相位在線測量系統(tǒng)在主泵振動治理中的應用

李鴻飛，李百棟，楊建東

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

傳統(tǒng)的CPR1000（中國改進型壓水堆核電技術）機組反應堆冷卻劑泵（簡稱主泵）振動在線測量系統(tǒng)僅包含軸振、瓦振信號，沒有相位信號，無法在主泵運行期間充分了解主泵振動狀態(tài)并有針對性的提前制定動平衡方案；在實施主泵動平衡時，無法直接得到完整診斷數(shù)據(jù)，需要臨時外接儀表采集主泵振動相位，增加了主泵停運和啟動的次數(shù)、人員和設備進出主泵間所帶來的風險。

1 相位測量原理

任何一種頻率的振動都包含振幅和相位2 個要素，振動相位是指脈沖信號觸發(fā)開始到第一個正峰值之間的角度，用來描述某一特定時刻轉子高點的位置。由于旋轉設備的振動絕大多數(shù)以一倍頻成分為主，在振動領域，除非特別的說明，相位測量都是指對一倍頻振動相位的測量。

測量原理如圖1 所示。首先在轉軸上固定好參考標記（凹槽、凸起靶針或反光貼），在參考標記附近的靜止位置安裝相位傳感器并對準參考標記。軸開始旋轉后，每轉一周當參考標記對準相位傳感器時，傳感器便輸出一個脈沖信號。然后在軸承附近安裝振動傳感器，用振動分析儀測量振動信號并接收相位脈沖信號，以觸發(fā)相位脈沖信號的時間點為基準時刻，得到振動信號達到正向最大峰值的時間差，然后將此時間差與轉子旋轉周期做比較，以360°作分度轉變成相位角，得出振動相位φ。

2 設計方案

相位測量系統(tǒng)是由傳感器（如渦流式、磁阻式、光電式等）與軸上固定標志（如凹槽、凸起靶針或反光貼）所組成。軸上固定標志經(jīng)過傳感器時觸發(fā)一個脈沖信號，脈沖信號是確定振動相位的基準，脈沖頻率與轉子旋轉頻率同步。為了不影響主泵轉子原有結構，利用主泵電機側半聯(lián)軸器上原有的轉速測量靶針作為軸上固定標志，下一步就是相位傳感器和信號接收處理裝置的選擇。

根據(jù)現(xiàn)場情況，有2 種實施方案可供選擇（表1）。

圖1 相位測量原理

表1 相位傳感器和信號接收處理裝置設計方案對比

經(jīng)過對比分析，雖然2 個方案都可實現(xiàn)主泵相位測量，但考慮到轉速測量系統(tǒng)涉及反應堆保護比較敏感，相位測量和轉速測量之間關系的研究和論證還不充分，最終確定采用B 方案，在主泵監(jiān)測系統(tǒng)原設計基礎上，增加1 套相位測量系統(tǒng)，即“相位傳感器+放大器+電纜+輸出卡件”。圖2 中粗線標記部分為增加的相位測量系統(tǒng)，轉速、位移、振動在線測量系統(tǒng)不變，保持轉速測量系統(tǒng)的獨立性。

圖2 增加主泵相位測量系統(tǒng)

3 技術點解析

3.1 安裝間隙對信號觸發(fā)的影響

防城港核電廠1#機組的主泵相位測量系統(tǒng)安裝完成后，啟動主泵，在位于電氣廠房的主泵相位信號輸出機柜前面板處沒有按預期觸發(fā)相位信號。測量發(fā)現(xiàn)來源于反應堆廠房放大器的原始相位脈沖信號電壓幅值為7.9 V，而機柜前面板輸出電壓幅值為1.6 V，相位信號經(jīng)過機柜內(nèi)輸出卡件處理之后衰減明顯，輸出電壓過低無法觸發(fā)相位信號。

考慮到信號經(jīng)過輸出卡件衰減屬于卡件固有特性，短期無法改善，重點關注對于放大器所產(chǎn)生原始信號的調(diào)整?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)相位傳感器和靶針間隙為1.1 mm，懷疑傳感器和靶針的間隙過大造成“間隙電壓”過低，使得放大器所產(chǎn)生原始信號電壓過低（圖3）。另一方面，傳感器和靶針間隙不能太小，考慮到主泵軸位移報警值為0.25 mm，停機值為0.38 mm，而在啟泵瞬時峰值可達0.5 mm 左右，為確保二者不發(fā)生碰磨，間隙設置不宜低于0.75 mm。

調(diào)整相位傳感器和靶針間隙到0.8 mm，在信號輸出機柜處測得放大器輸出脈沖信號電壓幅值達到10 V，前面板輸出電壓為3.4 V 左右，成功觸發(fā)相位信號。由此可見，相位傳感器和靶針間隙的設置對于相位信號能否觸發(fā)至關重要，要在確保安全的前提下盡量縮小安裝間隙。

3.2 TTL 電平對信號觸發(fā)的影響

技術規(guī)格書和廠家所提供技術方案中說明，相位信號要輸出5 V TTL（晶體管邏輯）電平，現(xiàn)場實測卻發(fā)現(xiàn)情況與設計不一致。來自放大器的原始相位脈沖信號，首先匯集到主泵相位信號輸出機柜總輸入端子排B，然后經(jīng)信號卡件處理形成2 路輸出：一路是機柜前面板，另一路是機柜內(nèi)部端子排C。圖4～圖7 是機柜內(nèi)信號處理流程和記錄儀所顯示3 個位置在相同時間點的信號波形。

圖3 相位傳感器與靶針間隙示意

圖4 機柜內(nèi)信號處理流程

圖5 機柜總輸入端子排B 處相位波形

圖6 機柜前面板處相位波形

圖7 機柜內(nèi)部端子排C 處相位波形

在主泵相位信號輸出機柜總輸入端子排B 和前面板處，測得的不是TTL 電平信號，而是交流脈沖信號；端子排C 提供的是TTL 電平信號，但并沒有達到設計的5 V。雖然3 個位置輸出信號并未滿足設計要求，但3 個輸出信號始終保持同步，未影響相位信號的正常采集。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，常用振動分析儀表的相位測量觸發(fā)電壓閾值是2 V，而且對交流脈沖信號和TTL 電平信號都能有效觸發(fā)。進行相位測量工作時，可從主泵相位信號輸出機柜總輸入端子排B、機柜前面板、端子排C3 處任意一處取信號，都可實現(xiàn)有效的相位測量。因此5 V TTL 電平不是必要條件，對于這個問題，已與廠家溝通并達成一致，屬于不滿足設計要求，但不影響使用，可有條件接受。

4 應用效果

4.1 發(fā)現(xiàn)主泵軸位移傳感器接線錯誤

技術人員進行相位信號測試驗證時，發(fā)現(xiàn)根據(jù)傳感器的布置情況，1#主泵的2 個軸位移信號1RCP250MM 相位應超前于1RCP251MM 約90°，但在主泵相位信號輸出機柜處測得其關系相反，據(jù)此懷疑1RCP250MM 與1RCP251MM 軸位移信號接反，并建議調(diào)試人員檢查接線是否正確。

經(jīng)過現(xiàn)場檢查，對照安裝圖紙，前置器輸出信號線確實接反。按圖紙恢復正常連接后，現(xiàn)場模擬間隙驗證，軸位移信號對應的相位關系已恢復正常。

每臺主泵的軸位移傳感器是一對，互成90°角安裝（圖3），在軸轉動期間，2 個傳感器輸出信號不會有太大偏差，即使信號接反也很難從軸位移數(shù)據(jù)上看出來，但這種情況在相位信號上能明顯看出差異，從而及時解決問題。

4.2 簡化動平衡流程

相比于傳統(tǒng)主泵動平衡，利用相位在線測量系統(tǒng)，節(jié)省了離線儀表的安裝和拆卸環(huán)節(jié)，減少了主泵啟停的次數(shù)，可顯著簡化主泵動平衡流程，縮短8 道工序，減少所占用大修關鍵路徑時間約7 h，提升經(jīng)濟效益；減少反復啟停對主泵的沖擊（技術規(guī)范要求主泵在24 h 內(nèi)啟停不得超過6 次），提升主泵壽命；同時能減輕工作人員負擔，降低人員輻射受照劑量和工作過程引入異物的風險。動平衡流程簡化如表2所示。

4.3 將維修和振動治理有機結合，實現(xiàn)主泵“預平衡”

利用主泵相位在線測量系統(tǒng)，可在日常期間積累豐富的主泵振動、相位數(shù)據(jù)，結合經(jīng)驗影響系數(shù)，在大修前計算好動平衡方案，利用大修主泵檢修窗口，在聯(lián)軸器上預加平衡配重，完全不占用大修關鍵路徑，相當于“零工時”項目。

表2 有、無相位在線測量系統(tǒng)實施動平衡的區(qū)別

在2017 年9 月的F201 大修和2019 年5 月的F202 大修中，電廠分別對F2RCP003PO 和F2RCP002PO 實施冷態(tài)預平衡，利用主泵檢修回裝聯(lián)軸器的窗口，將預先計算好的配重安裝在聯(lián)軸器上的指定位置。經(jīng)過冷態(tài)啟動，一回路升溫升壓，到達熱停平臺，主泵軸振水平比大修前大幅下降，分別由175 μm P-P 降到了76 μm 和由152 μm 降到了68 μm，效果良好。

5 結語

防城港核電廠一期工程已全面建成并經(jīng)歷了2 次小修和4次換料大修，主泵相位在線監(jiān)測系統(tǒng)在主泵狀態(tài)監(jiān)測和振動治理過程中已經(jīng)受住了考驗并發(fā)揮了積極作用。作為良好經(jīng)驗反饋，主泵相位在線監(jiān)測系統(tǒng)已加入防城港核電廠二期工程“華龍一號”的初始設計；同時，如果利用轉速測量系統(tǒng)實現(xiàn)相位測量的技術發(fā)展成熟，國內(nèi)CPR1000 機組均可通過改造流程新增主泵相位在線測量系統(tǒng)，通過低成本的方式實現(xiàn)功能升級，進一步提升電廠的安全性和經(jīng)濟性。