主泵轉速測量可靠性分析及優化

蔣鐵成，周順彪，朱 歡

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.萬納神核控股有限公司，浙江 海鹽 314300）

主泵作為反應堆冷卻劑系統中唯一高速旋轉的設備，用于驅動高溫高壓、具有放射性的冷卻劑，使冷卻劑通過反應堆堆芯，把堆芯中產生的熱量傳送給蒸汽發生器進行熱量轉換。主泵主要由主泵本體、主泵電機和輔助系統3大部分組成，其中泵主體包括水力裝置、熱屏熱交換器、轉動裝置、導軸承組件、軸密封組件等部分，主泵電機主要包括電機、油提升系統、空氣冷卻器、油冷卻、下軸承箱盤管冷卻器等部分[2,4]。

主泵是保護反應堆安全的重要部件之一，主泵的振動、軸承溫度、軸位移和主泵轉速信號作為表征主泵運行狀態的儀表，為技術人員判斷主泵運行狀態的好壞提供重要依據，尤其主泵轉速信號是表征主泵狀態的關鍵參數[5]。

1 主泵狀態監測儀表介紹

主泵的狀態監測裝置，主要由測量主泵運行參數的各種傳感器及其通道以及信號處理設備組成。以國內某M310機組為例[1]，單臺主泵裝備的傳感器主要有：20 個溫度傳感器，4 個泵速傳感器，2 個軸位移傳感器，1 個零轉速傳感器和2 個殼振動傳感器。其中，每臺機組均配備有1 個主泵振動處理機箱和4 個主泵轉速處理機箱的信號處理裝置。

主泵的轉速信號除了作為評估主泵運行狀態的關鍵參數，主泵轉速信號還參與停機、停堆保護，超溫超功率ΔT保護信號計算等，因此主泵運行狀態的好壞與反應堆的安全穩定運行息息相關。

圖1 磁阻式傳感器Fig.1 Magneto resistive sensor

圖2 整改后轉速測量安裝圖Fig.2 Installation diagram of rotational speed measurement after rectification

接下來將以國內M310 堆型機組為例對主泵轉速的測量方式進行介紹，并針對主泵運行維護過程中出現的問題進行分析與解決。

目前，國內已投運核電廠中主泵轉速測量裝置基本上均采用的為磁阻式傳感器搭配對應的信號處理機箱進行轉速的測量工作，其中磁阻式傳感器由永磁體、磁極和線圈組成，具有可靠性高、適用范圍廣、結構緊湊等優點，因此廣泛應用于旋轉機械設備的轉速測量[3]。

從形狀上來說，國內使用的磁阻式傳感器主要分兩種，分別為螺桿型和馬蹄形探頭，測量原理為利用主泵聯軸器的凹槽或固定在主泵聯軸器螺栓上的金屬凸片與主泵同時旋轉。以馬蹄形探頭為例，當凸片從馬蹄形的轉速探頭的凹槽中劃過時，切割磁感線產生電磁脈沖信號，隨后通過同軸電纜將頻率的脈沖信號傳送至保護柜中的轉速處理機箱進行處理，以實現主泵轉速的實時測量。國內某M310機組每臺主泵安裝有兩組永磁的馬蹄凹形的泵速傳感器，它們分為兩組布置在主泵X 軸兩側方向，正常運行期間，每組探頭一個工作一個作為備用，切換主/備轉速探頭可在主泵轉速處理機箱上進行實現。

除此之外，核電廠保護系統的每個保護柜中均配備有轉速處理機箱，每個保護柜各有一個轉速處理機箱（共4個），每個機箱對應每組（兩個）轉速傳感器，轉速信號由現場傳感器通過同軸電纜送至機箱后部，經機箱處理后送出4mA ～20mA 的模擬信號對應0rpm ～1500rpm，同時分別送出兩對轉速低（1396）和轉速低低（1367）的開關量信號至反應堆保護系統。

2 主泵轉速測量儀表可靠性優化

基于磁阻式傳感器進行轉速測量的原理決定了無論采用哪種形狀的傳感器均需要將傳感器安裝在靠近高速旋轉的聯軸器上，國內某M310 機組就是利用固定在主泵聯軸器螺栓上的金屬凸片與主泵同時旋轉產生電磁脈沖信號，經轉速處理機箱處理后，實現主泵轉速的實時測量。

2.1 主泵轉速傳感器安裝方式優化

由于轉速傳感器安裝在靠近高速旋轉的聯軸器上，但是主泵在啟動后高速旋轉的過程中會在傳感器周邊形成一股強力的旋風，而傳感器大部分都是懸空固定安裝在泵腔內部，風力和這種懸空的固定安裝方式會導致與轉速探頭相連的電纜處于隨風擺動的懸掛狀態且沒有支撐，久而久之就會出現電纜及接線松動而導致轉速信號丟失的情況。2011 年10 月～12 月期間國內某核電廠的兩臺主泵的轉速信號均出現了不同程度轉速波動的情況，結合泵實際的運行情況和該電廠主泵轉速探頭安裝方式，最終確定轉速波動的原因為轉速探頭與電纜接頭處沒有固定，導致接線松動而出現轉速信號波動的情況。

針對該情況，該電廠檢修人員通過對現場安裝情況進行核實，提出通過安裝主泵轉速電纜固定支架的方法將電纜進行固定，以杜絕電纜隨風擺動的情況。經研究設計，在主泵轉速探頭的后方增加了一個電纜固定裝置對電纜進行固定，避免了探頭尾部接頭處的晃動，實施后主泵轉速信號的可靠性得到了很大提升。

2.2 主泵轉速傳感器監測方式可靠性優化

磁阻型傳感器利用電磁感應原理將轉速信號轉換為頻率信號，當導磁體經過傳感器探頭感應面時，傳感器鐵芯內的磁通量發生變化，在傳感器線圈中感應出電壓信號。該輸出信號為正弦波信號，且信號峰峰值會隨著轉速信號的增加而變大。低轉速時，由于線圈的磁通量變化率較小，導致輸出信號較小，所以磁阻型傳感器主要用于中高轉速的測量。

2.2.1 螺桿型主泵轉速傳感器可靠性優化

然而在實際運行過程中發現螺桿型主泵轉速傳感器實際監測到的信號并不是如圖3 左側標準的正弦波信號，而是如圖3 右側所示會產生一個反向的波形信號。當該反向波形的電壓信號足夠大且大于主泵轉速處理機箱的閾值觸發電壓時，就會導致測量的轉速信號不真實甚至超轉速的情況發生。

圖3 螺桿型轉速傳感器波形圖Fig.3 Waveform of screw type speed sensor

國內某電廠在主泵啟動階段就出現了超轉速的情況，經檢查發現導致超轉速的原因為主泵轉速處理機箱的閾值電壓設置較低導致主泵啟動階段產生的反向波形的峰值電壓信號大于閾值電壓而被轉速處理裝置誤認為轉速信號而導致超轉速。

通常該情況有兩種解決方向：第一個是能否通過某種方式避免在主泵運行過程中產生反向波形，第二個是能否對轉速處理裝置進行升級以排除反向波形，只采集真正的轉速信號。

針對第一個解決方向，通過試驗發現將發訊盤的發訊齒由標準的90°垂直角度齒形改為標準漸開線齒形（見圖4），可以很大程度上減少反向波形的產生，但是并不能完全消除反向波形。

圖4 改進后發訊齒示意圖Fig.4 Schematic diagram of improved transmission teeth

針對第二個解決方向，通過監測發現螺桿型主泵轉速傳感器在主泵運行過程中產生的反向波形的峰值普遍不高，可通過將轉速機箱的信號采集閾值電壓提高來濾除不需要的反向波形。通過實際實施驗證后效果明顯，完全杜絕了超轉速現象的發生。

2.2.2 馬蹄型主泵轉速傳感器可靠性優化

由于測量方式的不同，反向電壓對馬蹄型主泵轉速傳感器的影響較小，影響較大的主要是現場的噪聲信號。國內某電廠就曾經出現過主泵在運行時現場噪聲等雜波信號隨著轉速的增加被主泵轉速傳感器放大，而對于轉速處理機箱來說，相同轉速下的閾值電壓是一定的，所以就將峰值被放大的雜波信號認定為轉速信號，導致超轉速。

針對該情況電廠技術人員分別對兩種不同轉速傳感器在不同轉速下的峰值電壓信號進行檢查，得到相關數據見表1。可以看到：當轉速信號越高時，對應的轉速傳感器的輸出波形峰值電壓就越高。

表1 波形峰值電壓與轉速對照表Table 1 Comparison table of waveform peak voltage and speed

除了轉速會對峰值電壓有影響外，磁性轉速切割片安裝在轉速探頭中的位置與產生的信號大小也有很大的關系，通過測試發現安裝在最中間位置時產生的波形峰值電壓最小，越靠近兩邊波形正峰值越大，相關數據見表2。

表2 波形峰值電壓與安裝位置對照表Table 2 Comparison table of waveform peak voltage and installation position

針對以上測試結果，提出了如下兩點針對馬蹄型主泵轉速傳感器可靠性解決方案：首先是制定標準的安裝規范，將磁性轉速切割片安裝在轉速探頭中的位置，明確在中間位置以避免產生高電壓的噪聲信號；其次，是參考螺桿型主泵轉速傳感器轉速處理裝置的方法，將轉速機箱的閾值電壓提高，以降低雜波信號對信號采集的干擾。

3 電渦流傳感器轉速測量方式優化

除了采用磁阻型傳感器進行主泵轉速信號采集外，電渦流傳感器也普遍應用于主泵轉速信號采集。國內某核電廠主泵卡轉子保護系統的轉速傳感器使用的是電渦流傳感器，卡轉子保護系統為主泵在啟動階段未能在規定時間達到固定的轉速，會觸發主泵卡轉子保護邏輯動作而產生停泵信號，防止由于某些原因使主泵卡住，起到保護主泵的目的。

該傳感器安裝在泵體下部軸承上的固定支架上，與主泵泵軸上的凹槽對應。由于磁阻型傳感器測量低轉速信號時的不穩定特性，而電渦流傳感器則剛好彌補了低轉速區域的信號測量，所以電渦流傳感器轉速測量信號也可作為主泵轉速信號的參考信號進行主泵狀態的綜合評判，同時還可作為主泵振動監測系統的鍵項信號來確認振動信號的矢量位置。

國內某核電廠主泵卡轉子信號在日常運行期間就曾頻繁觸發轉速低信號（750rpm），導致卡轉子保護系統內部繼電器動作，結合卡轉子保護系統保護邏輯，若卡轉子保護邏輯中的50s 延時繼電器再發生故障，將導致卡轉子保護信號發出，導致主泵停運，進而導致停堆停機。

通過對信號處理機箱的組態監測軟件進行檢查發現信號低漂的原因為卡轉子信號丟失，對卡轉子信號的間隙電壓進行測量顯示為-13.47V，雖然在要求的范圍內（-10.0V ～-13.5V）但絕對值偏大，一旦主泵在運行過程中泵軸有所偏移就會導致超出監測信號范圍而出現傳感器信號丟失的情況。在機組小修期間，通過對卡轉子傳感器本體進行檢查發現傳感器安裝間隙確實過大，導致間隙電壓接近-13.5V 時出現轉速丟失的現象，將間隙電壓調整為-10.96V 同時將信號處理卡件中的下觸發閾值由-13.5V修改為-14.0V 后啟動主泵，觀察卡轉子信號穩定，未再發生信號低漂的現象。

基于此，針對電渦流傳感器提出了如下的可靠性優化解決方案。首先是固化電渦流傳感器間隙電壓的要求，如上述卡轉子探頭由于主泵啟動后，探頭的間隙電壓為-10.0V ～-13.5V 之間，所以推薦的安裝最佳值為-11.75V。

其次是在信號處理單元部分優化電渦流傳感器的觸發閾值，上述卡轉子傳感器的觸發閾值為-13.5V，對應的轉速鍵齒的齒深為2.5mm，轉換為轉速信號電壓變化超過8.0V，即轉速探頭信號的波峰-波谷信號在-11.5V ～-20.0V 之間，而探頭的極限波谷值為-27.0V，根據實際運行數據，將下觸發閾值優化為了更合理的-14.0V。

4 總結

主泵作為核電廠最重要的設備之一，其運行狀態的好壞直接決定著核電廠的經濟效益和核安全，因此提高主泵轉速測量信號的可靠性至關重要。本文就國內主泵所使用的轉速傳感器進行介紹，并結合某核電廠商運以來主泵運行過程中主泵轉速傳感器出現的問題進行了介紹，針對出現的問題所做的優化措施進行說明，為核電廠同類型傳感器的優化提供參考，最后就其他型號的轉速傳感器如電渦流傳感器的使用情況進行了介紹，并結合實際使用過程中遇到的問題和優化措施進行了說明。