VVER机组主回路声驻波的监测和分析

(江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042)

核电厂主回路稳定运行期间，由于冷却剂在回路中运动会产生稳定的压力脉动，压力脉动产生的机理有：机械不平衡力产生的压力脉动；离心泵叶片驱动流体产生的压力脉动；流体流经障碍物产生漩涡或漩涡脱离产生压力脉动等[1]。根据主回路的布置和冷却剂的温度，压力脉动以一定的频率变化，形成声驻波。如果反应堆主回路中声驻波幅值过大，或声驻波频率和主回路某个部件固有频率一致时，会激励主设备部件产生大的振动，存在导致主设备部件疲劳失效的风险[2]。

在核电厂运行期间，可通过压力脉动传感器来监测主回路声驻波的幅值和频率，并进一步分析其可能造成的影响，及时发现异常情况。

1 主回路运行期间的声驻波

当冷却剂在主回路中强迫循环时，冷却剂遇到结构不连续区域，会导致压力变化，这种压力变化再反向传播至结构不连续区域后，再次导致压力波动并反向传播，在回路中间形成声驻波。

核电厂主回路运行期间，冷却剂的流速小于0.2倍声速，可以忽略流速对压力脉动的影响；同时，压力脉动的幅值远小于主回路静水压力(VVER反应堆主回路额定压力为15.7 MPa)，可以忽略流体的声学非线性特性。因此，对于一端开口一端闭口的管道，开口压力脉动为零，闭口端位移为零，其声模态频率理论解为：

fN=Nc/(2L)

(1)

式中，fN为第N阶自振频率；c为声速；L为管道长度；N为阶次。

主泵是主回路运行的动力源，若主泵运行相关的振动频率(主泵工作频率、叶片通过频率等)和声驻波频率接近时，会产生共振。

声驻波的频率与冷却剂中的声音速度成正比，声音速度随着冷却剂密度的减小而减小。声驻波频率取决于主回路几何图形、冷却剂温度和主回路内汽相(气相)的存在。在反应堆升温过程中，若冷却剂存在着汽气分量不同，则其中的声驻波频率也会发生变化。

2 VVER机组主回路声驻波的监测

2.1 VVER机组声驻波的监测

主回路运行期间，通过监测冷却剂的压力波动，判断辨识出冷却剂的声驻波频率，并可监测到该声驻波频率处的幅值是否异常(是否存在异常的声驻波频率振动)。在VVER-428机组中，主回路中布置了12个压力脉动传感器，每个环路布置3个，如图1所示。压力脉动传感器结构图见图2。

图1 压力脉动传感器布置图Fig.1 The layout of the pressure pulse sensor

图2 压力脉动传感器结构图Fig.2 Structure of the pressure fluctuation sensor

该压力脉动传感器为压阻式压力传感器，它通过4个电阻结成惠斯登电桥，其布置方式如图3所示。

图3 压力脉动传感器接线图Fig.3 The wiring of the pressure pulse sensor

2.2 VVER机组声驻波的分析

VVER机组通过在线安装的12个压力脉动传感器，监测主回路不同工况下的压力脉动情况，对监测的信号进行分析，判断声驻波频率或幅值是否异常。

压力脉动传感器采集的信号中，会存在一定的干扰噪声信号，需采取措施消除信号的沾污源或采用一定的信号处理方法，提取出所需的信号信息。

互谱分析是常用的随机信号处理技术，它能消除两个信号间不相关的电气和过程干扰，建立压力脉动信号间的统计相关性。互谱分析包括互功率谱、相干、相位函数分析，是针对两个序列信号分析其相关性。相干函数用来估计自功率谱和互功率谱的相关性。

设序列x(n)和y(n)的自谱和互谱分别为Sxx(f)、Syy(f)、Sxy(f)，其相干函数表示为：

(2)

其值在0与1之间。图4通过互谱分析，显示了某核电厂1号机组从140 ℃到280 ℃升温期间压力波动传感器信号频谱曲线上的峰值“移动”情况。

从图4中可以看出，一回路压力波动传感器信号的相干性在0～20 Hz频段上共有两个主要共振点：f1和f2。在冷却剂温度T=140 ℃和T=280 ℃时，通过分析P11-P12相关性函数，可知一阶声驻波频率f1由9.26 Hz下降到6.92 Hz，二阶声驻波频率f2由16.95 Hz下降到12.83 Hz。

图4 冷却剂温度T=140 ℃和T=280 ℃时压力波动传感器信号相干性函数Fig.4 The coherence function of the pressure fluctuation sensor signal between coolant temperature T=140 ℃ and T=280 ℃

同样，通过分析P11和P12的信号相干性函数，可知当反应堆功率从0%(T冷却剂=280 ℃)到100%变化时，声驻波频率从6.88 Hz变化到6.30 Hz，如表1所示。

表1 反应堆功率从0%到100%变化时一回路声驻波频率的变化Table 1 Change of loop acoustic standing wave frequencyduring reactor power from 0% to 100%

每一个回路的三个压力脉动传感器信号，均可进行相关性分析。通过对各对压力脉动传感器信号的相干性分析，可以获得一回路声驻波频率f1与反应堆装置功率的变化曲线，如图5所示:

图5 一回路声驻波频率(Hz)与反应堆功率(%)的变化关系Fig.5 The 1st loop acoustic standing wave frequency(Hz)and the reactor power(%)

从图5可以看出，回路声驻波频率和反应堆功率(也即冷却剂温度)存在一定的线性关系。在机组加热或升功率过程中，若声驻波的频率和设备固有频率一致时，可能引发设备产生较大的振动。

3 结束语

反应堆主回路运行期间，可通过对回路压力脉动的监测，分析其声驻波幅值和频率的变化。通过对幅值和频率的分析，可判断、识别出反应堆主回路流场的变化，提前辨识出流场变化的原因，并避免声驻波的频率和设备的固有频率发生共振，保障机组的安全稳定运行。