一种控制棒驱动机构状态监测和健康管理方法及系统与流程

本发明属于核电厂机械设备状态监测系统设计领域，特别涉及反应堆控制棒驱动机构状态监测和健康管理领域。

背景技术：

反应堆控制棒驱动机构是用来驱动控制棒组件上下运动的机械装置，承担反应堆功率调节和紧急停堆的重要功能。磁力提升式控制棒驱动机构主要由钩爪部件、线圈部件、承压壳体部件、驱动杆部件组成。

第一，钩爪部件是控制棒驱动机构的核心动作机构，由三组磁极衔铁副驱动连杆、销轴、钩爪传递运动，主要故障模式在于传动结构因异物、磨损、破裂等因素引起机械动作时间发生变化，严重时引起失步、滑步、掉棒、卡棒等干扰反应堆安全运行的事件和事故。第二，线圈部件是产生电磁场的部件，由三个线圈绕组和铸铁磁轭组成，主要故障模式在于电磁线热老化短路、连接器接触不良等因素引起的电性能变化，突发性的线圈故障会导致反应堆停堆。第三，承压壳体部件起到结构支撑和包容作用，主要失效模式在于温度过高引起的应力超限和循环升温降温引起的瞬态超限，在最严重的情况下考虑发生破口泄漏、断裂弹棒事故。第四，驱动杆及连带的控制棒组件在控制棒驱动线中做垂向运动，主要故障模式有运动结构变形、断裂、异物等因素引起的运动阻力发生变化，均会对驱动线快速落棒的性能产生影响。

为保障控制棒驱动机构产品出厂时的一致性、运行期间的稳定性，在产品出厂试验、核电厂调试及大修期间设有钩爪部件冷热态性能试验、控制棒驱动线摩擦力试验、控制棒驱动线落棒试验等检测试验。目前控制棒驱动机构的设备制造厂采用示波器等多通道信号记录仪观察钩爪部件动作信号完成抽检，核电厂在大修期间安排人员人工检查所有控制棒驱动机构线圈部件的电性能。

设备制造厂和核电厂均缺少对控制棒驱动机构机械设备进行持续性、智能化的状态监测的技术系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于对核反应堆控制棒驱动机构机械设备进行状态监测、故障诊断和健康管理的方法和系统。所述系统包括传感器(1、2)、数据采集模块(3)、数据存储模块(4)、本地上位计算机(5)和服务器计算机(6)；

所述传感器(1)设置在所述控制棒驱动机构外表面，获取所述控制棒驱动机构的加速度信号和温度信号；

所述传感器(2)设置在所述控制棒驱动机构的棒控机柜中，可获得与工作线圈电流大小成正比的电压信号；

所述数据采集模块(3)将所述传感器(1、2)获得的信号进行同步采集、存储；

所述本地上位计算机(4)收集所述数据采集模块(3)采集的信号，所述本地上位计算机(4)与嵌入式控制器通讯，完成数据的预处理和特征值提取，并且将数据以离线文件和本地数据库两种方式进行存储和管理；

所述服务器计算机(5)与所述本地上位计算机(4)通讯，调取规范化的信号数据条目，完成特征值趋势统计、剩余寿命计算。

优选的，所述传感器(1)为加速度信号传感器和温度传感器。

优选的，所述传感器(1)可与棒位探测器集成安装，利用所述棒位探测器电缆通道接入数据采集。

本发明还提供了一种核反应堆控制棒驱动机构监测管理方法，包括核反应堆控制棒驱动机构监测管理系统，其方法如下：

控制棒驱动线落棒过程中通过所述传感器(2)采集控制棒驱动机构保持线圈的电流信号；将电流曲线滤波、转化为方波后抓取第一个阶跃点，得到工作线圈断电时间点；

通过所述传感器(1)采集机械振动加速度信号；将振动信号包络处理后，采用寻峰函数抓取第一个峰值的起始时刻，得到控制棒驱动机构释放驱动杆部件的时间点；监测和统计释放时间点与断电时间点之间的距离，作为控制棒驱动机构释放动作延迟时间特征值；

通过所述传感器(2)采集棒位探测器感生电压信号；首次进行落棒试验时，需执行一次初始化落棒试验，将试验所得电压曲线信号大于零的部分进行积分处理得到面积s，计算落棒感生电压与落棒速度之间的比例系数k：

k＝n*d/s

其中n为初始化落棒的棒位、d为控制棒驱动机构步间距、s为初始化落棒曲线积分面积；

经过算法处理后按标准单位输出的全高度落棒曲线：首先将全高度落棒原始信号数组与系数k相乘，转化为标准单位落棒曲线；对所述标准单位落棒曲线进行时间过程积分，当积分值等于落棒至缓冲口距离时候输出缓冲入口落棒时间，当积分值等于控制棒驱动机构全行程距离时输出落棒触底时间；所述落棒触底时间对应的速度值为落棒触底撞击速度值；监测和统计所述缓冲入口落棒时间、所述落棒触底时间、所述落棒触底速度为特征值；

将所述标准单位落棒曲线进行差分处理后得到的落棒过程加速度曲线；监测所述加速度曲线上最大值，作为落棒过程最大冲击加速度值。

本发明对控制棒驱动机构各部件实施自动化的故障诊断和健康管理：在长期运行中，统计步跃动作延迟时间变化趋势，出现故障时自动判读故障类型，预测钩爪部件剩余寿命；统计工作线圈电阻值、温度值变化趋势，出现电阻异常时自动报警，预测线圈部件剩余热老化寿命；统计承压壳体温度波动记录，出现超设计温度时自动报警，统计承压壳体热冲击瞬态的发生次数；控制棒驱动线落棒试验中计算速度、时间、冲击加速度等参数，检测到异常数据时自动报警。

本发明在核电厂现有成熟应用的棒控棒位和控制棒驱动机构设备基础上，增设少量传感器，针对四个部件对象给出了符合工程需要、切实可行、准确可靠的状态监测和健康管理方法和系统。

附图说明

图1为控制棒驱动机构状态监测和健康管理系统简图

1—控制棒驱动机构机械设备；2—控制棒驱动机构棒控棒位机柜；3—嵌入式控制器及数据采集模块；4—本地上位计算机及配套软件；5—服务器端计算机及配套软件；

图2为控制棒驱动机构步跃动作监测的原始信号

1—提升线圈电流信号；2—移动线圈电流信号；3—保持线圈电流信号；4—提升线圈驱动电压信号；5—移动线圈驱动电压信号；6—保持线圈驱动电压信号；7—提升步跃逻辑信号；8—下插步跃逻辑信号；9—钩爪部件机械动作振动加速度信号；

图3为控制棒驱动机构步跃电流信号的处理方法

1—原始电流曲线；2—电流曲线经过差分处理后的差分曲线；3—将差分曲线根据正负划分为方波；4—抓取方波第一个上升沿作为吸合动作的开始特征；5—抓取方波第二个上升沿作为吸合动作的完成特征；

图4为控制棒驱动机构步跃振动信号的处理方法举例

1—工作线圈电流信号；2—钩爪部件步跃振动信号；3—部分动作的振动特征点不唯一、容易引起算法不稳定；4—多步信号包络、叠加、平均处理后可识别的振动特征点；5—经过学习后算法重新识别特征点；

图5为控制棒驱动机构步跃动作延迟时间变化趋势分析方法

图6为控制棒驱动机构工作线圈部件温度监测和剩余寿命计算方法

1—控制棒驱动机构工作线圈电流和电压原始信号；2—经过滤波后可用于计算工作线圈直流电阻的数据段；3—计算输出的控制棒驱动机构工作线圈电阻变化趋势；

图7为控制棒驱动线落棒数据的处理方法

1—控制棒驱动线落棒过程的保持电流信号及处理；2，—落棒过程振动加速度信号；3—落棒过程中棒位探测器感生电压信号；4—经过算法处理后的落棒过程速度曲线；5—经过处理后的落棒过程加速度曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

控制棒驱动机构是承担核反应堆功率调节和紧急停堆任务的重要设备，一旦发生故障需要更换部件，需要反应堆停堆降温、甚至打开一回路压力边界，严重影响机组发电时间。

本发明为控制棒驱动机构设备的状态监测和健康管理提供一套完整、可行的技术方法，可以在控制棒驱动机构产品台架试验、核电厂反应堆启动前调试和大修后试验、核电厂反应堆长期运行期间应用。

本发明所述控制棒驱动机构状态监测和健康管理方法及系统以控制棒驱动机构钩爪部件、工作线圈部件、承压壳体部件及控制棒驱动线四个对象为监测目标，具体工程应用中可根据需要选择部分技术方法应用。

下面详细介绍本发明控制棒驱动机构状态监测和健康管理方法及系统的总体设计：

如图1中(1)在控制棒驱动机构机械设备外表面设置一枚加速度信号传感器和一枚温度传感器。该传感器可作为临时仪表采用飞线方式接入数据采集，也可与棒位探测器集成安装，利用棒位探测器电缆通道接入数据采集。

如图1中(2)在控制棒驱动机构棒控机柜中，设置霍尔传感器引出与工作线圈电流大小成正比的电压信号，直接并联引出工作线圈驱动电压信号，引出棒控步跃逻辑触发电压信号，引出棒位探测器线圈落棒电压信号。

如图1中(3)本发明增设一台嵌入式控制器和若干数据采集模块，将图1(1)、(2)引出的信号进行同步采集、存储并与本地上位计算机通讯。

如图1中(4)是本地上位计算机，与嵌入式控制器通讯，运行控制棒驱动机构状态监测和健康管理软件边缘端，完成数据的预处理和特征值提取，并且将数据以离线文件和本地数据库两种方式进行存储和管理。

如图1中(5)是服务器计算机，运行控制棒驱动机构状态监测和健康管理软件服务器端，与本地上位计算机通讯，调取规范化的数据条目，完成特征值趋势统计、剩余寿命计算。

下面详细介绍本发明控制棒驱动机构钩爪部件状态监测和健康管理方法：

如图2中(1)、(2)和(3)是按图1中(2)所述方法采集的控制棒驱动机构提升线圈、移动线圈、保持线圈电流信号。

如图2中(4)、(5)和(6)是按图1中(2)所述方法采集的控制棒驱动机构提升线圈、移动线圈、保持线圈驱动电压信号。

如图2中(7)和(8)是按图1中(2)所述方法采集的控制棒驱动机构棒控步跃逻辑触发信号。

如图2中(9)是按图1中(1)所述方法采集的控制棒驱动机构钩爪部件步跃振动加速度信号。

如图3中(1)是工作线圈电流曲线原始信号。

如图3中(2)是将电流信号进行滤波、差分处理后得到的差分曲线。

如图3中(3)是将差分曲线识别正负后得到的阶跃方波。

如图3中(4)是寻找单步数据范围内方波信号的第一个阶跃起点，将其横坐标作为钩爪吸合动作的起点位置，可以计算单动作起点时间。

如图3中(5)是寻找单步数据范围内方波信号的第二个阶跃起点，将其横坐标作为钩爪吸合动作的终点位置，可以计算单动作终点时间。终点之间与起点之间之差为步跃单动作延迟时间。

如图4中(1)是在控制棒驱动机构步跃运行过程中采集的电流信号曲线和经过图3所述算法处理得到的阶跃方波信号。按图3所述寻找方波信号阶跃点的算法，可以计算单个吸合动作的起点、终点时间，可以计算释放动作的起点时间，不能计算释放动作的终点时间。

如图4中(2)是在控制棒起点机构步跃运行过程中采集的振动信号。钩爪部件每个单动作完成时，均会产生振动信号。

如图4中(3)是振动信号中存在的一些干扰信号。比如，提升线圈通电吸合过程、保持线圈断电是否过程中，均会合理地产生两处振动特征点。因为干扰信号的存在，振动信号须通过更为复杂的算法进行处理、提取特征点。

如图4中(4)是“多步平均、确认学习”的计算方法。首先，将同一台控制棒驱动机构、同一工况下多步步跃产生的振动信号进行包络、叠加、取均值处理；其后，使用寻峰函数识别均值波形中所有的峰点，得到8个以上特征点；由人工在检出的特征点中选择6个点，算法根据人工选择的结果缩小寻峰范围。本算法的优点在于利用控制棒驱动机构故障率较低的特点，在“多步累加平均”过程中将极少发生的干扰点排除，再通过“确定学习”的过程，选定用户需要分析的特征点，从而提高算法输出结果的稳定性。

如图4中(5)是通过电流信号寻找单动作起点、通过振动信号寻找单动作终点，求得的单步步跃过程中六个分动作的起止时刻显示。

图5是对选定的一组控制棒驱动机构步跃波形样本数据，采用本发明所述电流信号、振动信号处理算法得到的六个步跃分动作延迟时间的趋势统计图。从分动作延迟时间的趋势统计中，可进一步评估钩爪部件动作的稳定性，当监测到六个分动作的延迟时间不稳定、分动作特征点之间的间隔时间过小时发出报警。

下面详细介绍本发明控制棒驱动机构工作线圈部件状态监测和健康管理方法：

如图6中(1)是控制棒驱动机构步跃过程中同步采集的三组线圈电流、驱动电压原始信号。

如图6中(2)是对电压、电流原始信号进行滤波处理后得到的光滑曲线。截取如图中方框内的部分电压、电流数据，可计算单个线圈控制回路的直流电阻值。回路电阻减去棒控机柜控制电路、敷设电缆通道的电阻后，可以得到线圈电阻。

如图6中(3)是采集单台控制棒驱动机构连续264步步跃数据样本进行计算，得到的电阻变化趋势。

上述“在线测电阻”方法的工程应用具体有两个方面：

(1)当监测的电阻值超过上、下阈值时报警，提醒核电厂运行方检查电路有无断路、连接器接触不良，或者线圈存在匝间短路。

(2)通过电阻换算工作线圈实测温度，评估线圈部件剩余热老化寿命。当实测温度低于设计工作温度时，从线圈热老化评定寿命时长中扣除线圈实际工作时长；当实测温度高于设计工作温度时，计算实测温度与设计工作温度的差值、计算差值与温度指数半差的倍数关系、将实际工作时长乘以2为底的倍数次方折算至设计工作温度下工作时长，并从剩余寿命时长中扣除；最后将工作线圈剩余寿命时间报知用户。

下面详细介绍本发明控制棒驱动机构承压壳部件状态监测和健康管理方法：将热点偶布置在承压壳体外表面提升线圈中心高度，监测承压壳体核心部位的温度。工程应用具体有两个方面：

(1)监测控制棒驱动机构连续步跃状态下，承压壳核心部位的极限温升，当温度超过设计临界点时发出报警，提醒用户停止控制棒驱动机构步跃。

(2)监测反应堆升温、降温、控制棒落棒等过程中，控制棒驱动机构承压壳体经历的热冲击瞬态。当升温、降温速度超过阈值时，累计统计热应力疲劳次数，为反应堆压力边界老化管理提供基础数据。

下面详细介绍本发明控制棒驱动线状态监测和健康管理方法：

如图7中(1)是控制棒驱动线落棒过程中采集控制棒驱动机构保持线圈的电流信号。将电流曲线滤波、转化为方波后抓取第一个阶跃点，得到工作线圈断电时间点。

如图7中(2)是控制棒驱动线落棒过程中采集的机械振动加速度信号。将振动信号包络处理后，采用寻峰函数抓取第一个峰值的起始时刻，得到控制棒驱动机构释放驱动杆部件的时间点。监测和统计释放时间点与断电时间点之间的距离，作为控制棒驱动机构释放动作延迟时间特征值。

如图7中(3)是控制棒驱动线落棒过程中采集的棒位探测器感生电压信号。首次进行落棒试验时，需执行一次初始化落棒试验，将试验所得电压曲线信号大于零的部分进行积分处理得到面积s，如下式计算落棒感生电压与落棒速度之间的比例系数k：k＝n*d/s,其中n为初始化落棒的棒位、d为控制棒驱动机构步间距、s为初始化落棒曲线积分面积。

如图7中(4)是经过算法处理后按标准单位输出的全高度落棒曲线。具体方法是：首先将全高度落棒原始信号数组与系数k相乘，转化为标准单位曲线。之后对标准单位曲线进行时间过程积分，当积分值等于落棒至缓冲口距离时候输出缓冲入口落棒时间，当积分值等于控制棒驱动机构全行程距离时输出落棒触底时间。落棒触底时间对应的速度值为落棒触底撞击速度值。监测和统计缓冲入口时间、落棒触底时间、落棒触底速度为特征值。

如图7中(5)是将标准单位落棒曲线进行差分处理后得到的落棒过程加速度曲线。监测加速度曲线上最大值，作为落棒过程最大冲击加速度值。

上述控制棒驱动线落棒过程监测方法，能够自动化地计算驱动线落棒过程的“控制棒驱动机构释放动作延迟时间、落棒至缓冲口时间、落棒触底时间、落棒触底速度、落棒过程最大冲击加速度”等关键指标，自动统计、当指标超过阈值时向用户报警。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。