主泵轉(zhuǎn)速測量可靠性分析及優(yōu)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(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中唯一高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，用于驅(qū)動高溫高壓、具有放射性的冷卻劑，使冷卻劑通過反應(yīng)堆堆芯，把堆芯中產(chǎn)生的熱量傳送給蒸汽發(fā)生器進行熱量轉(zhuǎn)換。主泵主要由主泵本體、主泵電機和輔助系統(tǒng)3大部分組成，其中泵主體包括水力裝置、熱屏熱交換器、轉(zhuǎn)動裝置、導(dǎo)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(tǒng)、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(yīng)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(zhuǎn)速信號作為表征主泵運行狀態(tài)的儀表，為技術(shù)人員判斷主泵運行狀態(tài)的好壞提供重要依據(jù)，尤其主泵轉(zhuǎn)速信號是表征主泵狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)[5]。

1 主泵狀態(tài)監(jiān)測儀表介紹

主泵的狀態(tài)監(jiān)測裝置，主要由測量主泵運行參數(shù)的各種傳感器及其通道以及信號處理設(shè)備組成。以國內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速處理機箱的信號處理裝置。

主泵的轉(zhuǎn)速信號除了作為評估主泵運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，主泵轉(zhuǎn)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(tài)的好壞與反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運行息息相關(guān)。

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

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

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

目前，國內(nèi)已投運核電廠中主泵轉(zhuǎn)速測量裝置基本上均采用的為磁阻式傳感器搭配對應(yīng)的信號處理機箱進行轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的轉(zhuǎn)速測量[3]。

從形狀上來說，國內(nèi)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(lián)軸器的凹槽或固定在主泵聯(lián)軸器螺栓上的金屬凸片與主泵同時旋轉(zhuǎn)。以馬蹄形探頭為例，當(dāng)凸片從馬蹄形的轉(zhuǎn)速探頭的凹槽中劃過時，切割磁感線產(chǎn)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(zhuǎn)速處理機箱進行處理，以實現(xiàn)主泵轉(zhuǎn)速的實時測量。國內(nèi)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(cè)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(zhuǎn)速探頭可在主泵轉(zhuǎn)速處理機箱上進行實現(xiàn)。

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

2 主泵轉(zhuǎn)速測量儀表可靠性優(yōu)化

基于磁阻式傳感器進行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的聯(lián)軸器上，國內(nèi)某M310 機組就是利用固定在主泵聯(lián)軸器螺栓上的金屬凸片與主泵同時旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電磁脈沖信號，經(jīng)轉(zhuǎn)速處理機箱處理后，實現(xiàn)主泵轉(zhuǎn)速的實時測量。

2.1 主泵轉(zhuǎn)速傳感器安裝方式優(yōu)化

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

針對該情況，該電廠檢修人員通過對現(xiàn)場安裝情況進行核實，提出通過安裝主泵轉(zhuǎn)速電纜固定支架的方法將電纜進行固定，以杜絕電纜隨風(fēng)擺動的情況。經(jīng)研究設(shè)計，在主泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信號的可靠性得到了很大提升。

2.2 主泵轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測方式可靠性優(yōu)化

磁阻型傳感器利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，當(dāng)導(dǎo)磁體經(jīng)過傳感器探頭感應(yīng)面時，傳感器鐵芯內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，在傳感器線圈中感應(yīng)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(zhuǎn)速信號的增加而變大。低轉(zhuǎn)速時，由于線圈的磁通量變化率較小，導(dǎo)致輸出信號較小，所以磁阻型傳感器主要用于中高轉(zhuǎn)速的測量。

2.2.1 螺桿型主泵轉(zhuǎn)速傳感器可靠性優(yōu)化

然而在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)螺桿型主泵轉(zhuǎn)速傳感器實際監(jiān)測到的信號并不是如圖3 左側(cè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號，而是如圖3 右側(cè)所示會產(chǎn)生一個反向的波形信號。當(dāng)該反向波形的電壓信號足夠大且大于主泵轉(zhuǎn)速處理機箱的閾值觸發(fā)電壓時，就會導(dǎo)致測量的轉(zhuǎn)速信號不真實甚至超轉(zhuǎn)速的情況發(fā)生。

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

國內(nèi)某電廠在主泵啟動階段就出現(xiàn)了超轉(zhuǎn)速的情況，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致超轉(zhuǎn)速的原因為主泵轉(zhuǎn)速處理機箱的閾值電壓設(shè)置較低導(dǎo)致主泵啟動階段產(chǎn)生的反向波形的峰值電壓信號大于閾值電壓而被轉(zhuǎn)速處理裝置誤認為轉(zhuǎn)速信號而導(dǎo)致超轉(zhuǎn)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(chǎn)生反向波形，第二個是能否對轉(zhuǎn)速處理裝置進行升級以排除反向波形，只采集真正的轉(zhuǎn)速信號。

針對第一個解決方向，通過試驗發(fā)現(xiàn)將發(fā)訊盤的發(fā)訊齒由標(biāo)準(zhǔn)的90°垂直角度齒形改為標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒形（見圖4），可以很大程度上減少反向波形的產(chǎn)生，但是并不能完全消除反向波形。

圖4 改進后發(fā)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(jiān)測發(fā)現(xiàn)螺桿型主泵轉(zhuǎn)速傳感器在主泵運行過程中產(chǎn)生的反向波形的峰值普遍不高，可通過將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.2 馬蹄型主泵轉(zhuǎn)速傳感器可靠性優(yōu)化

由于測量方式的不同，反向電壓對馬蹄型主泵轉(zhuǎn)速傳感器的影響較小，影響較大的主要是現(xiàn)場的噪聲信號。國內(nèi)某電廠就曾經(jīng)出現(xiàn)過主泵在運行時現(xiàn)場噪聲等雜波信號隨著轉(zhuǎn)速的增加被主泵轉(zhuǎn)速傳感器放大，而對于轉(zhuǎn)速處理機箱來說，相同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信號，導(dǎo)致超轉(zhuǎn)速。

針對該情況電廠技術(shù)人員分別對兩種不同轉(zhuǎn)速傳感器在不同轉(zhuǎn)速下的峰值電壓信號進行檢查，得到相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。可以看到：當(dāng)轉(zhuǎn)速信號越高時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速對照表Table 1 Comparison table of waveform peak voltage and speed

除了轉(zhuǎn)速會對峰值電壓有影響外，磁性轉(zhuǎn)速切割片安裝在轉(zhuǎn)速探頭中的位置與產(chǎn)生的信號大小也有很大的關(guān)系，通過測試發(fā)現(xiàn)安裝在最中間位置時產(chǎn)生的波形峰值電壓最小，越靠近兩邊波形正峰值越大，相關(guān)數(shù)據(jù)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(jié)果，提出了如下兩點針對馬蹄型主泵轉(zhuǎn)速傳感器可靠性解決方案：首先是制定標(biāo)準(zhǔn)的安裝規(guī)范，將磁性轉(zhuǎn)速切割片安裝在轉(zhuǎn)速探頭中的位置，明確在中間位置以避免產(chǎn)生高電壓的噪聲信號；其次，是參考螺桿型主泵轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速處理裝置的方法，將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速測量方式優(yōu)化

除了采用磁阻型傳感器進行主泵轉(zhuǎn)速信號采集外，電渦流傳感器也普遍應(yīng)用于主泵轉(zhuǎn)速信號采集。國內(nèi)某核電廠主泵卡轉(zhuǎn)子保護系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器使用的是電渦流傳感器，卡轉(zhuǎn)子保護系統(tǒng)為主泵在啟動階段未能在規(guī)定時間達到固定的轉(zhuǎn)速，會觸發(fā)主泵卡轉(zhuǎn)子保護邏輯動作而產(chǎn)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(yīng)。由于磁阻型傳感器測量低轉(zhuǎn)速信號時的不穩(wěn)定特性，而電渦流傳感器則剛好彌補了低轉(zhuǎn)速區(qū)域的信號測量，所以電渦流傳感器轉(zhuǎn)速測量信號也可作為主泵轉(zhuǎn)速信號的參考信號進行主泵狀態(tài)的綜合評判，同時還可作為主泵振動監(jiān)測系統(tǒng)的鍵項信號來確認振動信號的矢量位置。

國內(nèi)某核電廠主泵卡轉(zhuǎn)子信號在日常運行期間就曾頻繁觸發(fā)轉(zhuǎn)速低信號（750rpm），導(dǎo)致卡轉(zhuǎn)子保護系統(tǒng)內(nèi)部繼電器動作，結(jié)合卡轉(zhuǎn)子保護系統(tǒng)保護邏輯，若卡轉(zhuǎn)子保護邏輯中的50s 延時繼電器再發(fā)生故障，將導(dǎo)致卡轉(zhuǎn)子保護信號發(fā)出，導(dǎo)致主泵停運，進而導(dǎo)致停堆停機。

通過對信號處理機箱的組態(tài)監(jiān)測軟件進行檢查發(fā)現(xiàn)信號低漂的原因為卡轉(zhuǎn)子信號丟失，對卡轉(zhuǎn)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(nèi)（-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(dǎo)致超出監(jiān)測信號范圍而出現(xiàn)傳感器信號丟失的情況。在機組小修期間，通過對卡轉(zhuǎn)子傳感器本體進行檢查發(fā)現(xiàn)傳感器安裝間隙確實過大，導(dǎo)致間隙電壓接近-13.5V 時出現(xiàn)轉(zhuǎn)速丟失的現(xiàn)象，將間隙電壓調(diào)整為-10.96V 同時將信號處理卡件中的下觸發(fā)閾值由-13.5V修改為-14.0V 后啟動主泵，觀察卡轉(zhuǎn)子信號穩(wěn)定，未再發(fā)生信號低漂的現(xiàn)象。

基于此，針對電渦流傳感器提出了如下的可靠性優(yōu)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(zhuǎn)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(yōu)化電渦流傳感器的觸發(fā)閾值，上述卡轉(zhuǎn)子傳感器的觸發(fā)閾值為-13.5V，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速鍵齒的齒深為2.5mm，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速信號電壓變化超過8.0V，即轉(zhuǎn)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(jù)實際運行數(shù)據(jù)，將下觸發(fā)閾值優(yōu)化為了更合理的-14.0V。

4 總結(jié)

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