一种核反应堆轴封泵振动在线监测方法、系统及介质与流程

1.本发明涉及一种核反应堆轴封泵振动在线监测方法、系统及介质。


背景技术：

2.核反应堆中的主泵是一回路冷却剂强迫循环的动力源，其运行状态与核反应堆的性能和安全高度相关。通过对主泵进行振动状态在线监测，分析掌握设备的运行状况并进行故障鉴别与诊断，预测故障的趋势与严重程度，以提前确定合理的检修时间，提高设备可靠性的同时也降低了运行维修费用。
3.主泵按类型分为屏蔽泵和轴封泵两种，以ap1000为代表的堆型中大多采用美国emd公司研发的屏蔽电机型主泵，以中国华龙一号(福清、巴基斯坦卡拉奇等)为代表的其他堆型普遍采用了轴封泵的结构形式，因此，轴封泵振动在线监测系统的技术更有意义和实用性。
4.目前，国内对轴封泵振动在线监测系统的研究尚为初期，核电厂主泵监测系统均依赖于国外进口设备自身适配的振动状态监测系统，但该监测系统主要有如下不足：
5.(1)除向主控制室给出轴承振动数值外，只能用便携式、离线数据采集器定期从机柜缓冲输出端子上采集振动信号，缺乏实时性和方便性。
6.(2)只有转子振幅测量，没有振动频谱分析，只能监测转子振动是否正常，无法对转子振动趋势进行分析。
7.(3)没有转子超振鉴相功能，只能在检修期间，在主泵上安装临时传感器，利用便携式数采器，通过现场测量、分析与计算，才能确定检修或动平衡试验方案，费时费力，人员受照剂量大，检修时间长。


技术实现要素：

8.为解决现有的轴封泵振动在线监测系统监测功能不足导致监测不全面的技术问题，本发明实施例提供一种核反应堆轴封泵振动在线监测方法、系统及介质，通过分析掌握设备的运行状况并进行故障鉴别与诊断，预测故障的趋势与严重程度，以提前确定合理的检修时间，提高设备可靠性的同时也降低了运行维修费用，进而保障核反应堆运行的安全与性能。
9.本发明实施例通过下述技术方案实现：
10.第一方面，本发明实施例提供一种核反应堆轴封泵振动在线监测方法，包括：
11.实时监测轴封泵的振动，获取轴封泵的各个监测数据；
12.对获取的各个监测数据的振动信号进行处理，得到与各个振动信号对应的时频域信号；
13.对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取，得到与各个振动信号对应的特征提取信号；
14.根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定
发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号，其中，时频域信号包括时域信号和频域信号。
15.进一步的，所述监测数据包括振动加速度信号和振动位移信号。
16.进一步的，对获取的各个监测数据的振动信号进行处理，得到与各个振动信号对应的时频域信号；包括：
17.将获取的各个监测数据的振动加速度信号和振动位移信号转化为各个对应的模拟电压信号；
18.将各个对应的模拟电压信号经滤波处理和程控增益放大后转换成各个对应的数字信号；
19.将各个对应的数字信号通过傅里叶变换得到对应的时频域信号。
20.进一步的，所述特征量包括振动烈度、信号各倍频幅值和相位、包络谱、窄带频谱、位移振动常量和/或最大径向位移。
21.进一步的，对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取，得到与各个振动信号对应的特征提取信号；包括：
22.对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取；
23.将所述特征量与轴封泵在不同状态下的振动加速度信号和振动位移信号进行对应，得到与各个振动信号对应的特征提取信号。
24.进一步的，所述异常识别包括对振动信号的异常识别和热工参数的异常识别；振动加速度信号的特征量为振动烈度；振动位移信号的特征量为径向最大位移；其中，热工参数包括温度、压力、流量和液位信号。
25.进一步的，根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号；包括：
26.将振动加速度信号的特征量和振动加速度阈值比较，将振动位移信号的特征量与振动位移阈值比较，若振动加速度信号的特征量超过振动加速度阈值和/或振动位移信号的特征量超过振动位移阈值，则生成异常监测报警信号。
27.进一步的，根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号；还包括：
28.根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号、轴心轨迹信号与对应的故障类型典型特征作比较，识别出相应故障。
29.第二方面，本发明实施例提供一种核反应堆轴封泵振动在线监测系统，包括：
30.获取单元，用于实时监测轴封泵的振动，获取轴封泵的各个监测数据；
31.处理单元，用于对获取的各个监测数据的振动信号进行处理，得到与各个振动信号对应的时频域信号；
32.特征提取单元，用于对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取，得到与各个振动信号对应的特征提取信号；以及
33.识别单元，用于根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号，其中，时频域信号包括时域信号和频域信号。
34.第三方面，本发明实施例提供一种存储介质，计算机可读存储介质上存储有指令，
当所述指令在计算机上运行时，执行所述核反应堆轴封泵振动在线监测方法。
35.本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
36.本发明实施例的一种核反应堆轴封泵振动在线监测方法、系统及介质，通过实时监测轴封泵的振动，获取轴封泵的各个监测数据；对获取的各个监测数据的振动信号进行处理，得到与各个振动信号对应的时频域信号；对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取，得到与各个振动信号对应的特征提取信号；根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号，实现了对核反应堆轴封泵振动的在线监测。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
38.图1为核反应堆轴封泵振动在线监测方法的流程示意图。
39.图2为核反应堆轴封泵振动在线监测系统的结构示意图。
40.图3为示例的核反应堆轴封泵振动在线监测系统的结构示意图。
41.图4为信号处理过程示意图。
42.图5为转速相位测量示意图。
43.图6为示例的核反应堆轴封泵振动在线监测方法的流程示意图。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
45.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
46.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
47.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
48.实施例
49.为解决现有的轴封泵振动在线监测系统监测功能不足导致监测不全面的技术问题，本发明实施例提供一种核反应堆轴封泵振动在线监测方法、系统及介质，通过分析掌握设备的运行状况并进行故障鉴别与诊断，预测故障的趋势与严重程度，以提前确定合理的检修时间，提高设备可靠性的同时也降低了运行维修费用，进而保障核反应堆运行的安全与性能。
50.第一方面，本发明实施例提供一种核反应堆轴封泵振动在线监测方法，参考图1所示，包括：
51.s1.实时监测轴封泵的振动，获取轴封泵的各个监测数据；
52.s2.对获取的各个监测数据的振动信号进行处理，得到与各个振动信号对应的时频域信号；
53.s3.对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取，得到与各个振动信号对应的特征提取信号；
54.s4.根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号，其中，时频域信号包括时域信号和频域信号。
55.从而，本发明实施例通过实时监测轴封泵的振动，获取轴封泵的各个监测数据；对获取的各个监测数据的振动信号进行处理，得到与各个振动信号对应的时频域信号；对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取，得到与各个振动信号对应的特征提取信号；根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号，实现了对核反应堆轴封泵振动的在线监测。
56.进一步的，所述监测数据包括振动加速度信号和振动位移信号。
57.进一步的，对获取的各个监测数据的振动信号进行处理，得到与各个振动信号对应的时频域信号；包括：
58.将获取的各个监测数据的振动加速度信号和振动位移信号转化为各个对应的模拟电压信号；
59.将各个对应的模拟电压信号经滤波处理和程控增益放大后转换成各个对应的数字信号；
60.将各个对应的数字信号通过傅里叶变换得到对应的时频域信号。
61.进一步的，所述特征量包括振动烈度、信号各倍频幅值和相位、包络谱、窄带频谱、位移振动常量和/或最大径向位移。
62.进一步的，对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取，得到与各个振动信号对应的特征提取信号；包括：
63.对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取；
64.将所述特征量与轴封泵在不同状态下的振动加速度信号和振动位移信号进行对应，得到与各个振动信号对应的特征提取信号。
65.进一步的，所述异常识别包括对振动信号的异常识别和热工参数的异常识别；振动加速度信号的特征量为振动烈度；振动位移信号的特征量为径向最大位移；其中，热工参
数包括温度、压力、流量和液位信号。
66.进一步的，根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号；包括：
67.将振动加速度信号的特征量和振动加速度阈值比较，将振动位移信号的特征量与振动位移阈值比较，若振动加速度信号的特征量超过振动加速度阈值和/或振动位移信号的特征量超过振动位移阈值，则生成异常监测报警信号。
68.进一步的，根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号；还包括：
69.根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号、轴心轨迹信号与对应的故障类型典型特征作比较，识别出相应故障。
70.示例性的，核反应堆轴封泵振动在线监测方法，参考图6所示，包括：
71.步骤1：对核反应堆轴封泵进行振动在线监测的传感器布置；
72.步骤2：通过核反应堆轴封泵监测系统获取各通道振动加速度、振动位移、转速信号；
73.步骤3：对获取的振动信号进行信号处理，获取各通道的时频域信号；
74.步骤4：对时频域信号进行特征量提取；
75.步骤5：对特征提取信号进行异常与故障鉴别；
76.步骤6：对获得的数据进行数据存储、记录、趋势分析，将报警信号输出至dcs系统。
77.步骤1中，每台轴封泵的传感器具体布置如图2所示，共采用7个加速度传感器(cy)和5个位移传感器(cg)，加速度传感器主要安装在驱动电机的凸缘上，分别测量轴封泵上中下部轴承两个或三个方向的振动加速度，位移传感器安装在轴封泵的可移动部位上，即轴承的密封面上，4个位移传感器两两形成一个平面，测量两个方向的位移，cg005位移传感器用于测量主泵的转速。
78.综上所述，核反应堆轴封泵振动在线监测系统的振动探测的传感器布置如下表所示。
79.表1轴封泵振动探测的传感器布置
[0080][0081]
步骤2中，通过核反应堆轴封泵振动监测系统前端安装的压电传感器、电涡流传感
器获取各通道振动加速度a(t)、振动位移s(t)、转速信号r(t)。
[0082]
步骤3中，针对振动监测用的两类振动传感器的信号处理方法如图4所示。加速度传感器(含电荷放大器)和电涡流传感器(前置放大器)将振动量转换为模拟电压信号，经模拟滤波滤除带外信号噪声和干扰后，再经程控增益放大保证原始信号传输的精度，最后通过数据采样(a/d)转换成数字信号。
[0083]
步骤3中，测量转子转速通常采用键相器，可获得相位与转速。键相器是由探头(如涡流式、光电式等)与轴上固定标志(如键槽、凹孔、反光板等)所组成的相位测量仪表，如图5所示。当轴上固定标志经过键相探头时，键相器便会触发一个脉冲信号。另外，将两个相互垂直的振动位移信号按时间序列描绘在xy坐标图上，形成直观的转子轴心轨迹图。
[0084]
步骤3中，加速度传感器采集到的信号还可以通过积分的方式获取各通道的速度信号v(t)。依据傅里叶变换的积分定理，有：
[0085][0086]
从该定理可知，在振动测试中，若能测得设备的振动加速度，利用积分特性就可以得到速度频谱；相反，如果先通过傅里叶变换得到加速度信号的频谱，进而利用傅里叶变换积分定理和傅里叶逆变换，就可以得到加速度在时域的积分结果，即速度曲线v(t)。
[0087]
步骤3中，各通道时域数字信号通过fft变换转换到频域，fft公式为
[0088][0089]
其中，xn为有限离散时间信号，xk为有限离散频谱。
[0090]
步骤4中，提取的特征量及其具体含义如表2所示，主要包括振动烈度、信号各倍频幅值和相位、包络谱、窄带频谱、位移振动常量、最大径向量等。轴封泵共有5种运行状态，分别为stopped、run up、running、coast down、otherwise，不同状态下振动加速度信号和振动位移信号可提取特征量的对应关系如表3、表4所示。
[0091]
步骤4中，获得频域振动特征值倍频幅值的方法为首先测量当前转速r并转换为r/s单位，以r的数值为基准，在功率谱中搜索频率与r最接近(左右搜索点数可设置)所对应的功率谱幅度极大值，对应的频率即为主泵转动基频，对应幅度即为基频振动加速度。同理可找到2倍频、3倍频、4倍频和12倍频、1/3倍频、1/2倍频的振动加速度值。
[0092]
表2测量特征量清单
[0093]
[0094][0095]
表3振动加速度信号测量配置
[0096][0097]
表4振动位移信号测量配置
[0098][0099]
步骤5中，异常鉴别中包括振动信号的鉴别和热工参数的鉴别。其中热工参数的获取由控制器网口从其他计算机上获取。
[0100]
步骤5中，振动信号分为加速度信号和位移信号，其中振动加速度信号的特征量为振动烈度(bp)，振动位移信号的特征量为径向最大位移(smax)。报警采用超阈值范围报警，报警机制为二级，热工参数分为温度、压力、流量与液位信号。单测点报警机制的具体情况分为以下4种情况：
[0101]
测试值在工作范围内，工作测点状态为绿色正常；
[0102]
测试值超过了工作范围但未超出限制范围，工作测点状态为黄色警告；
[0103]
测试值超过了限制范围但未超出测量范围，工作测点状态为红色报警；
[0104]
测试值超出了测量范围，工作测点状态为蓝色仪器状态有误；
[0105]
步骤5中，故障鉴别类型为核电厂曾出现过的典型的故障，包括转子不对中、转子不平衡、部件松动、转轴碰摩、转子裂纹共5种。通过各通道振动信号提取的各特征量、轴心轨迹信号与对应的故障类型典型特征作比较，识别出相应故障。
[0106]
步骤5中，转子不对中振动特点为转轴径向振动出现二倍频，以一、二倍频分量为主，不对中越严重，二倍频所占的比例就越大，并有可能出现高次谐波。转轴不对中典型的轴心轨迹呈香蕉形。
[0107]
步骤5中，转子不平衡振动特点为转子质量不平衡引起整个机组轴承均发生较大
振动，在转子通过临界转速时振动幅值明显增大；振动频率与转子转速一致，以一倍频振幅为主，其他谐波的振幅较小；轴心轨迹为椭圆形。
[0108]
步骤5中，部件松动故障的振动特点为故障可能引起转子的分数次谐波共振，即亚谐波共振，并存在同频或倍频振动；由于松动情况下非线性的存在，当转速变化时，振动会突然增大或减小；频域特征表现出具有一定的低频分量，低频带宽且多集中于l/2工频前，伴有工频分量和高次谐波。
[0109]
步骤5中，转轴碰摩故障的振动特点为转子失稳前频谱丰富，波形畸变，轴心轨迹不规则变化，失稳后波形严重畸变或削波，轴心轨迹发散；轻微摩擦时同频幅值波动，轴心轨迹带有小圆环；碰摩严重时，各频率成分幅值迅速增大。
[0110]
步骤5中，转子裂纹故障的振动特点为一、二倍频分量的变化，裂纹越大，两倍频的振动分量也越大，反映在升降速过程中的1/2临界转速上，会出现一个明显的振动峰值。
[0111]
步骤6中，通过监测软件实现数据的存储记录、趋势分析、异常报警等功能，如图6所示。
[0112]
第二方面，本发明实施例提供一种核反应堆轴封泵振动在线监测系统，参考图2所示，包括：
[0113]
获取单元，用于实时监测轴封泵的振动，获取轴封泵的各个监测数据；
[0114]
处理单元，用于对获取的各个监测数据的振动信号进行处理，得到与各个振动信号对应的时频域信号；
[0115]
特征提取单元，用于对所述与各个振动信号对应的时频域信号进行特征量提取，得到与各个振动信号对应的特征提取信号；以及
[0116]
识别单元，用于根据所述与各个振动信号对应的特征提取信号进行异常识别与故障识别，若判定发生异常和/或产生故障，则生成监测报警信号，其中，时频域信号包括时域信号和频域信号。
[0117]
示例性的，参考图3所示，核反应堆轴封泵振动在线监测系统包括：
[0118]
n路加速度传感器，通过电荷放大器与信号调理系统连接；
[0119]
n路电涡流传感器，通过电涡流前置适调器与信号调理系统的电源模块连接；
[0120]
采集系统，用于采集热工参数并与信号调理系统连接；
[0121]
采集系统包括振动实时监测模块、时频域分析显示模块、振动特征量提取模块、趋势分析及预测模块、异常鉴别与报警模块以及数据库存储模块；
[0122]
信号调理系统包括加速度调理模块、加速度调理模块的隔离放大滤波短断路监测模块、电源模块、位移调理模块以及位移调理模块的隔离放大滤波短断路监测模块。
[0123]
具体实现的功能和原理同方法。
[0124]
从而，本发明实施例的方法和系统实现了振动探测、信号处理与分析、特征提取、振动频谱分析异常鉴别与趋势预测、原始数据存储等功能，解决了现有国外进口轴封泵监测系统由于研发时间较早存在的功能缺陷问题，提高了核电厂运维人员的工作效率，保证了系统的可靠性与全面性。
[0125]
本发明实施例通过对核电厂轴封泵进行运行状态监测，掌握设备的运行状况并进行故障鉴别与诊断，预测故障的趋势与严重程度，以提前确定合理的检修时间，提高设备可靠性的同时也降低了运行维修费用，保障了核反应堆的安全与性能。研发的系统具备为我
国新建的华龙一号三代核电厂供应国产化的主泵等旋转机械振动在线监测系统的能力，具备承担m310机组主泵等旋转机械振动监测系统的技术改造或更新换代的能力，也填补了国内该领域的空白。
[0126]
第三方面，本发明实施例提供一种存储介质，计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行所述核反应堆轴封泵振动在线监测方法。
[0127]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。