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核电厂主泵转速测量现状分析及可靠性改进

2024-08-06 来源:好走旅游网
CHINA NUCLEAR POWER IU 技 第9卷第1期201 6年3月 术 中国核电 核 核电厂主泵转速测量现状 分析及可靠性改进 潘卫华 (中核核电运行管理有限公司,浙江海盐314300) 摘要:核电厂主泵转速前置器(简称前置器)是监测主泵转速的关键设备。核电厂运行20 多年间出现数次由前置器自身问题引起的主泵转速测量故障,其根本原因是元器件质量问 题和电路设计不够合理。为彻底解决转速测量异常问题,采用前置器1E级开发的改进性方 案。新产品在电路开发方面进行了全面改进,在结构设计方面进行了局部优化,具有精度 高、性能稳定、抗干扰能力强等特点,在现场进行实际运用后状态良好,提高了核电厂运 行的安全性和可靠性。 关键词:主泵转速;前置器;可靠性 中图分类号:TM623文献标志码:A文章编号:1674—1617(2016)01—0031 06 The Current Status Analysis and Reliability Improvement of Reactor Coolant Pump Speed Measurement PAN Wei-hua (CNNP Nuclear Power Operations Management Co.,Ltd., Haiyan of Zhejiang Prov.3 14300,China) Abstract:Reactor coolant pump speed converter(referred to as the converter)is the key equipment of mo ̄tor reactor coolant pump )e司.During the twenty years of power plant operation,there were several reactor coolant pump speed measuring failures caused by the ocnverter itself.It points out that the root cause of failure is component qualiyt and unreasonable circuit design.To thoroughiy solve the problem of speed measurement anomaly,the writer decided to employ improvement resolution of 1E development.The new product has been carried out comprehensive improvement in the circuit development.Besides,local optimization has teen performed in the structure design.The newly developed 1E converter has the characteristics of high pr ̄ision,stable performance and strong abiliyt of anti interference.After being applide in the field,it showed good condition,and improved teh security and reliability of the power plant operation. Key words:reactor coolant pump s1;eed;converter;reliabiliyt CLC number:,rM623 Article character:A Article ID:1674 1617(2016)01-0031-06 I;20 | 一 j(1譬74一)誓,男。 。浙江海盐人,高级ZNN,现从事核电仪控设备管理工作。 31 Nuclear Power Technolo 核l 技术 主泵转速信号是反应堆冷却剂流量保护信 220VAC 号之一,其前置器是主泵转速监测系统的关键设 备。该设备安装在主泵电机围板上,其环境相对 30齿测速齿 磁电式脉冲l ~f 轮盘 传感器卜——- _.1 前置器 供电 较为恶劣,负责接收传感器送来的频率信号,经 处理后输出标准的4~20 mA D C信号至反应堆保 护系统,当主泵转速下降至额定值的89%(额定 。一四—J L]__ l 4~2OmADC — Ⅲ通道I }lI通道 l 转速1 488 r/min,电流16.8 mA),3取2逻辑满 足时触发事故保护停堆信号。 1 问题描述 核电厂运行20多年来曾出现数次由前置器自 身问题引起的主泵转速测量故障,典型问题如下: 1)2007年3月出现两次主泵A一3N量通道转 速低报警,前置器输出电流最低至14 mA,5 s后 恢复正常。 2)2013年4月26日更换的备件在使用1天后 输出电流降至11 mA,后降为0 mA;同时大量发 热,外壳温度较高。 主泵转速测量异常经过处理与事后分析,排 除了测速传感器、信号处理组件的问题,故障定 位为前置器的缺陷。 2 作原 2.1测速原理 利用在电机轴上安装的30齿测速齿轮作为 测量标记,当齿轮转过磁电式脉冲传感器的表面 时,相当于传感器与被测面之间距离突变,传感 器便产生一个脉冲信号,通过对单位时间内脉冲 的计数便可测得转速,如图l所示。如果每秒计数 为Ⅳ,测速齿轮的齿数为 ,则转速按下式计算: V-60·JV/K(r/rain) 传感器的输出信号为0~930 H z,根据上式 计算得出转速监测范围0~1 860 r/min。 2.2前器器电路原理 前置器主要由波形转换电路、整形电路、隔 离电路、R C微分电路、F/V电路、放大电路、 V/I电路、供电电路构成,各电路模块主要功能 简述如下: (1)波形转换电路 将磁电传感器送来的主泵转速信号转换成方 波信号。 32 二 一广 一. 竺兰  工l电站计算机l  I 系统 1 图1转速通道测量原理框图 Fig.1 Rotate speed channel measuring principle (2)整形电路 将波形转换电路送来的不规整方波通过施密特 整形电路转换为与输入信号频率一致的规整方波。 (3)隔离电路 该模块首先通过反相电路将整形方波信号取 反,之后通过光电隔离电路实现电气隔离,输出 的隔离方波信号与输入的整形方波信号频率和波 形完全一致。 (4)RC微分电路 该模块将输入的隔离方波信号通过R C微分 电路转换成频率一致的脉冲波信号,作为F/V电 路的频率输入信号。 (5)F/V电路 该模块以LM331(U3)频率/电压转换芯片为 核心,将输入的0~930 H z脉冲波信号经过计算 转换成对应的0~0.95 V DC电压输出。 (6)放大电路 将F/V电路输入的电压信号进行放大(放大 倍数为l4),放大后的信号传送给V/I电路。 (7)V/I电路 将代表主泵转速的0~l3.3 V DC电压信号转 换成对应的4~20 mA电流信号。 (8)供电电路 将输入的A C220V转换为D C12V和D C18V, 为前置器各电路模块提供低压供电。如图2所示。 中国核电 核 I CHlNA NUCLEAR POWER 第9卷第1期201 6年3月 技 术 篱lN 线 w新增压敏 ;l G 图2供电电路 Fig.2 Power supply circuit 3 火效分析 结合前置器电路工作原理,通过对上述两种 典型故障进行分析,结论如下: 多的分立元件,任何一个元器件故障导致前置器 性能下降。2)F/V电路自身特性受温度变化影响 较大,V/I电路自身不带温度补偿。 (3)结构设计不合理:前置器保护盒无IP防 护等级,器件布局不合理。 3.1故障1 现象:电流短暂下降,5 s后恢复正常。 分析:F/V电路LM33l或V/I电路LM258输 出电压短暂下降。 5前 器町 性改进措施 根据前置器电路原理和失效原因的分析,新 开发的前置器从器件选型、电路设计、结构设计 等各个方面进行了全面改进,并经过科学合理的 鉴定试验验证,消除原产品存在的不足。结合事 结论:LM331或LM258受到干扰或自身性能 不稳定。 3.2故障2 现象:短暂使用后电流逐渐降为零且大量 发热。 分析:在18 V供电电路中电容C (见图2) 故树分析(FAT)结论(见图3)和目前设备存 在不足的现状,采用研发1E级新产品的针对性改  性能下降,输出电压减小,电流下降,当C 击穿 进措施。1.1器件选型 时引起l8 V电源短路,输出电流降为零,且板件 5.大量发热。 结论:电容c l生能逐渐下降,最终造成短路。 4存在不足 通过对前置器故障分析,参照最新标准要 求,发现其存在以下不足: (1)元器件选型不合理:1)影响电路精度 和稳定性的关键参数如工作温度范围取值偏小, 温漂指标大。2)关键的F/V和V/I电路的集成 芯片及电阻电容等级较低。3)电路中的关键电容 使用了易短路的钽电解电容。 (2)电路设计不够合理:1)电路中使用较 图3失效因素示意图 Fig.3 Failure cause Nuclear Power Techno 核I乜技术 原设计中所选择的器件多为商业级器件(0 片为核心,工作原理如下: ~70℃),且在关键器件的选择上也未对温漂等 =重要指标进行充分考虑;新设计中所选择的器件 fm×2.o9V ̄RL ̄(RtCt) 尼绝大部分为军级器件(-55~125℃),对输出 其中: 精度有重要影响的关键器件均具有较好的温漂指 标。以电阻 为例(见图4),该器件需要在F/ ——输出电压: 输入脉冲波频率; RI ——R]4; V电路中参与计算,属于关键器件,新设计中选 择的是军级产品,将温漂指标由4-l50 ppm/℃提 尺s——尺l5+CW3; t——尺l6; 高至±25 p13m/oC。避免原设计中由于器件自身 性能不稳定造成前置器输出异常的情况。 G——C 通过调节电位器Cw3,可以保证F/V电路 在输入脉冲波频率为0~930 Hz时,对应输出0~ 5 VD C电压信号,实现频率和电压之间的等效转 5.1.2电路设计 (1)F/V电路改进 新设计的F/V电路经过严格的分析计算, 换;此外,在进行器件选型时,电阻R14--t ̄ 、电 选取合适的电阻和电容参数,可以将输入的0~ 位器C W3、电容C 均需选择低温漂型号,降低实 930 Hz频率信号转换为对应的0~5 V信号。如图 际工作中温漂对电路输出精度的影响,保证前置 4所示,该模块以LM231A(U3)频率/电压转换芯 器的整体输出精度满足要求。 I刳4 F/v电路 Fig.4 F/V circuit (2)放大电路改进 新电路将转换后的0~5 V电压信号不需要进 行幅值放大,信号经电压跟随电路的缓冲和隔离 新设计在V/I模块的开发过程中进行了全面 改进。1)原设计中的V/I电路主要由分立器件 构成,电路输出精度受各个器件性能变化影响很 大,如电阻尺 。、 电位器 ,等器件对“满量 后送V/I电路,该设计简化了信号处理过程,同 时减少了对输出精度有影响的环节。如图5所示, 该模块以电压跟随器为核心,具有输入阻抗高、 程”设定值有重要影响;电阻尺 尺m稳压管 D ,电位器 ,器件对“零点”设定值有重要影 输出阻抗低的特点,可以在前后级之间实现良好 响;一旦温度发生变化,以上器件的性能会发生 较大变化,对前置器的“满量程”设定值和“零 的阻抗匹配;此外,该模块还具有提高前级电路 点”设定值产生不利影响,进而降低前置器的输 驱动能力的作用。 出精度;2)此外,由于不具备温度白补偿功能, (3)V/I电路改进 中国核电 核 CHINA NUCLEAR POWER 第9卷第1期201 6年3月 术 IU 技 与原设计相比,改进后的前置器输出精度受 环境温度变化影响较小,在整个工作温度范围内 精度更高,稳定性更好等特点。 一 2 5.1.3结构设计  l/ LM15 8 厂1 一,, 新设计对前置器中的器件布局进行了调整和 优化,将重量较大的变压器安装在了前置器靠近 固定点的位置,这种布局大大提高了前置器安装 G 后的抗震能力。结合设计建议和现场实际使用情 况,将保护盒防护等级提升为I P55,可以为前置 器提供良好的防水、防尘保护。 图5电压跟随电路 Fig.5 Voltage following circuit 5.2关键性技术参数改进 在优化元器件选型和电路设计改进的基础 准要求,在前置器开发过程中,对影响前置器性 温度变化后,由LM258及电阻尺 R 等器件组成 的转换电路对前置器的输出精度也会产生不利影 上,为进一步完善前置器性能,满足目前最新标 响,影响输出精度。 与原设计相比,新设计以xTR1 10A G为核 能的一些关键性参数进行了有效改进。 心,如图6所示。将跟随器输入的电压信号转换 5.2.1电磁兼容 为对应的4~20 mA电流信号。通过调节电位器 原设计中并未对前置器的电磁兼容问题进行 C w,,可以对V/I电路输出零点(本电路中输出 充分考虑,也没有依据相关标准对设备进行全面 零点为4 mA)进行调节,保证输出零点符合要 的电磁兼容试验。 求;另外,通过电位器C W,,可以对输出电流 在开发过程中,首先依据相关标准(如 的线性度进行调节,保证输出电流具有良好的线 IE C61000等)中的规定和要求,选取并确定了前 性关系;该电路不仅具有良好的可靠性和输出精 置器需要进行的电磁兼容试验项目(浪涌抗扰度 度,而且自身具有温度补偿功能,可以降低温度 等八项试验)。之后对所选择的试验项目,进行 变化对输出精度的影响,保证了V/I电路在前置 有针对性的设计开发,在供电电路中增加压敏电 器的整个工作温度范围内都具有很高的输出精 阻进行抗浪涌保护,在结构上采用全封闭金属设 度,大大提高了前置器的整体性能。 (4)改进效果 计。通过改进大大提高了设备在现场复杂环境条 件下长期运行的安全性和可靠性。 +l8V U4 VREF Force +VCC 16 1 一C。 1 gF  VREF Sense Source Resistor VREF Adjust Source Sense ●}——————————————————— VTNI(10 v、 VREF In Gate Drive 7 ZeroAdjust 14 1 ZeroAdjust 频率电压 VIN2(5V、Common —_1 Sl GI V4 SpanAdjust 4mASpan 16mASpan 输出正 XTRl10 28 口 68 K 输出负 图6 V/I电路 Fig.6 V/I circuit Nuclear Power 11"echnolo 核电技术 5.2.2辐照 抗辐照性能是lE级前置器的一项关键技术指 标。根据以往测量数据,前置器安装位置处的辐 照剂量率约为8 mSv/h,属于辐照环境;但原设 6 结束语 新产品具有输出稳定、精度高、抗干扰能力 强等特点。在现场进行实际运用后,运行状态良 好,有效降低了因主泵转速测量故障而引起的电 站非计划性停堆事件,提高了核电厂运行的安全 性和可靠性。 计中并未对前置器的抗辐照性能进行充分考虑, 也没有依据相关标准对设备进行辐照试验,导致 前置器在现场较强的辐照环境中长期运行存在着 较大的安全风险。 新开发的前置器结构件和保护壳均采用全 封闭结构和加厚的不锈钢材质,相比以前的铝质 材料耐辐照能力加强。试验方案由项目组聘请相 关专家召开专题会议,经过认真讨论确定:以 15 mSv/hN量率按照5年寿命折算出累计剂量, 增加15%裕量作为辐照试验的累积剂量值756Gy。 通过多次摸底试验,很好地解决了前置器抗辐照 问题。 5.2.3抗震 作为安全级设备,前置器需要具备良好的抗 震性能,但原鉴定大纲中所进行的抗震试验存在明 显缺陷,不能对设备的抗震性能进行全面验证。 新开发的前置器通过改变结构件和保护壳的 设计、电路板的固定方式及变压器的位置,采用 多频试验中的时程曲线方法,根据反应堆厂房内 部结构12 m层楼面反应谱(SSE),阻尼取4%, 水平 、】,方向的峰值加速度为2g,垂直z方向的 峰值加速度为0.5g进行试验,确保新开发的前置 器具有良好的抗地震性能。 参考文献: [1】主泵转速前置器技术规格书[R].上海核工程研究设计 院,20 1 4,1.(Technical Specifications of Reactor Coolant Pump Speed Converter[R].Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute,2014,1.) [2】主泵转速前置器鉴定大纲【R].中科华北京分院, 2014,2.(Identification Program for Reactor Coolant Pump Speed Converter[R].Zhong Ke Hua Beijing Branch,2014,2.) [3】秦山3l0 Mw核电机组基础理论教材表与控制[R】.秦 山核电公司,2008,1.(Basic Theory of Qinshan 3 l 0 MW Nuclear Power Plants--Instrumentation and ControllR1.Qinshan Nuclea r Power Corporation,2008,1.) [4】核电站冷却剂泵转速检测装置预老化试验大纲[R】. 上海自动化仪表股份有限速表厂,l998,4.(P re— aging Test Program for Nuclear Power Plant Coolant Pump Speed Test Device[R].Shanghai Automatization Instrument Stock Limited Speed Instrument Factory,1998,4.) 

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