相位在線測量系統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據，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、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。軸上固定標志經過傳感器時觸發一個脈沖信號，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。

根據現場情況，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

經過對比分析，雖然2 個方案都可實現主泵相位測量，但考慮到轉速測量系統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，在主泵監測系統原設計基礎上，增加1 套相位測量系統，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，轉速、位移、振動在線測量系統不變，保持轉速測量系統的獨立性。

圖2 增加主泵相位測量系統

3 技術點解析

3.1 安裝間隙對信號觸發的影響

防城港核電廠1#機組的主泵相位測量系統安裝完成后，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相位信號。測量發現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，相位信號經過機柜內輸出卡件處理之后衰減明顯，輸出電壓過低無法觸發相位信號。

考慮到信號經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生原始信號的調整。現場檢查發現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，為確保二者不發生碰磨，間隙設置不宜低于0.75 mm。

調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 電平對信號觸發的影響

技術規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，現場實測卻發現情況與設計不一致。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，另一路是機柜內部端子排C。圖4～圖7 是機柜內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。

進一步分析發現，常用振動分析儀表的相位測量觸發電壓閾值是2 V，而且對交流脈沖信號和TTL 電平信號都能有效觸發。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 發現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，發現根據傳感器的布置情況，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，據此懷疑1RCP250MM 與1RCP251MM 軸位移信號接反，并建議調試人員檢查接線是否正確。

經過現場檢查，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據上看出來，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

相比于傳統主泵動平衡，利用相位在線測量系統，節省了離線儀表的安裝和拆卸環節，減少了主泵啟停的次數，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，提升經濟效益；減少反復啟停對主泵的沖擊（技術規范要求主泵在24 h 內啟停不得超過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，實現主泵“預平衡”

利用主泵相位在線測量系統，可在日常期間積累豐富的主泵振動、相位數據，結合經驗影響系數，在大修前計算好動平衡方案，利用大修主泵檢修窗口，在聯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實施動平衡的區別

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 實施冷態預平衡，利用主泵檢修回裝聯軸器的窗口，將預先計算好的配重安裝在聯軸器上的指定位置。經過冷態啟動，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歷了2 次小修和4次換料大修，主泵相位在線監測系統在主泵狀態監測和振動治理過程中已經受住了考驗并發揮了積極作用。作為良好經驗反饋，主泵相位在線監測系統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實現相位測量的技術發展成熟，國內CPR1000 機組均可通過改造流程新增主泵相位在線測量系統，通過低成本的方式實現功能升級，進一步提升電廠的安全性和經濟性。