將信號接線反接，則正弦脈沖電壓信號會有180°的翻轉。同樣道理，發訊盤轉動的方向發生變化也會使信號翻轉，但現場主泵轉動只有一個方向，暫不考慮這種情況。在對現場實際的波形進行測量時，也發現了正弦脈沖電壓信號也有先上升沿(即標準的正弦波)的情況。為了排除信號先上升沿還是下降沿對該故障的影響情況，通過對接線方式的不同進行試驗分析，發現信號先上升沿的情況，不同的安裝間距下，主泵轉速未發生過轉速高漂情況，只有在傳感器間距安裝太大丟失轉速情況。進一步分析，發現畸變波形為反方向產生，而主泵轉速機箱信號采集為上升沿采集，在這種情況下，該畸變波形為下降趨勢，轉速機箱不會將其采樣，故該情況不會產生轉速高漂和跳變情況。

由于該分析只針對畸變波形，但環境干擾也會使轉速出現故障，同時，傳感器的外圈引線與轉速機箱還起到雜波濾除功能，若調換接線，無法從根本上解決轉速故障問題，同時可能會導致其他故障。從傳感器本身原理出發，通過對傳感器內部的磁場N極、S極對調，也能使信號發生上述變化，但同樣無法從根本上解決該問題，從實用性和通用性來說，這兩種方式不作為本次解決故障的參考方發，但這也是一種解決問題的思路。

2.6 故障的解決方案

通過對磁阻式傳感器和主泵轉速機箱的研究試驗分析，最終將傳感器安裝間隙定為2.5 mm±0.5 mm，將轉速機箱閾值電壓設置約為600 mV。為了能夠驗證確認該方案有效，在1號機組大修期間，按照該間隙和閾值電壓安裝傳感器和轉速機箱，現場實施完成后，在主泵啟動過程，均未出現轉速高漂和轉速跳變故障，轉速顯示平穩無波動且在100 r/min以上轉速顯示正常有效。同時，通過日常主泵轉速運行的情況，也未發現轉速異常，故通過該種方案，成功解決了主泵轉速高漂和跳變故障。

3 結束語

長期以來，主泵轉速探頭及機箱用的都是國外產品，產品價格昂貴且出現故障后，無法第一時間分析處理，相關技術細節方面不透明，在技術支持和反饋上非常欠缺，增加的現場維修工作難度，對于維修人員整體的技術能力要求較高。本次技術改造實施的成功，積累了很豐富的經驗和大量試驗數據，打破了國外技術壟斷局面，不僅在經濟上節約了成本，同時對后續的設備維護和檢修更容易更方便，提高了現場主泵轉速檢測的可靠性和穩定性。

通過對大修技術改造遇到的主泵轉速高漂和跳變問題進行研究分析，解決了困擾維修人員多年的問題，同時保證了主泵轉速系統檢修后一次成功率，避免了影響大修工期窗口，為主泵的安全穩定運行提供了有力保障，為國內核電廠同行維修人員提供了一種解決思路。