核電站屏蔽電機(jī)主泵故障分析及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)建議

摘要：主泵是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備，其穩(wěn)定可靠地運(yùn)行對(duì)提高核電廠的安全性、可靠性有著重要意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)核電站開(kāi)始使用屏蔽電機(jī)主泵。然而，核電站僅采用單參數(shù)閾值監(jiān)測(cè)的方式對(duì)屏蔽電機(jī)主泵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能滿足故障診斷的需要。為此，在對(duì)屏蔽電機(jī)主泵典型故障進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)核電廠的實(shí)際需求，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：核電站;屏蔽電機(jī)主泵;故障;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

AP1000核電站中采用的屏蔽電機(jī)主泵在國(guó)內(nèi)核電站中的應(yīng)用尚屬首次。主泵若出現(xiàn)故障會(huì)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆，對(duì)于核電廠的可靠運(yùn)行有著重大影響。屏蔽電機(jī)主泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易現(xiàn)場(chǎng)拆解和查找故障。因此，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)并進(jìn)行故障診斷，可以有效提升主泵維護(hù)效率，避免屏蔽電機(jī)主泵出現(xiàn)故障，引起不良后果。

1 屏蔽電機(jī)主泵簡(jiǎn)介

屏蔽電機(jī)主泵的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，泵和電機(jī)都被密封在一個(gè)被泵送介質(zhì)充滿的壓力容器內(nèi)，由一個(gè)電樞繞組提供旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，取消了普通離心泵的旋轉(zhuǎn)軸密封裝置，只有靜密封。屏蔽套將電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子隔開(kāi)，電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子與定子之間的循環(huán)介質(zhì)對(duì)其進(jìn)行冷卻。其主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

屏蔽泵由于不需要?jiǎng)用芊?，完全?shí)現(xiàn)了零泄漏，具有安全性高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)在于：（1）由于屏蔽套的存在，泵工作效率較低;（2）電機(jī)繞組溫度運(yùn)行較高，對(duì)繞組絕緣不利;（3）屏蔽泵完全密封，從外部難以判斷其軸承磨損等情況，不便于設(shè)備維護(hù)。

2 典型故障分析

盡管屏蔽電機(jī)主泵在國(guó)內(nèi)核電站剛開(kāi)始應(yīng)用，但屏蔽泵在化工行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，工業(yè)領(lǐng)域?qū)ζ涔收系姆治鲆呀?jīng)積累了不少經(jīng)驗(yàn)[1-3]。下面筆者結(jié)合上述屏蔽電機(jī)主泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其典型故障進(jìn)行分析。

2.1? ? 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

質(zhì)量不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見(jiàn)的故障，大多是由轉(zhuǎn)軸質(zhì)量偏心造成，在軸承上產(chǎn)生動(dòng)載荷，使設(shè)備發(fā)生振動(dòng)。其振動(dòng)頻率一般與旋轉(zhuǎn)頻率相同，因此其振動(dòng)信號(hào)頻譜的典型特征是基頻振動(dòng)占比很大，高頻振動(dòng)占比較小。當(dāng)主泵轉(zhuǎn)速一定時(shí)，振幅或相位變化比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)軸的軸心軌跡為偏心率較小的橢圓。

2.2? ? 轉(zhuǎn)軸裂紋

轉(zhuǎn)軸若出現(xiàn)裂紋，則會(huì)破壞轉(zhuǎn)軸截面的對(duì)稱性，在圓周方向存在最大和最小兩個(gè)抗彎剛度。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1周，動(dòng)撓度變化2次，故引起2倍于轉(zhuǎn)速的頻率振動(dòng)，裂紋越大，2倍頻的振動(dòng)分量也越大。另外，由于帶裂紋的轉(zhuǎn)子剛度減小，除產(chǎn)生2倍頻的振動(dòng)分量外，在通過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，1倍頻的振動(dòng)峰值也會(huì)增大。在升速和降速過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到半臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，由于2倍轉(zhuǎn)速剛好等于臨界轉(zhuǎn)速，會(huì)導(dǎo)致振幅突然增大，出現(xiàn)明顯的振動(dòng)峰值。

2.3? ? 轉(zhuǎn)軸碰摩

由于主泵高速旋轉(zhuǎn)，為了提高機(jī)器效率，需要盡量減小軸承間隙、定子屏蔽套與轉(zhuǎn)子之間的間隙，由此增大了轉(zhuǎn)軸發(fā)生碰摩故障的可能性。

轉(zhuǎn)軸碰摩是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，轉(zhuǎn)軸與靜止件發(fā)生摩擦?xí)r，受到的附加作用力是時(shí)變非線性的，所產(chǎn)生的非線性振動(dòng)在頻譜圖上表現(xiàn)出頻譜成分豐富的特征，不僅有工頻，還有低次和高次諧波分量。當(dāng)發(fā)生局部摩擦?xí)r，軸心軌跡向單方面傾斜，時(shí)域波形出現(xiàn)削波現(xiàn)象，以正進(jìn)動(dòng)為主。當(dāng)發(fā)生全周摩擦?xí)r，隨著接觸弧度的增加，高次諧波分量有增加的趨勢(shì)，軸心軌跡出現(xiàn)不規(guī)則擴(kuò)散，時(shí)域波形的削波現(xiàn)象嚴(yán)重，將出現(xiàn)反進(jìn)動(dòng)，其頻率總是略高于同階正進(jìn)動(dòng)的頻率。

2.4? ? 屏蔽套破損

為盡量減少能量損失，屏蔽泵的定子屏蔽套與轉(zhuǎn)子之間的間隙很小且本身的厚度較薄，容易因軸承磨損等原因而與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生碰摩造成破損，同時(shí)也容易受冷卻液內(nèi)的異物撞擊而破損。若屏蔽套破損，則冷卻介質(zhì)會(huì)侵蝕定子繞組而造成短路。

由于屏蔽套處于泵的內(nèi)部，目前還沒(méi)有比較可靠的方法直接檢測(cè)其早期裂紋的情況，對(duì)于較大的碰摩或者異物撞擊情況，可通過(guò)監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行診斷。

2.5? ? 定子繞組匝間短路

繞組匝間短路是感應(yīng)電機(jī)的常見(jiàn)故障，對(duì)于屏蔽電機(jī)主泵來(lái)說(shuō)，由于定子繞組溫度相比常規(guī)電機(jī)高很多，繞組絕緣在高溫下更容易因老化失效而發(fā)生匝間短路。定子繞組出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致電流變化以及三相電流不平衡，同時(shí)影響電機(jī)本身的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)接地故障。定子繞組匝間短路的在線診斷方法主要有不平衡電流法、相關(guān)分析法、局部放電監(jiān)測(cè)法等。

2.6? ? 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條故障

轉(zhuǎn)子斷條是鼠籠式異步電機(jī)的典型故障。正常情況下，當(dāng)三相異步電機(jī)正常對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，其定子電流中主要含有基波相關(guān)電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子斷條時(shí)，則轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化，反饋到定子電流中，則會(huì)產(chǎn)生特定頻率的電流，不同數(shù)目的導(dǎo)條故障會(huì)在屏蔽電機(jī)主泵定子繞組電流中產(chǎn)生不同的諧波分量，通過(guò)對(duì)電流的監(jiān)測(cè)與諧波分析，可以對(duì)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條故障進(jìn)行判斷。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)建議

目前國(guó)內(nèi)核電站對(duì)屏蔽電機(jī)主泵狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，主要是對(duì)主泵的各狀態(tài)參數(shù)（包括振動(dòng)、電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、軸承溫度、定子繞組溫度等）單獨(dú)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其傳感器測(cè)點(diǎn)分布情況如圖2所示。當(dāng)某個(gè)狀態(tài)參數(shù)閾值超標(biāo)時(shí)，則發(fā)出相應(yīng)的警告。這種單參數(shù)閾值監(jiān)測(cè)方法可以用于異常狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，但是基本不考慮主泵的實(shí)際運(yùn)行工況，其報(bào)警設(shè)定值需考慮各種正常工況下的最大值，以免誤報(bào)警，導(dǎo)致系統(tǒng)檢測(cè)的靈敏度受限。

同時(shí)，目前屏蔽電機(jī)主泵的各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能保存高頻采樣的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可用于分析診斷的只有保存在電廠數(shù)據(jù)庫(kù)中的低頻采樣的歷史數(shù)據(jù)，故只能臨時(shí)增加一套數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)用于采集高頻數(shù)據(jù)。這樣不僅直接影響了故障處理的響應(yīng)速率，而且錯(cuò)失了故障早期和發(fā)生時(shí)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。此外，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中不同參數(shù)的采樣頻率也不一致，對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理造成了不便。為此，筆者就屏蔽電機(jī)主泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷提出了改進(jìn)建議。

3.1? ? 多參數(shù)特征異常狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)

主泵作為一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電液系統(tǒng)，各狀態(tài)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，還會(huì)受環(huán)境溫度、電廠運(yùn)行模式等的影響而有所變化，僅通過(guò)靜態(tài)監(jiān)測(cè)單通道閾值無(wú)疑存在局限性，檢測(cè)靈敏性不高，不利于發(fā)現(xiàn)故障前期征兆。

利用智能算法對(duì)主泵進(jìn)行多參數(shù)異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有利于提高檢測(cè)靈敏度，提前發(fā)現(xiàn)故障征兆。比如文獻(xiàn)[4]中提出了一種基于單維狀態(tài)數(shù)據(jù)特征分析和多維狀態(tài)數(shù)據(jù)特征分析相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)主泵異常狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，提高了參數(shù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率。

3.2? ? 保存必要的采樣數(shù)據(jù)

核電廠應(yīng)保存主泵必要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)的離線分析。比如，正常運(yùn)行基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括不同工況、不同季節(jié)下的數(shù)據(jù)，可用于訓(xùn)練異常檢測(cè)智能算法;定期采集的數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，可作為劣化趨勢(shì)評(píng)估的判斷依據(jù);異常狀態(tài)時(shí)自動(dòng)采集一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，可用于故障診斷分析等。

是否保存高頻采樣數(shù)據(jù)，可結(jié)合數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和用途進(jìn)行考慮，比如，對(duì)于溫度等變化較為緩慢的參數(shù)，可考慮只保存低頻采樣的數(shù)據(jù);對(duì)于用于故障診斷分析的振動(dòng)、電流等，則需保存其高頻采樣的數(shù)據(jù)。

3.3? ? 提供基本信號(hào)分析工具

建議核電廠提供基本的信號(hào)分析工具或者專家支持系統(tǒng)，使運(yùn)行人員對(duì)主泵的健康狀態(tài)有更全面的了解。

運(yùn)行人員可定期利用軸心軌跡圖、波形圖、頻譜圖、波德圖等信號(hào)處理工具，分析主泵的振動(dòng)、電流等狀態(tài)參數(shù)，查看主泵運(yùn)行狀態(tài)，并與歷史正常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確認(rèn)其狀態(tài)的變化趨勢(shì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常波動(dòng)或者故障征兆時(shí)，再邀請(qǐng)故障診斷專家介入進(jìn)行深入研究，確認(rèn)是否需要進(jìn)一步處理，避免因主泵出現(xiàn)故障而導(dǎo)致停泵。

3.4? ? 故障智能診斷

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)在設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷領(lǐng)域的研究和應(yīng)用較多，并取得了不錯(cuò)的效果，但是基于主泵狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障智能監(jiān)測(cè)和診斷研究仍處于起步階段，主要原因在于，一方面主泵內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜，狀態(tài)數(shù)據(jù)維數(shù)高，另一方面主泵正常狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)占絕大多數(shù)，異常數(shù)據(jù)只有極少部分，不能滿足智能算法模型訓(xùn)練和驗(yàn)證的需要。

為了獲取足夠的異常數(shù)據(jù)樣本，建議通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)研究或者與其他同類型電廠共享數(shù)據(jù)等方式，積累有效數(shù)據(jù)樣本。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)核電廠屏蔽電機(jī)主泵的典型故障進(jìn)行了分析，針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。利用屏蔽電機(jī)主泵原有的測(cè)點(diǎn)，結(jié)合已經(jīng)發(fā)展成熟的設(shè)備故障診斷技術(shù)，改進(jìn)其狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，提高故障處理的響應(yīng)速度，盡量減少核電廠的經(jīng)濟(jì)損失。

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收稿日期：2020-07-07

作者簡(jiǎn)介：陳劍鋒（1984—），男，上海人，工程師，主要從事核電廠機(jī)電設(shè)備及振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。