核電廠屏蔽主泵轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率在線測(cè)量系統(tǒng)研究

馮利法，李青華，謝晨江

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

反應(yīng)堆冷卻劑泵作為一回路的壓力邊界設(shè)備，是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中唯一的能動(dòng)設(shè)備。其作用是推動(dòng)反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)，將反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的熱能，通過(guò)蒸汽發(fā)生器將能量傳遞到二回路系統(tǒng)中。在反應(yīng)堆冷卻劑泵的運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速、溫度等物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中轉(zhuǎn)速信號(hào)是反應(yīng)堆冷卻劑泵的重要參數(shù)。目前，核電使用的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)大多依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)進(jìn)行了改進(jìn)和自主研發(fā)。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器都需要安裝在主泵的內(nèi)部，整個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且發(fā)訊盤需要安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，具有較高風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)核電廠運(yùn)行20多年來(lái)，曾多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量故障。AP1000機(jī)組主泵采用立式單級(jí)高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電動(dòng)屏蔽泵，屏蔽電機(jī)與泵聯(lián)為一體，轉(zhuǎn)速傳感器位于泵的內(nèi)部，檢修尤為困難。現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)差率數(shù)據(jù)，額外需要主泵變頻器的頻率信息，測(cè)量不便。為了解決這些問(wèn)題，因此研發(fā)一種外置傳感器的主泵轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率測(cè)量系統(tǒng)具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1．1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

AP1000核電廠屏蔽主泵轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差率在線測(cè)量系統(tǒng)是利用主泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)、交流磁場(chǎng)的信號(hào)與主泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系來(lái)間接測(cè)量轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率。測(cè)量時(shí)，將振動(dòng)測(cè)量傳感器安裝在主泵下部定子蓋上，采集振動(dòng)與交流磁場(chǎng)信號(hào)，使用Zoom-FFT算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行高精度的提取和解析，計(jì)算主泵的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差率。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1．2 復(fù)調(diào)制Zoom-FFT算法

AP1000屏蔽主泵振動(dòng)信號(hào)弱、頻帶寬，并且在線測(cè)量要求測(cè)量時(shí)間短、頻域變換點(diǎn)數(shù)少、分辨率高，這些特點(diǎn)正好與Zoom-FFT算法的優(yōu)勢(shì)相契合，因而使用復(fù)調(diào)制Zoom-FFT算法進(jìn)行振動(dòng)及交流磁場(chǎng)信號(hào)的解析。復(fù)調(diào)制Zoom-FFT算法能以設(shè)定的、足夠高的采樣頻率分析頻率軸上指定窄帶內(nèi)的信號(hào)的頻譜。在變換點(diǎn)數(shù)相同的情況下，Zoom-FFT能獲得更高的頻率分辨率；在相同頻率分辨率的情況下，Zoom-FFT比FFT需要的傅里葉變換點(diǎn)數(shù)更少；適合大頻率分析范圍、高頻率分辨率和少變換點(diǎn)數(shù)的場(chǎng)合。Zoom-FFT算法的原理如圖2所示，圖中fs為采樣頻率，fe為細(xì)化頻帶的中心頻率，D為細(xì)化倍數(shù)。

圖2 ZoomFFT算法流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括加速度傳感器、電荷轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊和上位機(jī)等。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將加速度傳感器安裝在主泵下方定子蓋上，利用傳感器將不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)及交流磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波放大后，采用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊提取振動(dòng)信號(hào)的頻率信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中，進(jìn)行Zoom-FFT變換，求得主泵一階振動(dòng)頻率和主泵定子交流磁場(chǎng)的頻率，通過(guò)計(jì)算求得主泵的轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)差率。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序、采集參數(shù)設(shè)置程序、A/D采樣程序、Zoom-FFT變換程序以及轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率計(jì)算程序等模塊組成，軟件流程見圖4。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

3．2 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差率計(jì)算

通過(guò)Zoom-FFT分析得到主泵一階振動(dòng)頻率f以及定子線圈交流磁場(chǎng)的頻率f0。利用主泵一階振動(dòng)頻率f計(jì)算主泵轉(zhuǎn)速：

式中，N為轉(zhuǎn)速，rmp；f為一階振動(dòng)頻率，Hz。

使用主泵一階振動(dòng)頻率f以及定子線圈交流磁場(chǎng)的頻率f0計(jì)算主泵轉(zhuǎn)差率：

式中，S轉(zhuǎn)差率；f一階振動(dòng)頻率，Hz；f0定子線圈交流磁場(chǎng)頻率，Hz。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證與分析

4．1 主泵定子交流磁場(chǎng)的測(cè)量與分析

為了測(cè)量主泵定子交流磁場(chǎng)信息，預(yù)先開展了利用加速度傳感器進(jìn)行交流磁場(chǎng)測(cè)量的試驗(yàn)。建立如圖5所示的試驗(yàn)環(huán)境，使用交流電源和線圈建立交流磁場(chǎng)，將加速度傳感器放入磁場(chǎng)中，試驗(yàn)結(jié)果顯示，加速度傳感器在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠輸出交流磁場(chǎng)信號(hào)，驗(yàn)證了加速度傳感器存在一定程度的電磁敏感性。

圖5 加速度傳感器電磁敏感性測(cè)量

為了進(jìn)一步驗(yàn)證加速度傳感器對(duì)主泵交流磁場(chǎng)的電磁敏感性，在主泵轉(zhuǎn)速達(dá)到100%（1800rpm左右）的狀態(tài)下，將加速度傳感器放置在主泵定子蓋下方，傳感器不與主泵直接接觸，使得傳感器處于主泵定子交流磁場(chǎng)中，但主泵振動(dòng)又不會(huì)對(duì)傳感器造成直接影響。采集信號(hào)并在頻域中進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)在頻率60Hz處出現(xiàn)明顯的信號(hào)（如圖6所示），主泵變頻器的信息顯示該時(shí)刻的輸出頻率為60Hz，即主泵定子交流磁場(chǎng)的頻率為60Hz，表明主泵定子交流磁場(chǎng)會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)量產(chǎn)生影響，傳感器輸出信號(hào)的頻率與定子交流磁場(chǎng)頻率相同。因此，利用此影響可以測(cè)量出主泵定子交流磁場(chǎng)的頻率，用于轉(zhuǎn)差率的計(jì)算。

圖6 定子交流磁場(chǎng)測(cè)量信號(hào)頻域分析

圖7 一階振動(dòng)頻率與定子交流磁場(chǎng)信號(hào)分析

保持主泵轉(zhuǎn)速100%狀態(tài)不變，將傳感器安裝在主泵下方定子蓋上，可以明顯看出在30.0Hz附近存在明顯的峰值信號(hào)，該信號(hào)為主泵一階振動(dòng)頻率信號(hào)，而60.0Hz則為主泵定子交流磁場(chǎng)頻率，如圖7所示，因此，可以利用同一個(gè)加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)及交流磁場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量，大大簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)，并驗(yàn)證了圖1系統(tǒng)架構(gòu)的可行性。

將Zoom-FFT分析的頻帶范圍設(shè)置在1～70Hz，中心頻率35.5Hz，采樣頻率為1kHz。分別在AP1000屏蔽主泵轉(zhuǎn)速23.6%、50%、88%和100%四種狀態(tài)下對(duì)主泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與主泵內(nèi)置轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，四種狀態(tài)下頻譜分析如圖8～11所示。將以上四種狀態(tài)下測(cè)得的轉(zhuǎn)速與主泵內(nèi)置傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表1。

從表1可以看出，使用在線測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算的轉(zhuǎn)速與主泵現(xiàn)有內(nèi)置傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)基本一致，最大誤差為0.51%。同時(shí)，在線測(cè)量系統(tǒng)直接計(jì)算主泵的轉(zhuǎn)差率，見表2。

5 結(jié)語(yǔ)

圖8 主泵23.6%轉(zhuǎn)速信號(hào)頻譜

圖9 主泵50%轉(zhuǎn)速信號(hào)頻譜

圖10 主泵88%轉(zhuǎn)速信號(hào)頻譜

圖11 主泵100%轉(zhuǎn)速信號(hào)頻譜

系統(tǒng)使用屏蔽主泵的振動(dòng)和交流磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差率，和一般的方法相比，不需要在主泵內(nèi)部安裝任何傳感器，也無(wú)需測(cè)量電源或變頻器的頻率，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果精確。系統(tǒng)簡(jiǎn)便，易于操作，能夠在主泵調(diào)試及運(yùn)行過(guò)程中獨(dú)立進(jìn)行主泵的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差率的測(cè)量，同時(shí)，也可以作為現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的冗余，防止轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)發(fā)生共模失效，提高核電廠運(yùn)行的安全性與可靠性。

表1 不同轉(zhuǎn)速誤差分析

表2 不同主泵轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差率