核电厂给水泵系统止推轴承温度保护改进的探讨

赵起海

摘 要：温度测量对于核电厂给水泵来说是极其重要的参数，是保护泵组安全可靠不可替代的技术指标，而温度测量元件热电阻容易因为线路故障或探头问题，产生信号值跳变或超限的现象，从而引发相关温度保护误动。为了有效避免因为温度保护误动造成给水泵设备跳泵，造成机组安全性和经济性影响。某核电厂从原设计出发，针对温度保护控制逻辑进行了以下优化，并最终实现了整体运行的良好效果。

关键词：温度；保护；逻辑；判断；冗余

中图分类号： TQ520.5 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-166-2

1 概述

核电厂中给水泵系统肩负着二回路水力供应，泵组的安全可靠对于核安全的冷源供应非常重要。而泵组从自身的设备安全可靠性考虑，止推轴承温度监视也是一个衡量泵组安全可靠的一个重要指标。

一般泵组止推轴承温度监测采用热电阻元器件，热电阻元件测温具有以下特点：测量精确度高，灵敏度高；测温稳定性好。但是由于旋转设备本身振动大的原因，经常会导致热电阻断线、接线松动、线路接触不良等问题。继而造成测点采集信号跳变，引发泵组误跳泵。某核电厂原设计中给水泵的止推轴承温度监测属于单点保护，即每一块止推轴承上仅有一个温度探头，一旦这个探头触发温度高高报警即会造成跳泵。这种方案能够极大限度的保护泵组本身，可是从核电厂机组的整体安全性和经济性来讲，这种设计也会引入很多的弊端。如何能进行有效地降低给水泵的误动概率，即能保证泵组的安全性，也能维持良好的机组稳定性和经济性，就是本文主要研讨的内容。

2 温度保护控制逻辑优化

如何保证温度保护的正确动作，避免因温度信号跳变引起保护误动是实现保护逻辑的重点。下面以给水泵止推轴承温度高跳泵保护逻辑的实现为例进行阐述说明：

某核电厂为1000 MW 核电发电机组，每台机组配有3台由英国CLYDE厂家提供的给水泵组，其中一台为备用，两台正常运行。给水泵前置泵、压力级泵、液力耦合器均设计有止推轴承温度探头，经过就地接线盒、机柜进入DCS控制系统参加逻辑运算。

原设计中给水泵前、后止推轴承温度保护属于单点跳泵即温度测点任一温度高于定值，给水泵温度保护动作，给水泵跳泵。这种设计能够极大地保护泵组本身；可是针对热电阻的特点，存在误动的可能，那么对于机组该设计就有一定的局限性，对于机组安全稳定运行带来重大隐患。

参考常规火电厂以及大亚湾基地其他给水泵止推轴承温度设计方案，现场实施过以下两种方案：

①采取常规火电厂常用的在DCS系统逻辑中添加速率阈值比较的方式，实现误动闭锁功能。控制逻辑如下图2。

此方案将止推轴承温信号先进行一个微分计算得出温升速率，然后通过一个阈值比较模块进行比较，来判断该探头信号是否为真实信号。

PT100型热电阻对于介质测量是有一定的温度响应关系，其温度响应动态方程为：dT/dt=（Tf-Ts）/RC

其中Tf为介质温度（即给水泵止推轴承油膜温度）；

RC为时间常数。R=（hA）-1，h为表面传热系数，A为热电阻与介质接触面积；C=ρVc，其中ρ为介质密度，V为热电阻接触部分的体积，c为热电阻的比热容；Ts为热电阻某时刻的温度。根据试验，得出的热电阻的响应曲线如下：

从公式可以看出来，热电阻的温度响应速率和RC时间常数相关，是一个比较稳定的数据；通过响应速率监测能够判断热电阻的探测是否正常。

如果温升速率大于阈值则说明该信号是扰动产生，通过一个RS触发器闭锁掉高高报警的跳泵信号，避免了给水泵泵意外跳泵；同时当扰动信号消失或者扰动信号小于高报警时，会自动复位闭锁信号，防止此时泵真实止推轴承温高时而不能跳泵，减小了拒动的概率。该方案能有效避免信号产生的各种脉冲扰动和阶跃扰动而导致跳泵的风险，是避免给水泵误跳泵的一种很有效方法。

但是该方案本身也存在问题，即速率阈值不好界定，阈值太小会使得真实信号被闭锁，阈值太大会该逻辑生效的概率会降低。

该核电厂应用该方案后，于2011年12月16日曾出现了一起由于压力级泵其中一个止推轴承温度探头失效，导致该泵组意外跳泵的事件。经过分析认为本次跳泵的原因在于其温度失效后，测量温度值波动频繁，其中一次波动的速率较低未达到DCS设置的速率定值，触发跳泵信号。故该方案也存在一定的缺陷。

②结合上述两种逻辑优化存在的问题，某核电厂给水泵系统止推轴承温度保护最终采用二取二冗余设计方案：即新增一个温度测量元件，参与保护逻辑，以前置泵止推轴承温度保护为例如下图4。

新增加的温度元器件和原元器件为同一厂家的产品，当两个温度元器件同时出现温度高高信号时就会触发报警，一秒后触发跳泵逻辑。另外为了减小保护拒动的概率，引用DCS中引用坏点监测，判断探头失效，也同样参与跳泵逻辑。

任何一个探头出现断线等故障（失效）或是触发高高信号都仅会触发相应报警，不会跳闸。报警能够使运行操作员提高关注度，并联系仪控人员及时响应处理，减小设备误动的时间；同时由于采用的热电阻温度探头为双支PT100型，故当一个温度探头出现故障时候，在线使用备用支，避免离线停泵检修。

冗余的温度元器件的安装采用以下方式，如图5，实现了真正的双点监测，能够表征真实的给水泵运行瞬态工况下的温度测量，避免相邻瓦由于安装等问题造成设备误动情况。

3 总结

止推轴承温度保护改进后，该核电厂给水泵运行三年状况良好，未出现过一起给水泵温度保护功能失效情况，提高了保护动作可靠性，保证了机组的安全可靠运行。同时该设计改进也在其他核电厂得到了推广和运用，收效很好。

参 考 文 献

[1] 王俊贵.浅谈和利时DCS系统温度速率保护限制器[J].中国高新技术企业，2015.3.