反应堆及堆内构件振动监测系统

摘要

本发明提供一种反应堆及堆内构件振动监测系统，解决可靠性、兼容性、稳定性和维修方便性问题。包括加速度计、电荷放大器、信号调理设备、振动信号分析设备、显示终端、振动监测软件等。所述的信号调理设备，信号调理模块对振动信号进行程控放大和低通滤波，多路选择模块接收振动信号分析设备自检控制模块的控制信号，实现系统程控自检。所述的振动信号分析设备，包括PXI总线机箱。所述的振动监测软件计算各通道振动特征频率和幅值，各通道对间的CPSD值、相干值和相位值；监测反应堆压力容器振动加速度和振幅、反应堆燃料组件一阶和二阶模态频率与振幅、吊篮梁模态和二阶壳模态频率与振幅、压力容器摆动频率与振幅等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核电站反应堆监测系统，具体地说是一种反应堆及堆内构件振动监测系统。

背景技术

国际标准和国家核行业标准(如IEC 61502-1999和EJ_T1188-2005)规定，对核电站的反应堆及堆内构件振动需要进行定期监测。

国内其它单位尚无开发核电站反应堆及堆内构件振动监测系统和相关专利技术的报道，现役核电站装备的振动监测系统均从国外进口，如秦山核电一期未装，秦山核电二期、大亚湾和岭澳核电为法国01dB-Stell的，田湾核电为俄罗斯的。

法国01dB-Stell公司向我国秦山二期核电站、大亚湾核电站和岭澳核电站供货的KIR振动监测系统代表了目前国内核电站装备系统的水平。通过到核电站现场交流、考查、为核电站提供故障监测技术培训和技术范围的方式，全面了解了KIR振动监测系统的技术状态和应用情况，该系统主要存在的缺点和待解决的问题如下：

通过我们的了解和用户反映，主要存在的缺点和待解决的问题如下：

(1)振动噪声分析要求所分析的通道间具有严格的同步性能，该KIR振动监测系统采用了传统的多路转换器与双通道数采结合的方式，通过每次选择两个通道进行采集分析，分析完毕再切换到另两个通道上进行采集分析，不仅耗时(一次测量过程需数小时)，如果数小时内反应堆运行工况发生波动，会导致振动测量结果的不一致性；

(2)缺少原始信号波形显示功能，不能直观判断采集数据是否正确、系统放大倍数设置是否恰当；

(3)缺少自谱与互谱手动分析功能，对谱图中出现的新谱线不能分析；

(4)将监测频带固化，缺少监测频带的设置功能，在特征频带发生漂移后，监测结果与实际振动情况会出现偏差；

(5)未对原始数据加以保存，监测到异常信号或需对信号进行二次分析时，需另配数据采集设备与分析设备；

(6)监测结果只有打印的纸质材料，不便于监测历史数据的管理和整理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性、兼容性、长期工作稳定性和维修方便性的反应堆及堆内构件振动监测系统。

实现本发明目的的技术方案：一种反应堆及堆内构件振动监测系统，包括信号调理设备、振动信号分析与监测设备和振动信号分析与监测设备的显示终端等，

所述的信号调理设备，包括电源模块、多路分配模块和AV信号调理模块，电源模块为信号调理设备各模块供电，多路分配模块将来自D/A模块的1路自检信号分成4路输出，分别送到AV信号调理模块各通道的输入端，来自电荷转换器的加速度信号输入到AV信号调理模块各通道的输入端，首先对输入信号进行电气隔离，再送入多路选择电路，系统默认状态为监测状态，当模块接收来自系统的自检命令后，多路选择模块输入端与自检信号接通；AV信号调理模块对信号进行程控放大、低通滤波后，送到振动信号分析与监测设备的A/D模块；

所述的振动信号分析与数据采集设备，包括PXI总线机箱、机箱内的模块包括嵌入式控制器、3个A/D模块，其中2个A/D同步采集模块对4路加速度信号和8路中子噪声信号同步采样，其中1个A/D采集模块对8路中子电平信号进行采集；嵌入式控制器内设有振动监测软件。

本发明的效果：针对国内核电站现役的KIR振动监测系统存在的缺陷，本发明重点解决了以下问题：

(1)采用了基于PXI总线的标准化和模块化设计，方便了系统检修和部件更换，使各数采模块间和每一数采模块的各通道间完全同步，实现了只需一次就可完成所有通道数据的同步采集，不仅使系统得以简化(取消了多路分配器)，同时测量时间大大缩短(由原来的数小时缩短至30分钟以内)，而且可以完全消除反应堆运行工况波动对振动测量结果的影响；

(2)监测软件增加了原始信号波形显示功能，可直观判断采集数据是否正确、系统放大倍数设置是否恰当；

(3)监测软件增加了自谱与互谱手动分析功能，可校验自动分析结果的正确性，也可对谱图中出现的新谱线进行分析；

(4)监测软件增加了监测频带设置功能，在特征频带发生漂移后，只需将监测频带设置为与当前情况一致，就可避免监测结果与实际振动情况不符的情况；

(5)监测软件增加了原始数据存储，并提供开放式接口，可方便地进行二次分析；

(6)监测软件采用了虚拟仪器技术、数据库管理技术、监测报告自动生成技术，使软件界面美观，可视化强，监测结果特征量信息数据库管理为振动趋势分析提供了开放式接口，监测完毕，可自动生成监测报告电子文档(含文字和图表)。本发明与背景技术的详细对比见表1。

表1

附图说明

图1为本发明的反应堆及堆内构件振动监测系统的结构图；

图2为本发明的反应堆及堆内构件振动监测系统的系统图；

图3为振动监测软件的流程图。

具体实施方式

振动监测系统由4路加速度信号通道、8路堆外中子噪声信号通道、8路中子电平信号通道组成。

(一)监测系统反应堆厂房设备

监测系统反应堆厂房设备由反应堆厂房一次仪表和机械设备组成。

每套件测系统布置在反应堆厂房内的一次仪表由4个加速度计、4根硬电缆、4个TNC转10-32连接器、4根延长软电缆、4个电荷转换器、4根信号输出电缆等组成。

反应堆厂房内的一次仪表全部采购丹麦B&K公司生产的、满足压力容器振动监测的、适应于核电站反应堆厂房环境的仪表。

加速度计适配座、RIC屏蔽墙贯穿件管接头、防水盒等自行设计制造，机材采用316L不锈钢，满足一次仪表安装要求，同时适应核电站反应堆厂房环境要求。

(二)监测系统电气柜

监测系统电气柜采用1个19”标准机柜。机柜设前后门和外侧板。前门为透明门，前后门均上锁，前后门密封采用密封胶条密封。外侧板采用螺钉安装方式。机柜后门上部开出风孔，安装1个带过滤器的风扇，机柜前门下部开进风孔，安装过滤器。风扇电源220V 50HzAC/40W。

机柜顶部四个角上4个安装吊耳。

机柜顶板为可拆卸式，顶板后半部开一个圆形孔，机柜的4路加速度信号电缆、8路中子噪声信号电缆、8路中子电平信号电缆、1路电力电缆以及接地铜缆通过圆形孔进入机柜。

机柜底座上开4个12×60的地脚连接孔，机柜下部加一盖板。

(三)电气柜设备布置

1.机柜温度测量设备

每个机柜内设1个温度测点，检测机柜内温度。每个机柜上部前面板设一个数字温度表头。

2.电荷转换器电源适配器

电荷转换器电源适配器为1U高，19”机箱，为4个电荷转换器提供电源，同时将来自电荷转换器的信号放大后输出到信号调理设备机箱的。

3.信号调理设备

信号调理设备机箱高度为6U，机箱内的模块由1个电源模块、1个多路分配模块、1个AV信号调理模块组成。电源模块的功能是为信号调理设备各模块供电。多路分配模块将来自D/A模块的1路自检信号分成8路输出，分别送到各模块的自检信号的输入端。来自电荷转换器的加速度信号输入到AV信号调理模块，首先对输入信号进行电气隔离，再送入多路选择电路，当模块接收来自系统的自检命令后，多路选择模块输入端均与自检信号接通。AV信号调理模块对信号进行程控放大、低通滤波后，送到振动信号分析设备的A/D模块。

4.振动信号分析设备

振动信号分析设备对压力容器和堆内构件振动进行定期分析和监测，为一个NI公司的PXI总线机箱，机箱内的模块由1个NI的嵌入式控制器、3个NI的A/D模块组成。

2个NI PXI-6143同步采集模块对4路加速度信号和8路中子噪声信号同步采样。NI PXI-6220对8路中子电平信号进行采集，不仅保证了采集信号通道间的同步性，并大大缩短了振动监测时间。

5.显示器与打印机

型号为YT-170CS的显示器为振动信号分析与监测的显示终端。HP Deskjet D2368A4幅面彩色喷墨打印机，用于打印振动监测报告。

(四)振动监测软件

振动监测软件流程图，如图3所示。

启动后，依据用户设置的用户管理数据库进行登录，并判断登录是否成功？

成功进入系统初始化、不成功则退出；

(1)系统初始化后，恢复上次监测的软硬件工作参数，自动启动时实监测。必要时，分别依据硬件参数配置要求进行硬件参数设置、依据算法参数设置要求进行算法参数设置、依据机组当前运行参数进行机组参数设置。

实时监测对各通道进行同步采样、时程波形与信号幅度分析与虚拟仪器显示。

根据用户需要，可选择进行APSD分析、CPSD分析和振动监测。

APSD分析中，对各通道信号进行同步采集，完成对AC(振动加速度)通道的APSD(自功率谱密度)分析，对NB和NH(中子噪声)通道的NPSD(归一化自功率谱密度)分析，分析结果以谱图和数据表形式显示，分析结果包括AC通道、NB通道和NH通道的振动特征频率和振动特征峰幅值。各通道APSD(或NPSD)分析中，均做多次平滑处理，分析自动完成，也可进行手动复核分析。

CPSD分析中，对各通道信号进行同步采集，完成对AC通道对、NB通道对、NH通道对、AC通道与NB通道间的通道对、AC通道与NH通道间的通道对、NH通道与NB通道间的通道对的CPSD(互功率谱密度)、Coherence(相干)和Phase(相位)分析，分析结果以谱图和数据表形式显示，分析结果包括各通道对间的振动特征频率下的CPSD值、相干值和相位差值。各通道APSD(或NPSD)分析中，均做多次平滑处理，分析自动完成，也可进行手动复核分析。

振动监测中，对各通道信号进行同步采集，全自动完成对AC(振动加速度)通道的APSD(自功率谱密度)分析，对NB和NH(中子噪声)通道的NPSD(归一化自功率谱密度)分析，分析结果以谱图和数据表形式显示，分析结果包括反应堆压力容器各振动测量点的振动加速度值和振幅(位移)、反应堆燃料组件一阶和二阶模态频率与振幅、吊篮梁模态和二阶壳模态频率与振幅、压力容器摆动频率与振幅。采集的原始数据和监测结果数据自动记录到数据库中，可自动生成包含谱图、振动监测结果数据表和监测状态等信息的监测报告，监测报告可打印或转存。

在反应堆首次达到100％功率并稳定运行时，建立各通道APSD(自功率谱密度)基准谱、通道对间CPSD(互功率谱密度)基准谱、Coherence(相干)和Phase(相位)基准谱，建立反应堆压力容器各振动测量点的振动加速度值和振幅(位移)基准值、反应堆燃料组件一阶和二阶模态频率与振幅基准值、吊篮梁模态和二阶壳模态频率与振幅基准值、压力容器摆动频率与振幅基准值。

振动监测软件设计为菜单管理、主界面与子界面显示、对话框设置界面的结构形式，振动监测软件主菜单与下拉式子菜单见下表2。

表2

1.振动监测软件界面

主界面由上表所列的模块化菜单和传感器安装位置、监测对象组态图构成。

2.用户设置对话框

“用户设置”子菜单对相应权限的用户名和口令进行重新设置。

3.用户管理界面

“用户管理”对用户操作情况进行查看，包括用户、进入时间、退出时间。

4.硬件参数配置界面硬件参数配置选项卡包括：

①加速度信号A/D配置。型号、通道配置、低通滤波、放大倍数、转换系数、采样率、采样精度。

②中子噪声信号A/D配置。型号、通道配置、低通滤波、放大倍数、采样率、采样精度。

③中子电平信号A/D配置。型号、通道配置、采样率、采样精度。

5.算法参数配置

“算数参数配置”内容如下：

采样数据长度；

平滑次数；

数据块数；

加窗类型；

堆内构件各模态特征频率参考值等。

6.机组参数设置

“机组参数设置”的内容如下：

核功率；

主回路压力；

入口温度；

出口温度；

燃料循环状态等。

7.基线数据建立

“基线数据建立”界面的选项设置、信号分析和显示内容，如下：

选项设置，包括APSD分析、振动监测和CPSD分析。

-加速度信号与中子噪声信号选择；

-加速度通道(AC通道)APSD(自功率谱密度)分析、中子噪声通道(NH和NB通道)NPSD(归一化自功率谱密度)分析与谱图显示；

-各通道CPSD(互功率谱密度)、Coherence(相干)和Phase(相位)分析与谱图显示；

-按“确定”按钮保存相应APSD(或NPSD)和CPSD，从而建立起各基线数据(在反应堆首次达到100％功率并稳定运行时建立)。

8.振动月监测界面

“振动月监测”界面分析堆芯吊篮梁模态，以分析反应堆压力容器压紧弹簧的松弛情况。该界面的信号分析和显示内容如下：

-测量通道：AC1～AC4，NB1～NB4；

-AC1～AC4通道采样信号和APSD分析与谱图显示；

-NB1～NB4通道采样信号和NPSD分析与谱图显示；

-堆芯吊篮梁模态振型峰频率、RMS幅度、峰幅度特征参数分析；

-按“确定”按钮保存相应APSD(或NPSD)谱图，特征参数及原始采样数据文件数据库管理，自动生成监测报告；

-按“打印”打印监测报告。

9.振动季度监测界面

“振动季度监测”界面分析0～25Hz范围内特征频峰，该界面的信号分析和显示内容如下：

-测量通道：AC1～AC4，NB1～NB4、NH1～NH4；

-AC1～AC4通道信号波形及其APSD谱(0～50Hz)分析；

-NB1～NB4、NH1～NH4通道信号波形及其NPSD谱(0～50Hz)分析；

-AC1～AC4通道0～25Hz频段特征振型峰频率、RMS加速度、峰幅度；

-NB1～NB4、NH1～NH4通道0～25Hz频段特征振型峰频率、RMS幅度、峰幅度；

-按“确定”按钮保存相应APSD(或NPSD)谱图，特征参数及原始采样数据文件数据库管理，自动生成监测报告；

-按“打印”打印监测报告。

10.振动半年监测界面

“振动半年监测”界面全面分析压力容器和堆内构件在0～50Hz范围内的振动情况。该界面的信号分析和显示内容如下：

-测量通道：AC1～AC4，NB1～NB4、NH1～NH4；

-各通道信号波形；

-NB3与NB2、NB3与NH3、NB3与NB4、AC2与NB4、AC1与NB2的归一化APSD谱、CPSD谱、相干谱、相位谱分析与谱图显示；

-各特征振型频率、RMS幅度、峰幅度；

-按“确定”按钮保存相应APSD(或NPSD)、CPSD、相干、相位谱图，特征参数及原始采样数据文件数据库管理，自动生成监测报告；

-按“打印”打印监测报告。

11.系统自检界面

“系统自检”界面对4个加速度通道、8个中子噪声通道、8个中子电平通道和磁盘存储空间进行自检。该界面的系统自检内容如下：

-采用通道信号幅度检测方法，判断各通道的正常与故障；

-当某通道发生故障时，或磁盘存储空间不足时，该界面的状态指示面板将对应通道图标用红色表示。

(五)系统主要功能

反应堆及堆内构件振动监测系统总的功能是定期监测核反应堆及堆内构件的振动情况。反应堆及堆内构件振动监测系统的主要功能如下：

a.定期监测压力容器、燃料组件和堆芯吊篮的振动；

b.实施压力容器摆动特征频率与振动幅度参数分析；

c.燃料组件和堆芯吊篮振动特征频率和幅度分析；

d.分析报告和监测报告自动生成及打印、监测数据与结果数据库

管理。

(六)性能指标

反应堆及堆内构件振动监测系统的总体性能指标见表3。

表3

  序号  参数名称  参数指标  1  振动监测  反应堆与堆内构件振动定期监测  2  加速度计工作温度  -40～480℃

  3  加速度计工作湿度  最大100％R.H(非凝露)  4  加速度计抗辐射能力  γ积分剂量＞100Mrad  积分中子通量＞3×10¹⁸n/cm²  5  反应堆厂房内保温层外设备工作温度  -40～85℃  6  反应堆厂房内保温层外设备湿度  90％R.H.40℃  7  反应堆厂房内保温层外设备抗辐射能力  10⁴Rad  8  机柜设备工作温度  0～35℃  9  机柜设备工作湿度  93％R.H.30℃  10  机柜设备工作电隔离  ＞500Vrms  11  机柜设备工作接地性能  ＜0.1Ω  12  绝缘性能  ＞10MΩ(湿度＜90％R.H下)  13  振动监测频率范围  0.5Hz～100Hz(线性)  14  振动监测频率分辨率  0.05Hz  15  振动监测加速度响应  0.1V/g(最小)、10V/g(最大)  16  振动监测动态范围  ±5V  17  振动监测加速度范围  0.01g～50g