核電廠給水泵系統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，是保護泵組安全可靠不可替代的技術指標，而溫度測量元件熱電阻容易因為線路故障或探頭問題，產生信號值跳變或超限的現象，從而引發相關溫度保護誤動。為了有效避免因為溫度保護誤動造成給水泵設備跳泵，造成機組安全性和經濟性影響。某核電廠從原設計出發，針對溫度保護控制邏輯進行了以下優化，并最終實現了整體運行的良好效果。

關鍵詞：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肩負著二回路水力供應，泵組的安全可靠對于核安全的冷源供應非常重要。而泵組從自身的設備安全可靠性考慮，止推軸承溫度監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；測溫穩定性好。但是由于旋轉設備本身振動大的原因，經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，引發泵組誤跳泵。某核電廠原設計中給水泵的止推軸承溫度監測屬于單點保護，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濟性來講，這種設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定性和經濟性，就是本文主要研討的內容。

2 溫度保護控制邏輯優化

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為例進行闡述說明：

某核電廠為1000 MW 核電發電機組，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、液力耦合器均設計有止推軸承溫度探頭，經過就地接線盒、機柜進入DCS控制系統參加邏輯運算。

原設計中給水泵前、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，那么對于機組該設計就有一定的局限性，對于機組安全穩定運行帶來重大隱患。

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

①采取常規火電廠常用的在DCS系統邏輯中添加速率閾值比較的方式，實現誤動閉鎖功能。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型熱電阻對于介質測量是有一定的溫度響應關系，其溫度響應動態方程為：dT/dt=（Tf-Ts）/RC

其中Tf為介質溫度（即給水泵止推軸承油膜溫度）；

RC為時間常數。R=（hA）-1，h為表面傳熱系數，A為熱電阻與介質接觸面積；C=ρVc，其中ρ為介質密度，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。根據試驗，得出的熱電阻的響應曲線如下：

從公式可以看出來，熱電阻的溫度響應速率和RC時間常數相關，是一個比較穩定的數據；通過響應速率監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生，通過一個RS觸發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。

該核電廠應用該方案后，于2011年12月16日曾出現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設置的速率定值，觸發跳泵信號。故該方案也存在一定的缺陷。

②結合上述兩種邏輯優化存在的問題，某核電廠給水泵系統止推軸承溫度保護最終采用二取二冗余設計方案：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品，當兩個溫度元器件同時出現溫度高高信號時就會觸發報警，一秒后觸發跳泵邏輯。另外為了減小保護拒動的概率，引用DCS中引用壞點監測，判斷探頭失效，也同樣參與跳泵邏輯。

任何一個探頭出現斷線等故障（失效）或是觸發高高信號都僅會觸發相應報警，不會跳閘。報警能夠使運行操作員提高關注度，并聯系儀控人員及時響應處理，減小設備誤動的時間；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，實現了真正的雙點監測，能夠表征真實的給水泵運行瞬態工況下的溫度測量，避免相鄰瓦由于安裝等問題造成設備誤動情況。

3 總結

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系統溫度速率保護限制器[J].中國高新技術企業，2015.3.