面向核电冷却泵振动监测的压电加速度传感器应用研究

袁宇鹏，梅 勇，齐良才，张祖伟，李小飞，王登攀

(1.中电科技集团 重庆声光电有限公司，重庆 401332；2.中国电子科技集团公司 第二十六研究所，重庆 400060；3.上海中广核工程科技有限公司 北京分公司，北京 100086)

0 引言

“十三五”期间，我国核电机组保持安全稳定运行，商业核电机组总计达到48台，总额定装机容量达到4 988 kW，在建核电机组容量位居全球首位。华龙一号自主三代核电技术完成研发，大型先进压水堆及高温气冷堆核电站取得重大技术进展，与燃煤发电相比，全年核能发电相当于减少排放二氧化碳2.74亿吨[1]。

核电站反应堆的冷却剂泵(RCP，简称主泵)是核电机组主回路系统的关键设备，要求其振动小、噪声低及可靠性高[2]。但主泵内压水室等常采用非常规设计，流动不稳定、反向流动、叶片后缘涡脱落等非定常流动可导致强烈脉动和剧烈振动，严重影响主泵的安全稳定运行[3]。因此，核电厂常采用耐高温耐辐射压电加速度传感器进行安全振动监测，做到视情维护。本文针对核电厂主泵振动状态监测的需求，研究了一种压电加速度传感器的耐高温、抗强辐射特性，提出了适用于核电现场的传感器振动监测方案，并通过现场试验对传感器特性进行验证。

1 耐高温抗强辐射压电加速度传感器特性及信号处理设计

压电加速度传感器的工作原理是基于压电陶瓷的正压电效应将待测物理的加速度信号转变为电信号。本团队前期研制了压缩式压电加速度传感器，其简化物理结构如图1所示[4]。

图1 压缩式压电加速度传感器的物理结构

采用刚性连接的压缩型结构方案设计并制备出耐高温抗强辐射压电加速度传感器，传感器实物图如图2所示。压电加速度传感器包括基座、绝缘块、压电陶瓷、质量块、螺杆等主要结构。其中核心传感元件压电陶瓷采用铋层状压电陶瓷材料。

图2 耐高温抗强辐射压电加速度传感器实物图

根据某核电站反应堆厂房对加速度传感器的耐极限环境要求，最高工作温度需达到293 ℃，累计辐照指标需超过0.25×108rad(Si)。因此，重点对本团队研制的耐高温抗强辐射压电加速度传感器进行耐高温和耐辐照测试。

为验证耐高温抗强辐射压电加速度传感器的耐高温特性，在高低温环境中分别对传感器的参考灵敏度指标进行测试，测试结果如表1所示。对比20 ℃室温环境下传感器的参考灵敏度，其在低温-55 ℃的变化率仅为0.15%，在150 ℃较高温度时的变化率仅为0.75%，在最大设计工作温度480 ℃时的变化率也仅为5.82%，满足核电站对最高工作温度需达到293 ℃的实用化需求。

表1 压电加速度传感器参考灵敏度温漂测试

为验证耐高温抗强辐射压电加速度传感器的耐辐照特性，经中国科学院某研究所60Co-γ辐射源以94.99 rad(Si)/s辐照剂量率的γ射线照射，累计1×108rad(Si)后对比性能如表2所示。由表可见，辐射前后传感器的频率响应、幅值线性度无变化，参考灵敏度变化小于0.15%，未出现失效，核心性能指标满足核电领域的耐辐照要求。

表2 压电加速度传感器辐射前后性能对比表

基于铋层状压电陶瓷材料研制的耐高温抗强辐射压电加速度传感器属于无源器件。发生待测加速度后，器件将产生微弱的电荷信号，通常均需采用在线电荷放大器对电荷信号进行信号放大处理。在线电荷放大器采用恒流源供电的集成运放方式，利用电容反馈将高阻抗的电荷信号转换成低阻抗的电压输出信号，同时机壳、接口与外接连线都采取严格的双重屏蔽措施，以保证在强辐射环境正常工作。传感器及在线电荷放大器的电路等效原理图如图3所示[5]。为了降低信号扰动，压电加速度传感器与在线电荷放大器之间通常采用铠装电缆进行信号传输。图中，q、Ca和Ra分别为压电加速度传感器的自身电荷、固有电容、等效电阻，Cc为铠装电缆的分布电容，Ri和Ci分别为在线电荷放大器的等效电阻和电容，Cf为反馈电容，Ui和Uo分别为电荷放大器的输入、输出电压。

图3 在线电荷放大器的等效电路图

图3可简化为电荷放大器输出电压：

(1)

通常情况A∈(104,106)，故式(1)可简化为

(2)

式中：sq为传感器的电荷灵敏度；a为传感器的输入加速度信号值。由此可知，传感器电荷灵敏度、反馈电容与在线电荷放大器的输出电压有关。

2 核电机组振动监测方案设计

目前国内压水堆核电机组的一回路通常包含反应堆压力容器、蒸汽发生器、冷却剂主泵和稳压器4个核心部件，如图4所示。核电机组一般设计有3个冷却剂系统，每个系统安装一台冷却剂主泵，每台主泵上需部署2个转速传感器、2个加速度传感器和2个位移传感器。

图4 压水堆核电机组原理图

在我国某核电站进行加速度传感器的示范应用设计，传感器的信号采集方式如图5所示。耐高温抗强辐射压电加速度传感器产生的电荷信号经由铠装电缆传输后，通过在线电荷放大器放大为电压模拟信号。采用动态信号分析仪采集两路电压模拟信号，并转换为数字信号传输至分析计算机。

图5 传感器信号采集框图

将传感器安装在核电站核电机组辐射较强的红色区域中主泵连轴器外表面，将在线电荷放大器及其后端采集设备均部署在辐射较弱的黄色区域，通过较长的铠装电缆进行信号传输，如图6所示。为了降低对主泵的影响，传感器与主泵间采用强磁铁吸合并用扎带固定，保证传感器安装牢固。

图6 传感器布局示意图

3 实验验证

每年核电站核电机组需开展例行检查，检查内容之一是执行点动实验，验证主泵运行是否正常。在进入核电机组进行应用监测前，通过标准振动试验台对传感器的功能进行验证性实验，实验结果如图7所示。在振动台上分别用5g(g≈9.8 m/s2)和10g的振动幅值进行验证，由图可见，耐高温抗强辐射压电加速度传感器的振动峰值与振动台发出的信号一致，证明了传感器性能正常，可用于核电机组的振动监测实验。

图7 标准振动信号测试曲线

将耐高温抗强辐射压电加速度传感器按照图5、6所示的部署方案安装在我国南部的某核电站核电机组主泵上进行监测实验，并分别对主泵静止状态和主泵点动工作状态时的振动信号进行采集。

3.1 静止状态采集数据

传感器安装后，在点动实验未启动前进行数据采集。此时主泵设备处于静止状态，传感器采集的振动数据如图8所示，其中除了较低程度的采集噪声外，加速度的峰值接近于0。

图8 静止状态的加速度采集信号

3.2 点动实验状态采集数据

以点动方式启动主泵工作，实时采集主泵点动工作的初期、中期、末期3个阶段的振动信号如图9所示。由图可知，实验初期的加速度幅值为±2.3g，实验中期的加速度幅值为±4.6g，采集实验末期的振动信号加速度幅值约为±0.8g。与该主泵历史数据相比，点动实验振动信号测试曲线与历史数据吻合，由此证明了该核电机组主泵处于正常状态。

图9 核电机组主泵实测振动信号测试曲线

4 结束语

冷却剂主泵是我国常用压水堆型核电机组的重要组成部分，对冷却剂主泵的状态监测是核电机组年度例行检查的关键步骤之一。年检过程中需使用加速度传感器对冷却剂主泵工作状态的振动信号进行监测。为了满足核电机组的实际应用需求，本文对开发的耐高温抗强辐射压电加速度传感器温漂、抗辐照特性进行了实验验证，设计了核电机组现场的信号采集方案，进行了传感器的台架实验与主泵现场的安装测试。实验结果表明，传感器输出能在工作温度-55～480 ℃、辐照强度1×108rad(Si)等极限环境下可靠工作，且在主泵现场应用效果良好，未来可支撑核电领域振动监测领域核心器件的自主可控。