面向核電冷卻泵振動監(jiān)測的壓電加速度傳感器應(yīng)用研究

袁宇鵬，梅 勇，齊良才，張祖?zhèn)?，李小飛，王登攀

(1.中電科技集團(tuán) 重慶聲光電有限公司，重慶 401332；2.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060；3.上海中廣核工程科技有限公司 北京分公司，北京 100086)

0 引言

“十三五”期間，我國核電機(jī)組保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，商業(yè)核電機(jī)組總計(jì)達(dá)到48臺，總額定裝機(jī)容量達(dá)到4 988 kW，在建核電機(jī)組容量位居全球首位。華龍一號自主三代核電技術(shù)完成研發(fā)，大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站取得重大技術(shù)進(jìn)展，與燃煤發(fā)電相比，全年核能發(fā)電相當(dāng)于減少排放二氧化碳2.74億噸[1]。

核電站反應(yīng)堆的冷卻劑泵(RCP，簡稱主泵)是核電機(jī)組主回路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，要求其振動小、噪聲低及可靠性高[2]。但主泵內(nèi)壓水室等常采用非常規(guī)設(shè)計(jì)，流動不穩(wěn)定、反向流動、葉片后緣渦脫落等非定常流動可導(dǎo)致強(qiáng)烈脈動和劇烈振動，嚴(yán)重影響主泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。因此，核電廠常采用耐高溫耐輻射壓電加速度傳感器進(jìn)行安全振動監(jiān)測，做到視情維護(hù)。本文針對核電廠主泵振動狀態(tài)監(jiān)測的需求，研究了一種壓電加速度傳感器的耐高溫、抗強(qiáng)輻射特性，提出了適用于核電現(xiàn)場的傳感器振動監(jiān)測方案，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)對傳感器特性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器特性及信號處理設(shè)計(jì)

壓電加速度傳感器的工作原理是基于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)將待測物理的加速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。本團(tuán)隊(duì)前期研制了壓縮式壓電加速度傳感器，其簡化物理結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 壓縮式壓電加速度傳感器的物理結(jié)構(gòu)

采用剛性連接的壓縮型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)并制備出耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器，傳感器實(shí)物圖如圖2所示。壓電加速度傳感器包括基座、絕緣塊、壓電陶瓷、質(zhì)量塊、螺桿等主要結(jié)構(gòu)。其中核心傳感元件壓電陶瓷采用鉍層狀壓電陶瓷材料。

圖2 耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器實(shí)物圖

根據(jù)某核電站反應(yīng)堆廠房對加速度傳感器的耐極限環(huán)境要求，最高工作溫度需達(dá)到293 ℃，累計(jì)輻照指標(biāo)需超過0.25×108rad(Si)。因此，重點(diǎn)對本團(tuán)隊(duì)研制的耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器進(jìn)行耐高溫和耐輻照測試。

為驗(yàn)證耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器的耐高溫特性，在高低溫環(huán)境中分別對傳感器的參考靈敏度指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。對比20 ℃室溫環(huán)境下傳感器的參考靈敏度，其在低溫-55 ℃的變化率僅為0.15%，在150 ℃較高溫度時的變化率僅為0.75%，在最大設(shè)計(jì)工作溫度480 ℃時的變化率也僅為5.82%，滿足核電站對最高工作溫度需達(dá)到293 ℃的實(shí)用化需求。

表1 壓電加速度傳感器參考靈敏度溫漂測試

為驗(yàn)證耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器的耐輻照特性，經(jīng)中國科學(xué)院某研究所60Co-γ輻射源以94.99 rad(Si)/s輻照劑量率的γ射線照射，累計(jì)1×108rad(Si)后對比性能如表2所示。由表可見，輻射前后傳感器的頻率響應(yīng)、幅值線性度無變化，參考靈敏度變化小于0.15%，未出現(xiàn)失效，核心性能指標(biāo)滿足核電領(lǐng)域的耐輻照要求。

表2 壓電加速度傳感器輻射前后性能對比表

基于鉍層狀壓電陶瓷材料研制的耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器屬于無源器件。發(fā)生待測加速度后，器件將產(chǎn)生微弱的電荷信號，通常均需采用在線電荷放大器對電荷信號進(jìn)行信號放大處理。在線電荷放大器采用恒流源供電的集成運(yùn)放方式，利用電容反饋將高阻抗的電荷信號轉(zhuǎn)換成低阻抗的電壓輸出信號，同時機(jī)殼、接口與外接連線都采取嚴(yán)格的雙重屏蔽措施，以保證在強(qiáng)輻射環(huán)境正常工作。傳感器及在線電荷放大器的電路等效原理圖如圖3所示[5]。為了降低信號擾動，壓電加速度傳感器與在線電荷放大器之間通常采用鎧裝電纜進(jìn)行信號傳輸。圖中，q、Ca和Ra分別為壓電加速度傳感器的自身電荷、固有電容、等效電阻，Cc為鎧裝電纜的分布電容，Ri和Ci分別為在線電荷放大器的等效電阻和電容，Cf為反饋電容，Ui和Uo分別為電荷放大器的輸入、輸出電壓。

圖3 在線電荷放大器的等效電路圖

圖3可簡化為電荷放大器輸出電壓：

(1)

通常情況A∈(104,106)，故式(1)可簡化為

(2)

式中：sq為傳感器的電荷靈敏度；a為傳感器的輸入加速度信號值。由此可知，傳感器電荷靈敏度、反饋電容與在線電荷放大器的輸出電壓有關(guān)。

2 核電機(jī)組振動監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)壓水堆核電機(jī)組的一回路通常包含反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、冷卻劑主泵和穩(wěn)壓器4個核心部件，如圖4所示。核電機(jī)組一般設(shè)計(jì)有3個冷卻劑系統(tǒng)，每個系統(tǒng)安裝一臺冷卻劑主泵，每臺主泵上需部署2個轉(zhuǎn)速傳感器、2個加速度傳感器和2個位移傳感器。

圖4 壓水堆核電機(jī)組原理圖

在我國某核電站進(jìn)行加速度傳感器的示范應(yīng)用設(shè)計(jì)，傳感器的信號采集方式如圖5所示。耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器產(chǎn)生的電荷信號經(jīng)由鎧裝電纜傳輸后，通過在線電荷放大器放大為電壓模擬信號。采用動態(tài)信號分析儀采集兩路電壓模擬信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸至分析計(jì)算機(jī)。

圖5 傳感器信號采集框圖

將傳感器安裝在核電站核電機(jī)組輻射較強(qiáng)的紅色區(qū)域中主泵連軸器外表面，將在線電荷放大器及其后端采集設(shè)備均部署在輻射較弱的黃色區(qū)域，通過較長的鎧裝電纜進(jìn)行信號傳輸，如圖6所示。為了降低對主泵的影響，傳感器與主泵間采用強(qiáng)磁鐵吸合并用扎帶固定，保證傳感器安裝牢固。

圖6 傳感器布局示意圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

每年核電站核電機(jī)組需開展例行檢查，檢查內(nèi)容之一是執(zhí)行點(diǎn)動實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證主泵運(yùn)行是否正常。在進(jìn)入核電機(jī)組進(jìn)行應(yīng)用監(jiān)測前，通過標(biāo)準(zhǔn)振動試驗(yàn)臺對傳感器的功能進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。在振動臺上分別用5g(g≈9.8 m/s2)和10g的振動幅值進(jìn)行驗(yàn)證，由圖可見，耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器的振動峰值與振動臺發(fā)出的信號一致，證明了傳感器性能正常，可用于核電機(jī)組的振動監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)振動信號測試曲線

將耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器按照圖5、6所示的部署方案安裝在我國南部的某核電站核電機(jī)組主泵上進(jìn)行監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，并分別對主泵靜止?fàn)顟B(tài)和主泵點(diǎn)動工作狀態(tài)時的振動信號進(jìn)行采集。

3.1 靜止?fàn)顟B(tài)采集數(shù)據(jù)

傳感器安裝后，在點(diǎn)動實(shí)驗(yàn)未啟動前進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此時主泵設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，傳感器采集的振動數(shù)據(jù)如圖8所示，其中除了較低程度的采集噪聲外，加速度的峰值接近于0。

圖8 靜止?fàn)顟B(tài)的加速度采集信號

3.2 點(diǎn)動實(shí)驗(yàn)狀態(tài)采集數(shù)據(jù)

以點(diǎn)動方式啟動主泵工作，實(shí)時采集主泵點(diǎn)動工作的初期、中期、末期3個階段的振動信號如圖9所示。由圖可知，實(shí)驗(yàn)初期的加速度幅值為±2.3g，實(shí)驗(yàn)中期的加速度幅值為±4.6g，采集實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诘恼駝有盘柤铀俣确导s為±0.8g。與該主泵歷史數(shù)據(jù)相比，點(diǎn)動實(shí)驗(yàn)振動信號測試曲線與歷史數(shù)據(jù)吻合，由此證明了該核電機(jī)組主泵處于正常狀態(tài)。

圖9 核電機(jī)組主泵實(shí)測振動信號測試曲線

4 結(jié)束語

冷卻劑主泵是我國常用壓水堆型核電機(jī)組的重要組成部分，對冷卻劑主泵的狀態(tài)監(jiān)測是核電機(jī)組年度例行檢查的關(guān)鍵步驟之一。年檢過程中需使用加速度傳感器對冷卻劑主泵工作狀態(tài)的振動信號進(jìn)行監(jiān)測。為了滿足核電機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用需求，本文對開發(fā)的耐高溫抗強(qiáng)輻射壓電加速度傳感器溫漂、抗輻照特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了核電機(jī)組現(xiàn)場的信號采集方案，進(jìn)行了傳感器的臺架實(shí)驗(yàn)與主泵現(xiàn)場的安裝測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器輸出能在工作溫度-55～480 ℃、輻照強(qiáng)度1×108rad(Si)等極限環(huán)境下可靠工作，且在主泵現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，未來可支撐核電領(lǐng)域振動監(jiān)測領(lǐng)域核心器件的自主可控。