AP1000核電廠壓縮空氣系統(tǒng)（CAS）空壓機(jī)頻繁加卸載問題及解決方案

吳 越，陳建旭，湯 君

（山東核電有限公司，山東 海陽 265116）

AP1000核電廠壓縮空氣系統(tǒng)（CAS）空壓機(jī)頻繁加卸載問題及解決方案

吳 越，陳建旭，湯 君

（山東核電有限公司，山東 海陽 265116）

文章對AP1000核電廠壓縮空氣系統(tǒng)（CAS）調(diào)試過程中空壓機(jī)出現(xiàn)的頻繁加卸載問題進(jìn)行了描述，分析了空壓機(jī)頻繁加卸載是由于壓縮空氣系統(tǒng)工藝系統(tǒng)設(shè)計不合理引起的；文章從問題原因出發(fā)提出了三種不同的解決方案，并對每個方案的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了介紹，其中方案一和方案三都在海陽核電現(xiàn)場進(jìn)行了實際驗證，實踐證明方案是可行的，能夠很好地解決空壓機(jī)頻繁加卸載問題。方案二由于海陽現(xiàn)場不具備條件，未進(jìn)行試驗；頻繁加卸載問題的解決實現(xiàn)了CAS系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行，保障了用戶用氣的可靠性。該文對于后續(xù)AP1000核電廠壓縮空氣系統(tǒng)的設(shè)計有一定的借鑒意義。

空壓機(jī)；加卸載；解決方案

壓縮空氣和儀用空氣系統(tǒng)（CAS）是第三代核電AP1000的一個工藝子系統(tǒng)[1]。CAS是核電廠的輔助系統(tǒng)，為各個系統(tǒng)的氣動閥、氣動泵、氣動風(fēng)閥和氣動工具提供合格的壓縮空氣。CAS系統(tǒng)分為儀用空氣子系統(tǒng)和廠用空氣子系統(tǒng)，由壓縮機(jī)、干燥器、儲氣罐、管道和閥門組成，壓縮機(jī)正常運行模式為加載運行和卸載運行，加載和卸載的控制信號來自壓縮機(jī)出口的壓力傳感器，當(dāng)壓力達(dá)到0.93 MPa時，壓縮機(jī)會自動卸載運行，停止向下游用戶供氣；當(dāng)壓力降低至0.86 MPa時，壓縮機(jī)加載運行，向下游用戶供氣。

1 壓縮機(jī)頻繁加卸載

在CAS系統(tǒng)調(diào)試過程中，壓縮機(jī)出現(xiàn)了頻繁加載和卸載的現(xiàn)象，加載和卸載時間都在10s以內(nèi)，壓縮機(jī)頻繁加卸載的原因是CAS系統(tǒng)壓縮機(jī)加卸載壓力控制信號取壓點的選取不合理導(dǎo)致的，CAS系統(tǒng)布置簡圖如圖1所示。

如圖壓縮機(jī)加卸載的信號來自壓縮機(jī)出口壓力傳感器，由該傳感器檢測到的壓力值來控制壓縮機(jī)加載和卸載，加載壓力值為0.86 MPa，卸載壓力值為0.93 MPa。

由于壓縮機(jī)第二級疏水電磁閥在壓縮機(jī)加載和卸載時都會排氣并且干燥器再生塔再生泄壓時也會排氣，造成壓縮機(jī)到逆止閥之間的管道在很短的時間內(nèi)壓力會下降，由于干燥器和儲氣罐之間有一個逆止閥，儲氣罐內(nèi)大量的壓縮空氣不能彌補壓縮機(jī)到逆止閥之間管道壓力下降的瞬態(tài)，壓縮機(jī)出口壓力傳感器檢測到壓力下降至0.86 MPa時，壓縮機(jī)加載，此時儲氣罐內(nèi)的空氣壓力是很高的，在很短的時間內(nèi)該管道又重新加壓，壓縮機(jī)出口壓力瞬間升至0.93 MPa，壓縮機(jī)出口壓力傳感器控制壓縮機(jī)卸載，這樣的工況導(dǎo)致了壓縮機(jī)的頻繁加卸載，海陽現(xiàn)場壓縮機(jī)加卸載時間大約在幾秒鐘。

圖1 CAS系統(tǒng)布置簡圖Fig.1 Simplified layout of CAS system

這樣非常短時間的頻繁加載和卸載對壓縮機(jī)設(shè)備非常不利，尤其是對壓縮機(jī)的進(jìn)氣閥和排氣閥以及控制進(jìn)氣閥的液壓缸及電磁閥等設(shè)備，因為在壓縮機(jī)加載和卸載的時候這些設(shè)備都在動作，設(shè)備在很短的時間頻繁動作會縮短設(shè)備的壽命，并且長時間頻繁加卸載會改變壓縮機(jī)進(jìn)氣蝶閥的開度，使壓縮機(jī)卸載時進(jìn)氣蝶閥的開度比原來更小，從而增加壓縮機(jī)在卸載時的入口真空度，如果該真空度達(dá)到0.09 MPa，壓縮機(jī)就會自動跳機(jī)停運，這是壓縮機(jī)的一個保護(hù)停機(jī)信號，這個情況在海陽1號機(jī)組壓縮機(jī)運行過程中出現(xiàn)過多次，因此為了延長壓縮機(jī)設(shè)備的使用壽命并且使壓縮機(jī)能夠穩(wěn)定運行，需要解決壓縮機(jī)頻繁加卸載問題。

2 解決方案

壓縮機(jī)頻繁加卸載問題的解決還是要從觸發(fā)加卸載問題的原因出發(fā)，一是需要改變壓縮機(jī)加卸載壓力控制信號的取壓點，CAS系統(tǒng)設(shè)計的目的就是向用戶提供流量、壓力滿足要求的壓縮空氣，因此壓縮機(jī)應(yīng)該根據(jù)用戶的實際用氣量來加載和卸載運行；第二是需要給干燥器和壓縮機(jī)提供持續(xù)壓縮空氣以保證干燥器的再生循環(huán)排氣和壓縮機(jī)第二級疏水排氣，因為逆止閥的存在，在壓縮機(jī)卸載運行時，干燥器將沒有壓縮機(jī)空氣進(jìn)行再生，如果沒有持續(xù)的壓縮空氣給干燥器進(jìn)行再生用氣消耗，干燥器露點將持續(xù)升高，導(dǎo)致供給用戶的壓縮空氣露點不合格，基于以上原則有如下三種方案可解決壓縮機(jī)頻繁加卸載問題。

2.1 方案一

將壓縮機(jī)加載和卸載信號取壓點從壓縮機(jī)出口改到儲氣罐后的母管上，通過用戶的實際需求量來控制壓縮機(jī)加載和卸載，可以通過一個壓力開關(guān)將母管實際壓力送至壓縮機(jī)內(nèi)部PLC來控制加卸載，同時用一個一寸的管道將干燥器和儲氣罐之間的逆止閥跨接，用儲氣罐內(nèi)的壓縮空氣來滿足干燥器和壓縮機(jī)第二級疏水閥持續(xù)消耗的壓縮空氣，由于壓縮機(jī)第二級疏水電磁閥是失電開啟的，因此需要在跨接管道上安裝一個失電關(guān)閉的電磁閥，以保證全廠失電后儲氣罐內(nèi)的壓縮空氣不會從壓縮機(jī)第二級電磁閥排出，這個電磁閥的設(shè)計是基于CAS系統(tǒng)儀用空氣子系統(tǒng)縱深防御功能的，因為在AP1000核電廠全廠失去交流電源的情況下，柴油機(jī)啟動到帶載儀用壓縮機(jī)需要4 min，因此CAS儀用空氣子系統(tǒng)2個儲氣罐設(shè)計需要提供至少4 min的壓縮空氣給核安全相關(guān)的氣動閥門用氣，從而給備用柴油機(jī)的啟動并帶載壓縮機(jī)提供時間，流程簡圖見圖2。

圖2 方案一流程簡圖Fig.2 Simplified flow of scheme 1

此方案經(jīng)過了海陽AP1000核電廠CAS系統(tǒng)調(diào)試的實際驗證，頻繁加卸載時間明顯改善，加載和卸載時間分別都在3 min左右。

本方案的執(zhí)行需要選取以下元器件：

壓力開關(guān)，將壓力開關(guān)的定值調(diào)整為在母管壓力為0.93 MPa時觸點斷開，使得壓縮機(jī)卸載，在母管壓力為0.86 MPa時，觸點閉合，使得壓縮機(jī)加載；

電磁閥，失電關(guān)閉的電磁閥，電磁閥的電源為交流電，可取至干燥器內(nèi)的交流電源，當(dāng)全廠失電時，壓縮機(jī)停運，電磁閥自動關(guān)閉，以防止儲氣罐的壓縮空氣從壓縮機(jī)第二級疏水電磁閥排出，滿足儀用壓縮空氣的縱深防御功能；

一個空氣開關(guān)，用于切換壓縮機(jī)的遠(yuǎn)程和內(nèi)部加卸載控制方式，空氣開關(guān)閉合，導(dǎo)通壓縮機(jī)PLC遠(yuǎn)程加卸載控制功能，開關(guān)斷開，切斷遠(yuǎn)程加卸載控制，恢復(fù)壓縮機(jī)出口傳感器內(nèi)部控制加卸載，這樣的好處是在遠(yuǎn)程加卸載出現(xiàn)問題時，能夠切換到壓縮機(jī)內(nèi)部加卸載；

2芯控制電纜及配套的保護(hù)套管，用于將壓力開關(guān)信號送至壓縮機(jī)內(nèi)部PLC；

1英寸的不銹鋼管道，用于旁通干燥器和儲氣罐之間的逆止閥。

2.2 方案二

壓縮機(jī)加卸載信號取壓點還是在儲氣罐后的母管上，和方案一相同，區(qū)別就是將一寸的跨接管道取消，在壓縮機(jī)和干燥器之間安裝另外一個儲氣罐，一般稱為濕罐，用這個儲氣罐來滿足干燥器和壓縮機(jī)第二級疏水閥持續(xù)消耗的壓縮空氣，這個方案對系統(tǒng)的改造相對較大，需要在壓縮機(jī)和干燥器之間有足夠空間來安裝濕式儲氣罐，并且需要對系統(tǒng)供氣主管道進(jìn)行設(shè)計改造，重新布局，施工難度相對較大，預(yù)計實施方案的費用相比方案一也較多，海陽核電廠由于CAS系統(tǒng)壓縮機(jī)和干燥器之間沒有足夠的空間再安裝一個濕式儲氣罐，因此未對本方案進(jìn)行試驗，但是本方案在一些已運行的火電廠壓縮空氣系統(tǒng)已投運。

2.3 方案三

拆除圖1中干燥器和儲氣罐之間的逆止閥閥芯，這樣壓縮機(jī)、干燥器、儲氣罐和用戶之間就是貫通的。儲氣罐的壓縮空氣不僅能向下游用戶供氣，也能夠反向給壓縮機(jī)和干燥器的排氣用氣，這樣就不用改變壓縮機(jī)加卸載控制的取壓點，該方案對系統(tǒng)的改造較小，簡單易行，效果也不錯。在海陽做試驗時，加卸載時間也明顯改善，大約2 min左右。但是該方案的缺點是在核電廠全廠失電事故時，儲氣罐的壓縮空氣會不斷從壓縮機(jī)的第二級疏水電磁閥排出，導(dǎo)致儲氣罐內(nèi)儲存的壓縮空氣不斷流失，破壞CAS儀用空氣子系統(tǒng)的縱深防御功能；針對廠用空氣子系統(tǒng)，該方案是可行的，因為廠用空氣系統(tǒng)的用戶沒有核安全相關(guān)的設(shè)備，沒有縱深防御功能，失去全廠交流電源的情況下也不需要柴油機(jī)帶載運行。

3 結(jié)論

CAS系統(tǒng)設(shè)計的目的是為下游用戶提供合格壓力和流量的壓縮空氣，壓縮機(jī)是否加載向下游供氣應(yīng)該取決于用戶的實際用氣情況，因此將壓縮機(jī)加載和卸載控制取壓點設(shè)置在儲氣罐后是一個合理的選擇，這樣能徹底解決壓縮機(jī)頻繁加卸載問題，不僅滿足了設(shè)計的原則也能夠延長壓縮機(jī)設(shè)備的使用壽命，儀用空氣子系統(tǒng)推薦使用方案一，廠用空氣子系統(tǒng)推薦使用方案三，本文提出的方案可以作為后續(xù)AP1000核電機(jī)組CAS系統(tǒng)的設(shè)計提供一些借鑒。

[1] 林誠格. 非能動安全先進(jìn)核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

LIN Cheng-ge. Passive Safety Advanced Nuclear Power Plant AP1000 [M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2008.

The Frequently Loading and Unloading Problems and Solutions for the Compressed and Instrument Air System (CAS) in AP1000 NPP

WU Yue, CHEN Jian-xu, TANG Jun
(Shandong Nuclear Power Co.,Ltd., Haiyang, Shandong Prov. 265116,China)

This thesis analyzes the reasons for frequently loading and unloading problems occurring in the CAS commissioning tests for the AP1000 nuclear power plant, which turned out to be caused by the illogical mechanical system design. Three resolutions are put forward in details, of which, the first and third resolution are proved to be feasible in practice when Haiyang NPP was tested. The second resolution has not yet been tested since Haiyang site are not ready. Solution of this frequently loading and unloading problem ensures not only the stable and safe operation of CAS, but gas-supplying reliability for its users. This thesis can also be usedfor reference when CAS needs to be re-designed in new-build AP1000 nuclear power plants.

compressor; loading and unloading; solution

TM623 Article character: A Article ID:1674-1617(2016)04-0329-04

TM623

A

1674-1617(2016)04-0329-04

2016-10-21

吳 越（1984—），男，四川成都人，工程師，工學(xué)碩士，從事核電廠工藝系統(tǒng)調(diào)試和運行工作。