儀用壓縮空氣SAR001MD渦輪流量計故障分析及處理

陳 軍，韓 巍，周 沖，韋慶典

(中廣核工程有限公司,廣西防城港538003)

儀用壓縮空氣SAR001MD渦輪流量計故障分析及處理

陳 軍，韓 巍，周 沖，韋慶典

(中廣核工程有限公司,廣西防城港538003)

反應(yīng)堆廠房入口儀用壓縮空氣流量計SAR001MD作為核電站重要監(jiān)測儀表之一，流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性關(guān)系到機組的安全運行。一旦出現(xiàn)故障必須予以高度重視，及時解決。某核電站CPR1000機組，在1號機組狀態(tài)首次即將進(jìn)入臨界階段時，出現(xiàn)SAR001MD流量計大幅度波動現(xiàn)象，導(dǎo)致安全殼泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)不可用，機組狀態(tài)停滯。

儀用壓縮空氣系統(tǒng)；流量計；故障；分析及處理

核電站儀用壓縮空氣系統(tǒng)(SAR)分為常規(guī)島、BOP和核島三部分。核島SAR系統(tǒng)分為反應(yīng)堆廠房RX外及反應(yīng)堆廠房內(nèi)兩部分。每一個反應(yīng)堆廠房入口各設(shè)置一臺流量計SAR001MD以監(jiān)測RX廠房內(nèi)用氣量。反應(yīng)堆廠房入口流量監(jiān)測數(shù)據(jù)也是安全殼泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)必不可少的一個元素，安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)每2秒采集流量數(shù)據(jù)，以半小時平均值計算，通過SEXTEN2(安全殼泄漏率監(jiān)測系統(tǒng))系統(tǒng)計算出每天安全殼泄漏率QLD，公式如下：

從上述公式中不難看出，流量測量誤差會對安全殼泄漏率計算帶來直接影響，流量值的正確性是分析判斷安全殼是否泄漏最基本保證。倘若儀用壓縮空氣SAR001MD流量計故障測量不到數(shù)據(jù)或者大幅度波動超出SEXTEN2系統(tǒng)所需要的流量數(shù)據(jù)范圍，則會導(dǎo)致安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)點QLD偏離原先的擬合曲線，此時監(jiān)測系統(tǒng)會出現(xiàn)“不可利用的日數(shù)據(jù)點(泄漏率有輕微的變化)”提示，系統(tǒng)不可用。根據(jù)核電廠運行規(guī)程要求，機組狀態(tài)臨界后5日內(nèi)必須投運安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)，若不能滿足要求，則機組后撤至冷停堆查找原因。

1 背景

2015年10月某核電站1號機組即將進(jìn)入首次臨界，在機組臨界前期根據(jù)其他已運行核電站關(guān)于安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)故障的經(jīng)驗反饋，提前投運安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)驗證其監(jiān)測功能的可靠性。發(fā)現(xiàn)安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)因SAR001MD流量計大幅度波動，采集數(shù)據(jù)不可利用，導(dǎo)致在線監(jiān)測系統(tǒng)無法投運。流量最大值可達(dá)40～60Nm3/h，最小值出現(xiàn)0Nm3/h，且流量曲線呈周期性變化，約12min，如圖1所示。自2015年4月SAR001MD流量計調(diào)試以來，流量值波動大故障一直存在，并未引起高度重視。機組臨界在即，為確保機組安全運行，必須及時查找出SAR001MD流量計故障原因，并予以解決。

圖1 SAR001MD異常流量曲線Fig.1 The abnormal flow curve of SAR001MD

2 SAR001MD渦輪流量計工作原理

流體流經(jīng)傳感器殼體，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉(zhuǎn)動力矩，克服摩擦力矩和流體阻力之后葉片旋轉(zhuǎn)，在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在一定的條件下，轉(zhuǎn)速與流速成正比，由于葉片有導(dǎo)磁性，它處于信號檢測器(由永久磁鋼和線圈組成)的磁場中，旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應(yīng)出電脈沖信號，此信號經(jīng)過放大器的放大整形，形成有一定幅度的連續(xù)的矩形脈沖波，可遠(yuǎn)傳至DCS，顯示出流體的瞬時流量和累計量。在一定的流量范圍內(nèi)，脈沖頻率f與流經(jīng)傳感器的流體的瞬時流量QV成正比，流量方程為QV=3600×f/k。經(jīng)壓力和溫度補償后換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體流量QVN，其簡化公式如下：

式中：f——脈沖頻率，Hz；

k——傳感器的儀表系數(shù)，由校驗單給出；

3600——換算系數(shù)。

3 故障分析

通過對比分析防城港核電站1號機組SAR001MD流量計曲線與其他已運行核電站流量歷史曲線，分別從流量計本體、控制通道、DCS組態(tài)、安裝質(zhì)量、空壓機運行方式、壓縮空氣分配系統(tǒng)工藝等多個角度展開分析，采用排除、論證方式一一查找故障的原因。

3.1 流量計本體檢查

初步懷疑SAR001MD流量計自身存在缺陷，2015年4月25日對SAR001MD進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)流量計內(nèi)部渦輪轉(zhuǎn)子葉輪軸承偏斜與殼體發(fā)生碰撞,出現(xiàn)嚴(yán)重卡澀，有時卡死現(xiàn)象，且其中兩片葉輪的磁棒已丟失，如圖2所示。于是更換2號機SAR001MD流量計至1號機試驗，回裝之前為排除流量計檢測線圈、前置放大器、儀表系數(shù)漂移等故障，將流量變送器返廠進(jìn)行校驗，發(fā)現(xiàn)除個別點流量超差，線性不太好以外，并未出現(xiàn)現(xiàn)場使用中波動的情況，流量計儀表系數(shù)、精確度合格。儀表校驗報告如圖3。2015年8月20日將2SAR001MD流量計回裝并進(jìn)行驗證試驗，發(fā)現(xiàn)流量值及曲線仍然波動較大，相比之前曲線并沒有改善。因此排除流量計本體故障因素所致。

圖3 2號機SAR001MD流量計校驗報告Fig.3 The calibration report of 2SAR001MD

3.2 DCS組態(tài)檢查

為排除DCS組態(tài)編程錯誤導(dǎo)致流量計故障的可能性，對DCS組態(tài)參數(shù)、量程、計算公式等進(jìn)行檢查，對比參考其他已運行核電站DCS組態(tài)參數(shù)設(shè)置。發(fā)現(xiàn)DCS數(shù)據(jù)庫中儀表的各項參數(shù)、量程正常，組態(tài)與其他電站基本保持一致，排除因參數(shù)、量程設(shè)置錯誤導(dǎo)致計算結(jié)果成倍放大的可能。各核電站DCS組態(tài)參數(shù)對比如圖4所示。

3.3 控制通道檢查

2015年8月21日對SAR001MD流量計至DCS機柜側(cè)、機柜至DCS側(cè)的測量通道進(jìn)行檢查。

1) 對比其他已運行核電站SAR001MD現(xiàn)場安裝位置一致，附近無大功率電機、變頻器、強電流設(shè)備等外來干擾源。并檢查儀表控制電纜屏蔽線及儀表接地均無異常。

2) 對SAR001MD的通道進(jìn)行檢查，在機柜側(cè)和就地側(cè)分別用勁儀模擬不同頻率的脈沖信號，同時模擬管道工作壓力，發(fā)現(xiàn)DCS輸出平穩(wěn)，DCS顯示值與理論計算值基本一致，排除通道、DCS卡件故障的可能性，同時也再次驗證DCS數(shù)據(jù)庫參數(shù)設(shè)定正確。測量數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 各核電站DCS組態(tài)參數(shù)Fig.4 DCS configuration of the other nuclear power station

圖5 模擬脈沖信號測量數(shù)據(jù)Fig.5 The data of simulating pulse signal

3) 利用示波器在DCS機柜側(cè)進(jìn)行示波，檢測SAR001MD輸出波形。發(fā)現(xiàn)SAR001MD輸出波形正常，符合SAR001MD輸出高電平大于15V，低電平小于4.5V要求，排除因SAR001MD輸出波形不標(biāo)準(zhǔn)造成的波動故障原因。輸出波形如圖6所示。

經(jīng)上述各項通道檢查試驗驗證表明SAR001MD流量計控制通道無異常，也無外來電磁場干擾。

3.4 空壓機運行方式調(diào)整

圖6 SAR001MD輸出波形Fig.6 Output waveform of SAR001MD

通過對空壓機加卸載運行周期、壓縮空氣管網(wǎng)壓力曲線、SAR001MD流量計測量曲線三者進(jìn)行比較分析。由圖1可以看出當(dāng)空壓機處于加載運行時，壓縮空氣管網(wǎng)壓力隨之上升，壓力上升至約8.2barg流量曲線瞬時上升至最大值；當(dāng)空壓機處于卸載狀態(tài)時，管網(wǎng)壓力不斷下降，流量曲線瞬時回零，且呈周期性，約12min。尤其是當(dāng)兩臺空壓機加載運行時波動更加明顯，由此判斷引起SAR001MD流量計波動故障的根本原因可能是空壓機加卸載頻繁導(dǎo)致壓縮空氣管網(wǎng)壓力頻繁波動，流量計也隨之波動。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因有兩種：一、調(diào)試期間壓縮空氣下游用戶用氣量大，單臺空壓機無法維持管網(wǎng)壓力，兩臺空壓機定期加卸載；二、空壓機加卸載壓力定值、加卸載時間設(shè)定值等運行參數(shù)與當(dāng)前工況不匹配。針對這兩方面因素，2015年8月30日至9月20日對空壓機運行方式作出如下調(diào)整試驗：

1) 調(diào)整空壓機加卸載定值區(qū)間，由原來的7.6～9.0barg更改為8.2～8.8barg使壓縮空氣管網(wǎng)壓力始終維持在高壓力值范圍；

2) 調(diào)整空壓機卸載延時由原來的10s改為30s，使單臺空壓機保持連續(xù)加載，維持管網(wǎng)壓力在一定的壓力值；

3) 將空壓機出口干燥器運行方式調(diào)整為節(jié)能模式，節(jié)省再生用氣量；

4) 將空壓機退出聯(lián)控運行，改為單機運行模式，空壓機根據(jù)本體出口壓力定值范圍加卸載，以維持濕貯氣罐壓力，穩(wěn)定下游管網(wǎng)壓力；

5) 為避免廠區(qū)內(nèi)公用壓縮空氣SAT及2號機壓縮空氣大量用氣等因素干擾，隔離上游氣源，儀用壓縮空氣改由應(yīng)急空壓機直接供氣。

經(jīng)上述調(diào)整試驗驗證后得出結(jié)論如下：

1) 關(guān)于調(diào)整空壓機加卸載定值區(qū)間、投干燥器節(jié)能模式、改變空壓機運行模式、由應(yīng)急空壓機供氣的試驗方法，只是降低了管網(wǎng)壓力波動幅度，SAR001MD流量值波動大故障依然存在，效果不明顯，進(jìn)一步排除了空壓機運行方式、下游用氣量對流量計帶來的影響。壓力曲線及流量曲線如圖7、圖8所示。

2) 調(diào)整空壓機卸載延時30s，會出現(xiàn)當(dāng)一臺空壓機或兩臺空壓機連續(xù)加載運行時，產(chǎn)氣量與下游管網(wǎng)耗氣量保持一個平衡狀態(tài)，此時壓縮空氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，壓力曲線平緩，流量曲線正常。一旦平衡被打破，空壓機就會出現(xiàn)定期加卸載，管網(wǎng)壓力波動，流量波動，不能從根本上解決流量計故障。壓力曲線及流量曲線如圖9所示。

3.5 壓縮空氣分配系統(tǒng)工藝分析

1) 為排除管道流體介質(zhì)產(chǎn)生紊流造成流量不穩(wěn)定因素。根據(jù)SAR001MD流量計維修手冊，對流量計安裝所在直管段是否滿足要求進(jìn)行檢查，一般要求上游直管段長度大于10D，下游直管段長度大于5D(D=25mm)。經(jīng)現(xiàn)場測得SAR001MD上下游直管段長度分別為70mm，不滿足儀表安裝要求。如圖10所示。2015年9月21日對流量計安裝所在管線進(jìn)行改造后繼續(xù)驗證流量計測量值，波動現(xiàn)象仍未改善。

圖7 調(diào)整空壓機運行方式后流量曲線Fig.7 The flow curve after adjusting the air compressor’s operation mode

圖8 應(yīng)急空壓機供氣流量曲線Fig.8 The flow curve when emergency air compressor is working

圖9 調(diào)整空壓機卸載延時后流量曲線Fig.9 The flow curve after adjusting the air compressor’s unloading time delay

圖10 SAR001MD流量計上下游直管段長度Fig.10 Length of straight pipe upstream and downstream with SAR001MD

2) 進(jìn)一步分析對比陽江核電站管網(wǎng)壓力及流量曲線。機組正常運行工況下，由于RX廠房內(nèi)各系統(tǒng)控制閥不斷用氣，流經(jīng)SAR001MD的流量一般維持在5～10Nm3/h之間波動，而防城港核電站流量最大值可達(dá)40～60Nm3/h，最小值出現(xiàn)0Nm3/h，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是當(dāng)空壓機卸載時反應(yīng)堆廠房內(nèi)管網(wǎng)壓力下降速度較外圍管網(wǎng)下降慢，導(dǎo)致RX廠房內(nèi)壓力高于外圍管網(wǎng)壓力，SAR433VA進(jìn)氣逆止閥關(guān)閉，流量計瞬時歸零。當(dāng)空壓機重新加載時，外管網(wǎng)壓力上升，SAR433VA進(jìn)氣逆止閥開啟，流量計瞬時突增。這一現(xiàn)象與實際的運行工況相矛盾，反應(yīng)堆廠房內(nèi)儀用壓縮空氣作為分配系統(tǒng)的最下游，有效體積容量相比于外圍管網(wǎng)要少得多，且所供系統(tǒng)用戶氣動閥不斷耗氣，因此不會出現(xiàn)反應(yīng)堆廠房內(nèi)壓力高于外圍管網(wǎng)壓力。除非有一種可能是SAR003BA貯氣罐進(jìn)口逆止閥SAR612VA內(nèi)漏，失去其保壓功能，變成整個反應(yīng)堆廠房緩沖罐反向供氣所致。SAR流程簡圖如圖11所示。

圖11 RX廠房SAR流程簡圖Fig.11 Simplifized flow of compressed air system in RX bulding

2015年9月29日對SAR003BA貯氣罐壓力進(jìn)行就地觀察，發(fā)現(xiàn)其壓力一直波動，區(qū)間范圍在8.2～8.8barg,周期與空壓機加卸載周期、流量曲線波動周期完全重合。于是關(guān)閉貯氣罐進(jìn)口隔離閥SAR309VA，將SAR003BA進(jìn)行隔離驗證流量計測量值，流量曲線恢復(fù)正常，滿足安全殼泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)要求。當(dāng)開啟SAR309VA時，流量曲線再次出現(xiàn)波動故障。由此判斷SAR001MD流量計波動故障為逆止閥SAR612VA內(nèi)漏所致。試驗驗證曲線如圖12所示。

圖12 試驗驗證曲線Fig.12 The testing flow curve

4 解決措施

4.1 SAR001MD流量計換型改造

1) 由于SAR001MD福爾曼渦輪流量計量程為2～10 m3/h，對于0～2 m3/h 低量程范圍的測量精度無法保證，與該核電站1號機組SAR儀用壓縮空氣實際進(jìn)入反應(yīng)堆廠房的流量(約為1 m3/h)不匹配， 可能會造成流量回零測量不準(zhǔn)現(xiàn)象。

2) 福爾曼渦輪流量計轉(zhuǎn)子葉輪為塑料材質(zhì)，在操作不當(dāng)、高速氣流沖擊、氣體攜帶雜質(zhì)等情況下，容易造成葉輪軸承偏移、葉片損壞、卡死等現(xiàn)象。其他核電站都曾出現(xiàn)過類似損壞事件。

借鑒于大亞灣核電站SAR001MD流量計運行的良好實踐，防城港核電站1號機將FH710型福爾曼渦輪流量計更換成FT3型熱式氣體質(zhì)量流量計。

4.2 增加臨時逆止閥

由于正常維修逆止閥SAR612VA需要隔離反應(yīng)堆廠房進(jìn)氣總閥，廠房內(nèi)下游各系統(tǒng)用戶失去儀用壓縮空氣，機組需退至冷停堆狀態(tài)。鑒于1號機組已處于預(yù)臨界狀態(tài)，這無疑會造成一定的經(jīng)濟損失。經(jīng)過現(xiàn)場安裝空間測量、抗震分析計算，決定在進(jìn)氣隔離閥SAR309VA與SAR003BA貯氣罐之間水平管道上增加一臺與SAR612VA同類型的臨時逆止閥。

經(jīng)上述兩項措施實施完成后，SAR001MD流量計運行穩(wěn)定，波動大故障得以解決，流量值滿足安全殼泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)，保證了防城港核電站1號機組順利實現(xiàn)臨界這一重大里程碑。流量計正常運行曲線如圖13所示。

圖13 流量計正常運行曲線Fig.13 The normal flow curve of SAR001MD

5 結(jié)束語

反應(yīng)堆廠房入口儀用壓縮空氣流量計SAR001MD作為核電站重要監(jiān)測儀表之一，流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性關(guān)系到機組的安全運行。一旦出現(xiàn)故障必須予以高度重視，及時解決。本文通過工程實踐分別從流量計本體、控制通道、DCS組態(tài)、安裝質(zhì)量、空壓機運行方式、壓縮空氣分配系統(tǒng)工藝等多方面入手查找到SAR001MD渦輪流量計波動大故障是因逆止閥SAR612VA內(nèi)漏所致。針對故障原因并結(jié)合實際運行工況，采用了流量計換型和增加逆止閥相結(jié)合的處理方案。目前流量計及安全殼泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

[1] 章春偉，楊永燈，喬宇，梁波，安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)原理及數(shù)據(jù)分析[J]，核安全，2014,13(2)：56-60.

[2] 李玉榮，李晶磊，M310核電站用在線安裝流量計的選型與應(yīng)用問題研究[J]，科技視界，2014,(6)：264-265.

[3] 付勛如，WLB400型渦輪流量計雙參數(shù)補償器的研究[J]，計算機測量與控制，2009，17(1)：99-104.

[4] 廣東核電培訓(xùn)中心，900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備，北京：原子能出版社，2007.1 .

TheAnalysisandHandlingMethodsofSAR001MDFlowmeter’sFailureofInstrumentAirCompressedSystem

CHENJun，HANWei，ZHOUChong，WEIQing-dian

(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd. Fangchenggang of Guangxi Prov. 538003, China)

SAR001MD flowmeter of instrument air compressed system which is decorated the entrance of reactor building is one of the important nuclear power plant monitoring instrument, the accuracy of the data flow is related to the safety of the unit operation. In case of failure, it must be highly valued and solved timely. One CPR1000 unit of nuclear power plant would enter the critical phase for the first time of unit 1, the flow meter had a large fluctuation, it caused the containment leakage monitoring system to be unavailable, so the unit was in a state of stagnation.

Instrument Air Compressed System；Flowmeter；Failure；Analysis and handling

2017-01-19

陳 軍(1982—)，男，廣西桂林人，工程師，本科，現(xiàn)主要從事核電站常規(guī)島及BOP調(diào)試工作

TM623

：A

：0258-0918(2017)04-0545-09