核電廠給水泵系統(tǒng)止推軸承溫度保護改進的探討

趙起海

摘 要：溫度測量對于核電廠給水泵來說是極其重要的參數(shù)，是保護泵組安全可靠不可替代的技術(shù)指標，而溫度測量元件熱電阻容易因為線路故障或探頭問題，產(chǎn)生信號值跳變或超限的現(xiàn)象，從而引發(fā)相關(guān)溫度保護誤動。為了有效避免因為溫度保護誤動造成給水泵設(shè)備跳泵，造成機組安全性和經(jīng)濟性影響。某核電廠從原設(shè)計出發(fā)，針對溫度保護控制邏輯進行了以下優(yōu)化，并最終實現(xiàn)了整體運行的良好效果。

關(guān)鍵詞：溫度；保護；邏輯；判斷；冗余

中圖分類號： TQ520.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-166-2

1 概述

核電廠中給水泵系統(tǒng)肩負著二回路水力供應(yīng)，泵組的安全可靠對于核安全的冷源供應(yīng)非常重要。而泵組從自身的設(shè)備安全可靠性考慮，止推軸承溫度監(jiān)視也是一個衡量泵組安全可靠的一個重要指標。

一般泵組止推軸承溫度監(jiān)測采用熱電阻元器件，熱電阻元件測溫具有以下特點：測量精確度高，靈敏度高；測溫穩(wěn)定性好。但是由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備本身振動大的原因，經(jīng)常會導致熱電阻斷線、接線松動、線路接觸不良等問題。繼而造成測點采集信號跳變，引發(fā)泵組誤跳泵。某核電廠原設(shè)計中給水泵的止推軸承溫度監(jiān)測屬于單點保護，即每一塊止推軸承上僅有一個溫度探頭，一旦這個探頭觸發(fā)溫度高高報警即會造成跳泵。這種方案能夠極大限度的保護泵組本身，可是從核電廠機組的整體安全性和經(jīng)濟性來講，這種設(shè)計也會引入很多的弊端。如何能進行有效地降低給水泵的誤動概率，即能保證泵組的安全性，也能維持良好的機組穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，就是本文主要研討的內(nèi)容。

2 溫度保護控制邏輯優(yōu)化

如何保證溫度保護的正確動作，避免因溫度信號跳變引起保護誤動是實現(xiàn)保護邏輯的重點。下面以給水泵止推軸承溫度高跳泵保護邏輯的實現(xiàn)為例進行闡述說明：

某核電廠為1000 MW 核電發(fā)電機組，每臺機組配有3臺由英國CLYDE廠家提供的給水泵組，其中一臺為備用，兩臺正常運行。給水泵前置泵、壓力級泵、液力耦合器均設(shè)計有止推軸承溫度探頭，經(jīng)過就地接線盒、機柜進入DCS控制系統(tǒng)參加邏輯運算。

原設(shè)計中給水泵前、后止推軸承溫度保護屬于單點跳泵即溫度測點任一溫度高于定值，給水泵溫度保護動作，給水泵跳泵。這種設(shè)計能夠極大地保護泵組本身；可是針對熱電阻的特點，存在誤動的可能，那么對于機組該設(shè)計就有一定的局限性，對于機組安全穩(wěn)定運行帶來重大隱患。

參考常規(guī)火電廠以及大亞灣基地其他給水泵止推軸承溫度設(shè)計方案，現(xiàn)場實施過以下兩種方案：

①采取常規(guī)火電廠常用的在DCS系統(tǒng)邏輯中添加速率閾值比較的方式，實現(xiàn)誤動閉鎖功能。控制邏輯如下圖2。

此方案將止推軸承溫信號先進行一個微分計算得出溫升速率，然后通過一個閾值比較模塊進行比較，來判斷該探頭信號是否為真實信號。

PT100型熱電阻對于介質(zhì)測量是有一定的溫度響應(yīng)關(guān)系，其溫度響應(yīng)動態(tài)方程為：dT/dt=（Tf-Ts）/RC

其中Tf為介質(zhì)溫度（即給水泵止推軸承油膜溫度）；

RC為時間常數(shù)。R=（hA）-1，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，A為熱電阻與介質(zhì)接觸面積；C=ρVc，其中ρ為介質(zhì)密度，V為熱電阻接觸部分的體積，c為熱電阻的比熱容；Ts為熱電阻某時刻的溫度。根據(jù)試驗，得出的熱電阻的響應(yīng)曲線如下：

從公式可以看出來，熱電阻的溫度響應(yīng)速率和RC時間常數(shù)相關(guān)，是一個比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)；通過響應(yīng)速率監(jiān)測能夠判斷熱電阻的探測是否正常。

如果溫升速率大于閾值則說明該信號是擾動產(chǎn)生，通過一個RS觸發(fā)器閉鎖掉高高報警的跳泵信號，避免了給水泵泵意外跳泵；同時當擾動信號消失或者擾動信號小于高報警時，會自動復位閉鎖信號，防止此時泵真實止推軸承溫高時而不能跳泵，減小了拒動的概率。該方案能有效避免信號產(chǎn)生的各種脈沖擾動和階躍擾動而導致跳泵的風險，是避免給水泵誤跳泵的一種很有效方法。

但是該方案本身也存在問題，即速率閾值不好界定，閾值太小會使得真實信號被閉鎖，閾值太大會該邏輯生效的概率會降低。

該核電廠應(yīng)用該方案后，于2011年12月16日曾出現(xiàn)了一起由于壓力級泵其中一個止推軸承溫度探頭失效，導致該泵組意外跳泵的事件。經(jīng)過分析認為本次跳泵的原因在于其溫度失效后，測量溫度值波動頻繁，其中一次波動的速率較低未達到DCS設(shè)置的速率定值，觸發(fā)跳泵信號。故該方案也存在一定的缺陷。

②結(jié)合上述兩種邏輯優(yōu)化存在的問題，某核電廠給水泵系統(tǒng)止推軸承溫度保護最終采用二取二冗余設(shè)計方案：即新增一個溫度測量元件，參與保護邏輯，以前置泵止推軸承溫度保護為例如下圖4。

新增加的溫度元器件和原元器件為同一廠家的產(chǎn)品，當兩個溫度元器件同時出現(xiàn)溫度高高信號時就會觸發(fā)報警，一秒后觸發(fā)跳泵邏輯。另外為了減小保護拒動的概率，引用DCS中引用壞點監(jiān)測，判斷探頭失效，也同樣參與跳泵邏輯。

任何一個探頭出現(xiàn)斷線等故障（失效）或是觸發(fā)高高信號都僅會觸發(fā)相應(yīng)報警，不會跳閘。報警能夠使運行操作員提高關(guān)注度，并聯(lián)系儀控人員及時響應(yīng)處理，減小設(shè)備誤動的時間；同時由于采用的熱電阻溫度探頭為雙支PT100型，故當一個溫度探頭出現(xiàn)故障時候，在線使用備用支，避免離線停泵檢修。

冗余的溫度元器件的安裝采用以下方式，如圖5，實現(xiàn)了真正的雙點監(jiān)測，能夠表征真實的給水泵運行瞬態(tài)工況下的溫度測量，避免相鄰瓦由于安裝等問題造成設(shè)備誤動情況。

3 總結(jié)

止推軸承溫度保護改進后，該核電廠給水泵運行三年狀況良好，未出現(xiàn)過一起給水泵溫度保護功能失效情況，提高了保護動作可靠性，保證了機組的安全可靠運行。同時該設(shè)計改進也在其他核電廠得到了推廣和運用，收效很好。

參 考 文 獻

[1] 王俊貴.淺談和利時DCS系統(tǒng)溫度速率保護限制器[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015.3.