核电厂屏蔽主泵转速与转差率在线测量系统研究

2020-11-25冯利法李青华谢晨江

中国设备工程 2020年22期

冯利法，李青华，谢晨江

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

反应堆冷却剂泵作为一回路的压力边界设备，是反应堆冷却系统中唯一的能动设备。其作用是推动反应堆冷却剂循环，将反应堆内产生的热能，通过蒸汽发生器将能量传递到二回路系统中。在反应堆冷却剂泵的运行过程中，需要对振动、位移、转速、温度等物理量进行监测，其中转速信号是反应堆冷却剂泵的重要参数。目前，核电使用的转速测量系统大多依赖进口，国内进行了改进和自主研发。系统转速测量传感器都需要安装在主泵的内部，整个转速测量系统结构复杂，且发讯盘需要安装在电机转轴上，具有较高风险，我国核电厂运行20多年来，曾多次出现转速测量故障。AP1000机组主泵采用立式单级高转动惯量电动屏蔽泵，屏蔽电机与泵联为一体，转速传感器位于泵的内部，检修尤为困难。现有转速测量系统无法同时测量转差率数据，额外需要主泵变频器的频率信息，测量不便。为了解决这些问题，因此研发一种外置传感器的主泵转速和转差率测量系统具有重要的意义。

1 系统总体设计

1．1 总体架构设计

AP1000核电厂屏蔽主泵转速及转差率在线测量系统是利用主泵运行时产生的振动信号、交流磁场的信号与主泵转速的关系来间接测量转速与转差率。测量时，将振动测量传感器安装在主泵下部定子盖上，采集振动与交流磁场信号，使用Zoom-FFT算法对信号进行高精度的提取和解析，计算主泵的转速及转差率。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

1．2 复调制Zoom-FFT算法

AP1000屏蔽主泵振动信号弱、频带宽，并且在线测量要求测量时间短、频域变换点数少、分辨率高，这些特点正好与Zoom-FFT算法的优势相契合，因而使用复调制Zoom-FFT算法进行振动及交流磁场信号的解析。复调制Zoom-FFT算法能以设定的、足够高的采样频率分析频率轴上指定窄带内的信号的频谱。在变换点数相同的情况下，Zoom-FFT能获得更高的频率分辨率；在相同频率分辨率的情况下，Zoom-FFT比FFT需要的傅里叶变换点数更少；适合大频率分析范围、高频率分辨率和少变换点数的场合。Zoom-FFT算法的原理如图2所示，图中fs为采样频率，fe为细化频带的中心频率，D为细化倍数。

图2 ZoomFFT算法流程图

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括加速度传感器、电荷转换器、信号调理电路、动态信号采集模块和上位机等。进行测量时，将加速度传感器安装在主泵下方定子盖上，利用传感器将不同转速下的振动信号及交流磁场信号转换为相应的电信号，通过信号调理电路进行滤波放大后，采用动态信号采集模块提取振动信号的频率信号并进行A/D转换，最后将采集到的数据发送到上位机中，进行Zoom-FFT变换，求得主泵一阶振动频率和主泵定子交流磁场的频率，通过计算求得主泵的转速值和转差率。系统硬件框图如图3所示。

3 软件设计

3．1 软件流程设计

软件主要包括系统初始化程序、采集参数设置程序、A/D采样程序、Zoom-FFT变换程序以及转速和转差率计算程序等模块组成，软件流程见图4。

图3 系统硬件框图

图4 系统软件流程图

3．2 转速及转差率计算

通过Zoom-FFT分析得到主泵一阶振动频率f以及定子线圈交流磁场的频率f0。利用主泵一阶振动频率f计算主泵转速：

式中，N为转速，rmp；f为一阶振动频率，Hz。

使用主泵一阶振动频率f以及定子线圈交流磁场的频率f0计算主泵转差率：

式中，S转差率；f一阶振动频率，Hz；f0定子线圈交流磁场频率，Hz。

4 系统验证与分析

4．1 主泵定子交流磁场的测量与分析

为了测量主泵定子交流磁场信息，预先开展了利用加速度传感器进行交流磁场测量的试验。建立如图5所示的试验环境，使用交流电源和线圈建立交流磁场，将加速度传感器放入磁场中，试验结果显示，加速度传感器在静止状态下能够输出交流磁场信号，验证了加速度传感器存在一定程度的电磁敏感性。

图5 加速度传感器电磁敏感性测量

为了进一步验证加速度传感器对主泵交流磁场的电磁敏感性，在主泵转速达到100%（1800rpm左右）的状态下，将加速度传感器放置在主泵定子盖下方，传感器不与主泵直接接触，使得传感器处于主泵定子交流磁场中，但主泵振动又不会对传感器造成直接影响。采集信号并在频域中进行分析后，发现在频率60Hz处出现明显的信号（如图6所示），主泵变频器的信息显示该时刻的输出频率为60Hz，即主泵定子交流磁场的频率为60Hz，表明主泵定子交流磁场会对传感器的测量产生影响，传感器输出信号的频率与定子交流磁场频率相同。因此，利用此影响可以测量出主泵定子交流磁场的频率，用于转差率的计算。

图6 定子交流磁场测量信号频域分析

图7 一阶振动频率与定子交流磁场信号分析

保持主泵转速100%状态不变，将传感器安装在主泵下方定子盖上，可以明显看出在30.0Hz附近存在明显的峰值信号，该信号为主泵一阶振动频率信号，而60.0Hz则为主泵定子交流磁场频率，如图7所示，因此，可以利用同一个加速度传感器进行振动信号及交流磁场信号的测量，大大简化测量系统，并验证了图1系统架构的可行性。

将Zoom-FFT分析的频带范围设置在1～70Hz，中心频率35.5Hz，采样频率为1kHz。分别在AP1000屏蔽主泵转速23.6%、50%、88%和100%四种状态下对主泵进行转速进行测量。系统的测量结果与主泵内置转速传感器测量结果进行对比，四种状态下频谱分析如图8～11所示。将以上四种状态下测得的转速与主泵内置传感器转速测量结果对比如表1。

从表1可以看出，使用在线测量系统计算的转速与主泵现有内置传感器测量的转速数据基本一致，最大误差为0.51%。同时，在线测量系统直接计算主泵的转差率，见表2。

5 结语

图8 主泵23.6%转速信号频谱

图9 主泵50%转速信号频谱

图10 主泵88%转速信号频谱

图11 主泵100%转速信号频谱

系统使用屏蔽主泵的振动和交流磁场信号来测量转速及转差率，和一般的方法相比，不需要在主泵内部安装任何传感器，也无需测量电源或变频器的频率，测试结果表明，系统测量结果精确。系统简便，易于操作，能够在主泵调试及运行过程中独立进行主泵的转速及转差率的测量，同时，也可以作为现有转速测量系统的冗余，防止转速测量系统发生共模失效，提高核电厂运行的安全性与可靠性。