核電站屏蔽電機主泵故障分析及監(jiān)測系統(tǒng)改進建議

摘要：主泵是核電廠的關鍵設備，其穩(wěn)定可靠地運行對提高核電廠的安全性、可靠性有著重要意義。近年來，國內(nèi)核電站開始使用屏蔽電機主泵。然而，核電站僅采用單參數(shù)閾值監(jiān)測的方式對屏蔽電機主泵進行監(jiān)測，不能滿足故障診斷的需要。為此，在對屏蔽電機主泵典型故障進行分析的基礎上，根據(jù)核電廠的實際需求，對監(jiān)測系統(tǒng)提出了改進建議。

關鍵詞：核電站;屏蔽電機主泵;故障;監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

AP1000核電站中采用的屏蔽電機主泵在國內(nèi)核電站中的應用尚屬首次。主泵若出現(xiàn)故障會觸發(fā)反應堆停堆，對于核電廠的可靠運行有著重大影響。屏蔽電機主泵結構復雜，不易現(xiàn)場拆解和查找故障。因此，對其運行狀態(tài)進行有效監(jiān)測并進行故障診斷，可以有效提升主泵維護效率，避免屏蔽電機主泵出現(xiàn)故障，引起不良后果。

1 屏蔽電機主泵簡介

屏蔽電機主泵的主要結構特點是，泵和電機都被密封在一個被泵送介質(zhì)充滿的壓力容器內(nèi)，由一個電樞繞組提供旋轉磁場并驅(qū)動轉子，取消了普通離心泵的旋轉軸密封裝置，只有靜密封。屏蔽套將電機的定子和轉子隔開，電機通過轉子與定子之間的循環(huán)介質(zhì)對其進行冷卻。其主要結構示意圖如圖1所示。

屏蔽泵由于不需要動密封，完全實現(xiàn)了零泄漏，具有安全性高、結構緊湊、運行穩(wěn)定的優(yōu)點。其主要缺點在于：（1）由于屏蔽套的存在，泵工作效率較低;（2）電機繞組溫度運行較高，對繞組絕緣不利;（3）屏蔽泵完全密封，從外部難以判斷其軸承磨損等情況，不便于設備維護。

2 典型故障分析

盡管屏蔽電機主泵在國內(nèi)核電站剛開始應用，但屏蔽泵在化工行業(yè)中的應用已經(jīng)較為廣泛，工業(yè)領域?qū)ζ涔收系姆治鲆呀?jīng)積累了不少經(jīng)驗[1-3]。下面筆者結合上述屏蔽電機主泵的結構特點，對其典型故障進行分析。

2.1? ? 轉子質(zhì)量不平衡

質(zhì)量不平衡是旋轉機械最常見的故障，大多是由轉軸質(zhì)量偏心造成，在軸承上產(chǎn)生動載荷，使設備發(fā)生振動。其振動頻率一般與旋轉頻率相同，因此其振動信號頻譜的典型特征是基頻振動占比很大，高頻振動占比較小。當主泵轉速一定時，振幅或相位變化比較平穩(wěn)，轉軸的軸心軌跡為偏心率較小的橢圓。

2.2? ? 轉軸裂紋

轉軸若出現(xiàn)裂紋，則會破壞轉軸截面的對稱性，在圓周方向存在最大和最小兩個抗彎剛度。轉子旋轉1周，動撓度變化2次，故引起2倍于轉速的頻率振動，裂紋越大，2倍頻的振動分量也越大。另外，由于帶裂紋的轉子剛度減小，除產(chǎn)生2倍頻的振動分量外，在通過一階臨界轉速時，1倍頻的振動峰值也會增大。在升速和降速過程中，當達到半臨界轉速時，由于2倍轉速剛好等于臨界轉速，會導致振幅突然增大，出現(xiàn)明顯的振動峰值。

2.3? ? 轉軸碰摩

由于主泵高速旋轉，為了提高機器效率，需要盡量減小軸承間隙、定子屏蔽套與轉子之間的間隙，由此增大了轉軸發(fā)生碰摩故障的可能性。

轉軸碰摩是一個復雜的過程，轉軸與靜止件發(fā)生摩擦時，受到的附加作用力是時變非線性的，所產(chǎn)生的非線性振動在頻譜圖上表現(xiàn)出頻譜成分豐富的特征，不僅有工頻，還有低次和高次諧波分量。當發(fā)生局部摩擦時，軸心軌跡向單方面傾斜，時域波形出現(xiàn)削波現(xiàn)象，以正進動為主。當發(fā)生全周摩擦時，隨著接觸弧度的增加，高次諧波分量有增加的趨勢，軸心軌跡出現(xiàn)不規(guī)則擴散，時域波形的削波現(xiàn)象嚴重，將出現(xiàn)反進動，其頻率總是略高于同階正進動的頻率。

2.4? ? 屏蔽套破損

為盡量減少能量損失，屏蔽泵的定子屏蔽套與轉子之間的間隙很小且本身的厚度較薄，容易因軸承磨損等原因而與轉子產(chǎn)生碰摩造成破損，同時也容易受冷卻液內(nèi)的異物撞擊而破損。若屏蔽套破損，則冷卻介質(zhì)會侵蝕定子繞組而造成短路。

由于屏蔽套處于泵的內(nèi)部，目前還沒有比較可靠的方法直接檢測其早期裂紋的情況，對于較大的碰摩或者異物撞擊情況，可通過監(jiān)測振動信號進行診斷。

2.5? ? 定子繞組匝間短路

繞組匝間短路是感應電機的常見故障，對于屏蔽電機主泵來說，由于定子繞組溫度相比常規(guī)電機高很多，繞組絕緣在高溫下更容易因老化失效而發(fā)生匝間短路。定子繞組出現(xiàn)故障會導致電流變化以及三相電流不平衡，同時影響電機本身的振動，嚴重時甚至會出現(xiàn)接地故障。定子繞組匝間短路的在線診斷方法主要有不平衡電流法、相關分析法、局部放電監(jiān)測法等。

2.6? ? 轉子導條故障

轉子斷條是鼠籠式異步電機的典型故障。正常情況下，當三相異步電機正常對稱運行時，其定子電流中主要含有基波相關電流。當轉子斷條時，則轉子磁動勢發(fā)生變化，反饋到定子電流中，則會產(chǎn)生特定頻率的電流，不同數(shù)目的導條故障會在屏蔽電機主泵定子繞組電流中產(chǎn)生不同的諧波分量，通過對電流的監(jiān)測與諧波分析，可以對轉子的導條故障進行判斷。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的改進建議

目前國內(nèi)核電站對屏蔽電機主泵狀態(tài)的監(jiān)測，主要是對主泵的各狀態(tài)參數(shù)（包括振動、電機電流、轉速、軸承溫度、定子繞組溫度等）單獨進行監(jiān)測，其傳感器測點分布情況如圖2所示。當某個狀態(tài)參數(shù)閾值超標時，則發(fā)出相應的警告。這種單參數(shù)閾值監(jiān)測方法可以用于異常狀態(tài)的監(jiān)測，但是基本不考慮主泵的實際運行工況，其報警設定值需考慮各種正常工況下的最大值，以免誤報警，導致系統(tǒng)檢測的靈敏度受限。

同時，目前屏蔽電機主泵的各監(jiān)測系統(tǒng)不能保存高頻采樣的數(shù)據(jù)。當發(fā)生故障時，可用于分析診斷的只有保存在電廠數(shù)據(jù)庫中的低頻采樣的歷史數(shù)據(jù)，故只能臨時增加一套數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)用于采集高頻數(shù)據(jù)。這樣不僅直接影響了故障處理的響應速率，而且錯失了故障早期和發(fā)生時的關鍵數(shù)據(jù)。此外，歷史數(shù)據(jù)庫中不同參數(shù)的采樣頻率也不一致，對數(shù)據(jù)的分析處理造成了不便。為此，筆者就屏蔽電機主泵的狀態(tài)監(jiān)測診斷提出了改進建議。

3.1? ? 多參數(shù)特征異常狀態(tài)在線監(jiān)測

主泵作為一個復雜的機電液系統(tǒng)，各狀態(tài)參數(shù)相互關聯(lián)，還會受環(huán)境溫度、電廠運行模式等的影響而有所變化，僅通過靜態(tài)監(jiān)測單通道閾值無疑存在局限性，檢測靈敏性不高，不利于發(fā)現(xiàn)故障前期征兆。

利用智能算法對主泵進行多參數(shù)異常狀態(tài)監(jiān)測，有利于提高檢測靈敏度，提前發(fā)現(xiàn)故障征兆。比如文獻[4]中提出了一種基于單維狀態(tài)數(shù)據(jù)特征分析和多維狀態(tài)數(shù)據(jù)特征分析相結合的方法，實現(xiàn)對主泵異常狀態(tài)的監(jiān)測，提高了參數(shù)監(jiān)測的實時性和準確率。

3.2? ? 保存必要的采樣數(shù)據(jù)

核電廠應保存主泵必要的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)的離線分析。比如，正常運行基準數(shù)據(jù)，包括不同工況、不同季節(jié)下的數(shù)據(jù)，可用于訓練異常檢測智能算法;定期采集的數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫，可作為劣化趨勢評估的判斷依據(jù);異常狀態(tài)時自動采集一段時間的數(shù)據(jù)，可用于故障診斷分析等。

是否保存高頻采樣數(shù)據(jù)，可結合數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和用途進行考慮，比如，對于溫度等變化較為緩慢的參數(shù)，可考慮只保存低頻采樣的數(shù)據(jù);對于用于故障診斷分析的振動、電流等，則需保存其高頻采樣的數(shù)據(jù)。

3.3? ? 提供基本信號分析工具

建議核電廠提供基本的信號分析工具或者專家支持系統(tǒng)，使運行人員對主泵的健康狀態(tài)有更全面的了解。

運行人員可定期利用軸心軌跡圖、波形圖、頻譜圖、波德圖等信號處理工具，分析主泵的振動、電流等狀態(tài)參數(shù)，查看主泵運行狀態(tài)，并與歷史正常運行數(shù)據(jù)進行比較，確認其狀態(tài)的變化趨勢，當發(fā)現(xiàn)有異常波動或者故障征兆時，再邀請故障診斷專家介入進行深入研究，確認是否需要進一步處理，避免因主泵出現(xiàn)故障而導致停泵。

3.4? ? 故障智能診斷

近年來，大數(shù)據(jù)、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘等技術在設備的狀態(tài)監(jiān)測與診斷領域的研究和應用較多，并取得了不錯的效果，但是基于主泵狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障智能監(jiān)測和診斷研究仍處于起步階段，主要原因在于，一方面主泵內(nèi)部機理復雜，狀態(tài)數(shù)據(jù)維數(shù)高，另一方面主泵正常狀態(tài)下的監(jiān)測數(shù)據(jù)占絕大多數(shù)，異常數(shù)據(jù)只有極少部分，不能滿足智能算法模型訓練和驗證的需要。

為了獲取足夠的異常數(shù)據(jù)樣本，建議通過樣機試驗研究或者與其他同類型電廠共享數(shù)據(jù)等方式，積累有效數(shù)據(jù)樣本。

4 結語

本文對核電廠屏蔽電機主泵的典型故障進行了分析，針對現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的不足，提出了相應的改進建議。利用屏蔽電機主泵原有的測點，結合已經(jīng)發(fā)展成熟的設備故障診斷技術，改進其狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，有利于及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，提高故障處理的響應速度，盡量減少核電廠的經(jīng)濟損失。

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[4] 龔安，史海濤.基于特征組合分析的主泵異常檢測方法[J].科學技術與工程，2019（12）：223-230.

收稿日期：2020-07-07

作者簡介：陳劍鋒（1984—），男，上海人，工程師，主要從事核電廠機電設備及振動監(jiān)測系統(tǒng)設計工作。