馮利法，李青華，謝晨江

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

反應堆冷卻劑泵作為一回路的壓力邊界設備，是反應堆冷卻系統(tǒng)中唯一的能動設備。其作用是推動反應堆冷卻劑循環(huán)，將反應堆內產生的熱能，通過蒸汽發(fā)生器將能量傳遞到二回路系統(tǒng)中。在反應堆冷卻劑泵的運行過程中，需要對振動、位移、轉速、溫度等物理量進行監(jiān)測，其中轉速信號是反應堆冷卻劑泵的重要參數。目前，核電使用的轉速測量系統(tǒng)大多依賴進口，國內進行了改進和自主研發(fā)。系統(tǒng)轉速測量傳感器都需要安裝在主泵的內部，整個轉速測量系統(tǒng)結構復雜，且發(fā)訊盤需要安裝在電機轉軸上，具有較高風險，我國核電廠運行20多年來，曾多次出現轉速測量故障。AP1000機組主泵采用立式單級高轉動慣量電動屏蔽泵，屏蔽電機與泵聯為一體，轉速傳感器位于泵的內部，檢修尤為困難?，F有轉速測量系統(tǒng)無法同時測量轉差率數據，額外需要主泵變頻器的頻率信息，測量不便。為了解決這些問題，因此研發(fā)一種外置傳感器的主泵轉速和轉差率測量系統(tǒng)具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設計

1．1 總體架構設計

AP1000核電廠屏蔽主泵轉速及轉差率在線測量系統(tǒng)是利用主泵運行時產生的振動信號、交流磁場的信號與主泵轉速的關系來間接測量轉速與轉差率。測量時，將振動測量傳感器安裝在主泵下部定子蓋上，采集振動與交流磁場信號，使用Zoom-FFT算法對信號進行高精度的提取和解析，計算主泵的轉速及轉差率。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

1．2 復調制Zoom-FFT算法

AP1000屏蔽主泵振動信號弱、頻帶寬，并且在線測量要求測量時間短、頻域變換點數少、分辨率高，這些特點正好與Zoom-FFT算法的優(yōu)勢相契合，因而使用復調制Zoom-FFT算法進行振動及交流磁場信號的解析。復調制Zoom-FFT算法能以設定的、足夠高的采樣頻率分析頻率軸上指定窄帶內的信號的頻譜。在變換點數相同的情況下，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數更少；適合大頻率分析范圍、高頻率分辨率和少變換點數的場合。Zoom-FFT算法的原理如圖2所示，圖中fs為采樣頻率，fe為細化頻帶的中心頻率，D為細化倍數。

圖2 ZoomFFT算法流程圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括加速度傳感器、電荷轉換器、信號調理電路、動態(tài)信號采集模塊和上位機等。進行測量時，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速下的振動信號及交流磁場信號轉換為相應的電信號，通過信號調理電路進行濾波放大后，采用動態(tài)信號采集模塊提取振動信號的頻率信號并進行A/D轉換，最后將采集到的數據發(fā)送到上位機中，進行Zoom-FFT變換，求得主泵一階振動頻率和主泵定子交流磁場的頻率，通過計算求得主泵的轉速值和轉差率。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

3 軟件設計

3．1 軟件流程設計

軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序、采集參數設置程序、A/D采樣程序、Zoom-FFT變換程序以及轉速和轉差率計算程序等模塊組成，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 轉速及轉差率計算

通過Zoom-FFT分析得到主泵一階振動頻率f以及定子線圈交流磁場的頻率f0。利用主泵一階振動頻率f計算主泵轉速：

式中，N為轉速，rmp；f為一階振動頻率，Hz。

使用主泵一階振動頻率f以及定子線圈交流磁場的頻率f0計算主泵轉差率：

式中，S轉差率；f一階振動頻率，Hz；f0定子線圈交流磁場頻率，Hz。

4 系統(tǒng)驗證與分析

4．1 主泵定子交流磁場的測量與分析

為了測量主泵定子交流磁場信息，預先開展了利用加速度傳感器進行交流磁場測量的試驗。建立如圖5所示的試驗環(huán)境，使用交流電源和線圈建立交流磁場，將加速度傳感器放入磁場中，試驗結果顯示，加速度傳感器在靜止狀態(tài)下能夠輸出交流磁場信號，驗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量

為了進一步驗證加速度傳感器對主泵交流磁場的電磁敏感性，在主泵轉速達到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中，但主泵振動又不會對傳感器造成直接影響。采集信號并在頻域中進行分析后，發(fā)現在頻率60Hz處出現明顯的信號（如圖6所示），主泵變頻器的信息顯示該時刻的輸出頻率為60Hz，即主泵定子交流磁場的頻率為60Hz，表明主泵定子交流磁場會對傳感器的測量產生影響，傳感器輸出信號的頻率與定子交流磁場頻率相同。因此，利用此影響可以測量出主泵定子交流磁場的頻率，用于轉差率的計算。

圖6 定子交流磁場測量信號頻域分析

圖7 一階振動頻率與定子交流磁場信號分析

保持主泵轉速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，該信號為主泵一階振動頻率信號，而60.0Hz則為主泵定子交流磁場頻率，如圖7所示，因此，可以利用同一個加速度傳感器進行振動信號及交流磁場信號的測量，大大簡化測量系統(tǒng)，并驗證了圖1系統(tǒng)架構的可行性。

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

從表1可以看出，使用在線測量系統(tǒng)計算的轉速與主泵現有內置傳感器測量的轉速數據基本一致，最大誤差為0.51%。同時，在線測量系統(tǒng)直接計算主泵的轉差率，見表2。

5 結語

圖8 主泵23.6%轉速信號頻譜

圖9 主泵50%轉速信號頻譜

圖10 主泵88%轉速信號頻譜

圖11 主泵100%轉速信號頻譜

系統(tǒng)使用屏蔽主泵的振動和交流磁場信號來測量轉速及轉差率，和一般的方法相比，不需要在主泵內部安裝任何傳感器，也無需測量電源或變頻器的頻率，測試結果表明，系統(tǒng)測量結果精確。系統(tǒng)簡便，易于操作，能夠在主泵調試及運行過程中獨立進行主泵的轉速及轉差率的測量，同時，也可以作為現有轉速測量系統(tǒng)的冗余，防止轉速測量系統(tǒng)發(fā)生共模失效，提高核電廠運行的安全性與可靠性。

表1 不同轉速誤差分析

表2 不同主泵轉速轉差率