相位在線測量系統(tǒng)在主泵振動(dòng)治理中的應(yīng)用

李鴻飛，李百棟，楊建東

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

傳統(tǒng)的CPR1000（中國改進(jìn)型壓水堆核電技術(shù)）機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑泵（簡稱主泵）振動(dòng)在線測量系統(tǒng)僅包含軸振、瓦振信號，沒有相位信號，無法在主泵運(yùn)行期間充分了解主泵振動(dòng)狀態(tài)并有針對性的提前制定動(dòng)平衡方案；在實(shí)施主泵動(dòng)平衡時(shí)，無法直接得到完整診斷數(shù)據(jù)，需要臨時(shí)外接儀表采集主泵振動(dòng)相位，增加了主泵停運(yùn)和啟動(dòng)的次數(shù)、人員和設(shè)備進(jìn)出主泵間所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

1 相位測量原理

任何一種頻率的振動(dòng)都包含振幅和相位2個(gè)要素，振動(dòng)相位是指脈沖信號觸發(fā)開始到第一個(gè)正峰值之間的角度，用來描述某一特定時(shí)刻轉(zhuǎn)子高點(diǎn)的位置。由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)絕大多數(shù)以一倍頻成分為主，在振動(dòng)領(lǐng)域，除非特別的說明，相位測量都是指對一倍頻振動(dòng)相位的測量。

測量原理如圖1所示。首先在轉(zhuǎn)軸上固定好參考標(biāo)記（凹槽、凸起靶針或反光貼），在參考標(biāo)記附近的靜止位置安裝相位傳感器并對準(zhǔn)參考標(biāo)記。軸開始旋轉(zhuǎn)后，每轉(zhuǎn)一周當(dāng)參考標(biāo)記對準(zhǔn)相位傳感器時(shí)，傳感器便輸出一個(gè)脈沖信號。然后在軸承附近安裝振動(dòng)傳感器，用振動(dòng)分析儀測量振動(dòng)信號并接收相位脈沖信號，以觸發(fā)相位脈沖信號的時(shí)間點(diǎn)為基準(zhǔn)時(shí)刻，得到振動(dòng)信號達(dá)到正向最大峰值的時(shí)間差，然后將此時(shí)間差與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期做比較，以360°作分度轉(zhuǎn)變成相位角，得出振動(dòng)相位φ。

圖1 相位測量原理

2 設(shè)計(jì)方案

相位測量系統(tǒng)是由傳感器（如渦流式、磁阻式、光電式等）與軸上固定標(biāo)志（如凹槽、凸起靶針或反光貼）所組成。軸上固定標(biāo)志經(jīng)過傳感器時(shí)觸發(fā)一個(gè)脈沖信號，脈沖信號是確定振動(dòng)相位的基準(zhǔn)，脈沖頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率同步。為了不影響主泵轉(zhuǎn)子原有結(jié)構(gòu)，利用主泵電機(jī)側(cè)半聯(lián)軸器上原有的轉(zhuǎn)速測量靶針作為軸上固定標(biāo)志，下一步就是相位傳感器和信號接收處理裝置的選擇。

根據(jù)現(xiàn)場情況，有2種實(shí)施方案可供選擇（表1）。

經(jīng)過對比分析，雖然2個(gè)方案都可實(shí)現(xiàn)主泵相位測量，但考慮到轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)涉及反應(yīng)堆保護(hù)比較敏感，相位測量和轉(zhuǎn)速測量之間關(guān)系的研究和論證還不充分，最終確定采用B方案，在主泵監(jiān)測系統(tǒng)原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加1套相位測量系統(tǒng)，即“相位傳感器+放大器+電纜+輸出卡件”。圖2中粗線標(biāo)記部分為增加的相位測量系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速、位移、振動(dòng)在線測量系統(tǒng)不變，保持轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的獨(dú)立性。

表1 相位傳感器和信號接收處理裝置設(shè)計(jì)方案對比

圖2 增加主泵相位測量系統(tǒng)

3 技術(shù)點(diǎn)解析

3.1 安裝間隙對信號觸發(fā)的影響

防城港核電廠1#機(jī)組的主泵相位測量系統(tǒng)安裝完成后，啟動(dòng)主泵，在位于電氣廠房的主泵相位信號輸出機(jī)柜前面板處沒有按預(yù)期觸發(fā)相位信號。測量發(fā)現(xiàn)來源于反應(yīng)堆廠房放大器的原始相位脈沖信號電壓幅值為7.9 V，而機(jī)柜前面板輸出電壓幅值為1.6 V，相位信號經(jīng)過機(jī)柜內(nèi)輸出卡件處理之后衰減明顯，輸出電壓過低無法觸發(fā)相位信號。

考慮到信號經(jīng)過輸出卡件衰減屬于卡件固有特性，短期無法改善，重點(diǎn)關(guān)注對于放大器所產(chǎn)生原始信號的調(diào)整?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)相位傳感器和靶針間隙為1.1 mm，懷疑傳感器和靶針的間隙過大造成“間隙電壓”過低，使得放大器所產(chǎn)生原始信號電壓過低（圖3）。另一方面，傳感器和靶針間隙不能太小，考慮到主泵軸位移報(bào)警值為0.25 mm，停機(jī)值為0.38 mm，而在啟泵瞬時(shí)峰值可達(dá)0.5 mm左右，為確保二者不發(fā)生碰磨，間隙設(shè)置不宜低于0.75 mm。

調(diào)整相位傳感器和靶針間隙到0.8 mm，在信號輸出機(jī)柜處測得放大器輸出脈沖信號電壓幅值達(dá)到10 V，前面板輸出電壓為3.4 V左右，成功觸發(fā)相位信號。由此可見，相位傳感器和靶針間隙的設(shè)置對于相位信號能否觸發(fā)至關(guān)重要，要在確保安全的前提下盡量縮小安裝間隙。

3.2 TTL電平對信號觸發(fā)的影響

圖3 相位傳感器與靶針間隙示意

圖4 機(jī)柜內(nèi)信號處理流程

圖5 機(jī)柜總輸入端子排B處相位波形

圖6 機(jī)柜前面板處相位波形

技術(shù)規(guī)格書和廠家所提供技術(shù)方案中說明，相位信號要輸出5 V TTL（晶體管邏輯）電平，現(xiàn)場實(shí)測卻發(fā)現(xiàn)情況與設(shè)計(jì)不一致。來自放大器的原始相位脈沖信號，首先匯集到主泵相位信號輸出機(jī)柜總輸入端子排B，然后經(jīng)信號卡件處理形成2路輸出：一路是機(jī)柜前面板，另一路是機(jī)柜內(nèi)部端子排C。圖4～圖7是機(jī)柜內(nèi)信號處理流程和記錄儀所顯示3個(gè)位置在相同時(shí)間點(diǎn)的信號波形。

在主泵相位信號輸出機(jī)柜總輸入端子排B和前面板處，測得的不是TTL電平信號，而是交流脈沖信號；端子排C提供的是TTL電平信號，但并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的5 V。雖然3個(gè)位置輸出信號并未滿足設(shè)計(jì)要求，但3個(gè)輸出信號始終保持同步，未影響相位信號的正常采集。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，常用振動(dòng)分析儀表的相位測量觸發(fā)電壓閾值是2 V，而且對交流脈沖信號和TTL電平信號都能有效觸發(fā)。進(jìn)行相位測量工作時(shí)，可從主泵相位信號輸出機(jī)柜總輸入端子排B、機(jī)柜前面板、端子排C3處任意一處取信號，都可實(shí)現(xiàn)有效的相位測量。因此5 V TTL電平不是必要條件，對于這個(gè)問題，已與廠家溝通并達(dá)成一致，屬于不滿足設(shè)計(jì)要求，但不影響使用，可有條件接受。

圖7 機(jī)柜內(nèi)部端子排C處相位波形

4 應(yīng)用效果

4.1 發(fā)現(xiàn)主泵軸位移傳感器接線錯(cuò)誤

技術(shù)人員進(jìn)行相位信號測試驗(yàn)證時(shí)，發(fā)現(xiàn)根據(jù)傳感器的布置情況，1#主泵的2個(gè)軸位移信號1RCP250MM相位應(yīng)超前于1RCP251MM約90°，但在主泵相位信號輸出機(jī)柜處測得其關(guān)系相反，據(jù)此懷疑1RCP250MM與1RCP251MM軸位移信號接反，并建議調(diào)試人員檢查接線是否正確。

經(jīng)過現(xiàn)場檢查，對照安裝圖紙，前置器輸出信號線確實(shí)接反。按圖紙恢復(fù)正常連接后，現(xiàn)場模擬間隙驗(yàn)證，軸位移信號對應(yīng)的相位關(guān)系已恢復(fù)正常。

每臺主泵的軸位移傳感器是一對，互成90°角安裝（圖3），在軸轉(zhuǎn)動(dòng)期間，2個(gè)傳感器輸出信號不會有太大偏差，即使信號接反也很難從軸位移數(shù)據(jù)上看出來，但這種情況在相位信號上能明顯看出差異，從而及時(shí)解決問題。

4.2 簡化動(dòng)平衡流程

相比于傳統(tǒng)主泵動(dòng)平衡，利用相位在線測量系統(tǒng)，節(jié)省了離線儀表的安裝和拆卸環(huán)節(jié)，減少了主泵啟停的次數(shù)，可顯著簡化主泵動(dòng)平衡流程，縮短8道工序，減少所占用大修關(guān)鍵路徑時(shí)間約7 h，提升經(jīng)濟(jì)效益；減少反復(fù)啟停對主泵的沖擊（技術(shù)規(guī)范要求主泵在24 h內(nèi)啟停不得超過6次），提升主泵壽命；同時(shí)能減輕工作人員負(fù)擔(dān)，降低人員輻射受照劑量和工作過程引入異物的風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)平衡流程簡化如表2所示。

4.3 將維修和振動(dòng)治理有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)主泵“預(yù)平衡”

利用主泵相位在線測量系統(tǒng)，可在日常期間積累豐富的主泵振動(dòng)、相位數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)影響系數(shù)，在大修前計(jì)算好動(dòng)平衡方案，利用大修主泵檢修窗口，在聯(lián)軸器上預(yù)加平衡配重，完全不占用大修關(guān)鍵路徑，相當(dāng)于“零工時(shí)”項(xiàng)目。

在2017年9月的F201大修和2019年5月的F202大修中，電廠分別對F2RCP003PO和F2RCP002PO實(shí)施冷態(tài)預(yù)平衡，利用主泵檢修回裝聯(lián)軸器的窗口，將預(yù)先計(jì)算好的配重安裝在聯(lián)軸器上的指定位置。經(jīng)過冷態(tài)啟動(dòng)，一回路升溫升壓，到達(dá)熱停平臺，主泵軸振水平比大修前大幅下降，分別由175 μm P-P 降到了 76 μm 和由 152 μm 降到了 68 μm，效果良好。

表2 有、無相位在線測量系統(tǒng)實(shí)施動(dòng)平衡的區(qū)別

5 結(jié)語

防城港核電廠一期工程已全面建成并經(jīng)歷了2次小修和4次換料大修，主泵相位在線監(jiān)測系統(tǒng)在主泵狀態(tài)監(jiān)測和振動(dòng)治理過程中已經(jīng)受住了考驗(yàn)并發(fā)揮了積極作用。作為良好經(jīng)驗(yàn)反饋，主泵相位在線監(jiān)測系統(tǒng)已加入防城港核電廠二期工程“華龍一號”的初始設(shè)計(jì)；同時(shí)，如果利用轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相位測量的技術(shù)發(fā)展成熟，國內(nèi)CPR1000機(jī)組均可通過改造流程新增主泵相位在線測量系統(tǒng)，通過低成本的方式實(shí)現(xiàn)功能升級，進(jìn)一步提升電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。