核電廠凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥故障原因分析

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

凝結(jié)水系統(tǒng)在核電廠中是非常重要的一個(gè)系統(tǒng)，它接收汽輪機(jī)低壓汽缸和給水泵汽輪機(jī)的排汽，并將其冷凝成水，之后將凝結(jié)水輸送到低壓加熱器系統(tǒng)，為相關(guān)系統(tǒng)提供所需的冷卻水。最重要的是，在汽輪機(jī)甩負(fù)荷和機(jī)組緊急跳閘時(shí)，接收旁路系統(tǒng)排放的大部分蒸汽，使SG仍能帶出反應(yīng)堆堆熱量，保證反應(yīng)堆的安全[1]，其系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

在機(jī)組啟動(dòng)或者低負(fù)荷運(yùn)行階段，凝結(jié)水流量小于額定值，凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)水流量，保證始終大于允許最小流量值的凝結(jié)水量通過凝結(jié)水泵和軸封加熱器，以帶走凝結(jié)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，避免凝結(jié)水泵發(fā)生汽蝕，并保證汽輪機(jī)軸封漏氣在軸封加熱器內(nèi)正常凝結(jié)[2]。機(jī)組正常運(yùn)行期間，凝結(jié)水系統(tǒng)通過凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥與旁路調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水流量不低于最小流量。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，尤其是再滿功率運(yùn)行時(shí)，若因某些原因?qū)е履Y(jié)水主調(diào)節(jié)閥故障關(guān)小，必然會(huì)造成凝結(jié)水流量減少、除氧器水位下降、功率波動(dòng)等異常情況，威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

1 事件概述

2017年7月29日23：15方家山核電站1號(hào)主控巡盤發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水流量降低，凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥(1CEX025VL)故障關(guān)小，當(dāng)班操作員通過KIC無法手動(dòng)調(diào)整閥門開度，判斷凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥控制失效，遂立即降功率至700 MW，同時(shí)手動(dòng)開啟凝結(jié)水副調(diào)節(jié)閥(1CEX026VL)，維持除氧器液位?，F(xiàn)場(chǎng)破壞凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥中性點(diǎn)，維持凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥在24%開度，通過凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥維持除氧器液位。7月30日夜班，經(jīng)過維修儀控檢查確認(rèn)，凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥故障的原因?yàn)殚y門保位器卡件故障，通過TCA 旁通該卡件，目前凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥無閥門保位功能，凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥故障處理完畢，與電網(wǎng)溝通后，以3 MW/分的速率重新提升汽機(jī)功率至1030 MW。7月30日早班，監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥閥門持續(xù)關(guān)小(實(shí)際開度最低到36%，閥門需求開度100%)，除氧器液位下降，緊急以5%速率降負(fù)荷至990 MW。在此期間，凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥閥門開度在36%～63%范圍內(nèi)大幅波動(dòng)，主控將閥門投“手動(dòng)”狀態(tài)，但是無法控制閥門。令現(xiàn)場(chǎng)將閥門破壞中性點(diǎn)，將閥門鎖死在49%開度，通過凝結(jié)水副調(diào)節(jié)閥控制除氧器液位。狀態(tài)穩(wěn)定后，升功率至1030 MW匹配凝結(jié)水流量[4]。凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥閥位趨勢(shì)圖如圖2所示。

圖1 凝結(jié)水系統(tǒng)流程圖Fig.1 Condensed water system flow chart

圖2 凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥閥位趨勢(shì)圖Fig.2 Condensate main regulating valve position trend chart

2 凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥故障關(guān)小原因分析

2.1 直接原因

方家山核電站1號(hào)機(jī)組的凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥為失氣和失信號(hào)保位設(shè)計(jì)，來自DCS的控制信號(hào)首先送到信號(hào)比較器，通過信號(hào)比較器之后再送到定位器。信號(hào)比較器將控制信號(hào)與設(shè)定值比較，如果低于設(shè)定值則切斷電磁閥的供電。電磁閥安裝在保位閥的上游，如果電磁閥失電則保位閥失去氣源，保位動(dòng)作。凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥控制回路如圖3所示。

圖3 凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥控制回路Fig.3 Condensate main regulating valve control loop

檢查第一次降功率事件過程的曲線，可以看到23：03左右，主調(diào)節(jié)閥控制指令已經(jīng)發(fā)出，但是主調(diào)節(jié)閥的實(shí)際閥位保持不變，此時(shí)應(yīng)該已經(jīng)觸發(fā)保位閥動(dòng)作。由于氣缸存在微小外漏，閥門逐漸關(guān)小導(dǎo)致除氧器水位下降。后續(xù)事件過程中也可以看到閥位有時(shí)上升有時(shí)下降，應(yīng)該是保位閥時(shí)而動(dòng)作，時(shí)而恢復(fù)。維修儀控檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)比較器電路板接線插件松動(dòng)，該接線即為向電磁閥供電的端子，拔動(dòng)端子時(shí)電磁閥時(shí)而得電，時(shí)而失電，與故障現(xiàn)象吻合。在經(jīng)過處理之后，測(cè)試閥門動(dòng)作正常，運(yùn)行開始恢復(fù)功率操作。信號(hào)比較器接線插件焊點(diǎn)脫焊如圖4所示。

圖4 信號(hào)比較器接線焊點(diǎn)脫焊Fig.4 Welding point desoldering of signal comparator

第二次降功率事件時(shí)，過程和閥位波動(dòng)幅度都明顯小于第一次。使用ValveLink軟件在線診斷測(cè)試，診斷曲線顯示閥門50%開度位置有異常，定位器輸出氣壓不平衡，除了下氣缸微小漏氣，懷疑還存在上下氣缸內(nèi)漏現(xiàn)象，上、下缸之間漏氣引起閥門振動(dòng)從而導(dǎo)致閥位控制失效。

2.2 根本原因

方家山核電站1號(hào)機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)的工藝管道振動(dòng)過大，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行后閥門定位器多次發(fā)生接線端子松脫、氣源管松脫及閥門定位器反饋損壞等現(xiàn)象。信號(hào)比較器已經(jīng)在閥門上運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，造成了焊腳松動(dòng)。同時(shí)，由于閥門閥桿一直頻繁上下竄動(dòng)，氣缸的活塞O形密封圈及下氣缸密封圈磨損較快，比預(yù)期壽命縮短很多，由此造成閥門氣缸易損件壽命減少，而機(jī)械專業(yè)對(duì)閥門本體易損件的定期更換項(xiàng)目是在閥門解體檢修時(shí)同時(shí)進(jìn)行，頻度不夠。儀控專業(yè)也缺少對(duì)處于長(zhǎng)期通電狀態(tài)下電磁閥等附件的定期更換項(xiàng)目[5]。

3 處理措施

3.1 更換閥門定位器

閥門定位器作為調(diào)節(jié)閥的一個(gè)主要附件，它是通過人為設(shè)定控制信號(hào)和閥位反饋信號(hào)形成的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，主要用于控制調(diào)節(jié)閥的閥位。在一些惡劣現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境中，如過高、過低的環(huán)境溫度，閥門或管道存在強(qiáng)烈的震動(dòng)，閥門定位器安裝在閥門上會(huì)失準(zhǔn)，調(diào)節(jié)精度與壽命也會(huì)大大降低。方家山核電站1號(hào)機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)中的閥門定位器多次發(fā)生接線端子松脫、氣源管松脫及閥門定位器反饋損壞等現(xiàn)象。因此，在換料大修期間，通過變更將一體式定位器更換為分體式定位器，將閥位傳感器安裝在閥門上，智能定位器本身單獨(dú)安裝在距閥門一定距離的，工況環(huán)境較好、振動(dòng)較小的位置。

3.2 更換汽缸活塞和下氣缸密封O形密封圈

密封圈在凝結(jié)水系統(tǒng)主調(diào)節(jié)閥中主要作為氣缸的密封元件，防止氣體泄漏和損失。在方家山核電站1號(hào)機(jī)組中，凝結(jié)水系統(tǒng)主調(diào)節(jié)閥由于閥門閥桿一直頻繁上下竄動(dòng)，氣缸的活塞O形密封圈及下氣缸密封圈磨損較快，造成氣缸漏氣。現(xiàn)場(chǎng)通過更換氣缸活塞和下氣缸密封O形密封圈，消除了閥門氣缸漏氣缺陷。

3.3 修改控制方法

凝結(jié)水流量通過主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥與副凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷低于20%額定功率時(shí)，除氧器水位由副凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥控制，當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷大于等于20%額定功率時(shí)，除氧器水位由主凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥控制,如圖5所示。

圖5 主旁閥切換控制Fig.5 Main side valve switching control

機(jī)組采用原控制方法時(shí)，在滿功率運(yùn)行期間凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥在60%開度時(shí)振動(dòng)較大，同時(shí)副凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥開度超過40%時(shí)振動(dòng)較大，在40%開度范圍內(nèi)振動(dòng)較小。在進(jìn)行修改后，副凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥在閥門開度40%時(shí)進(jìn)行限幅，采用主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用修改后的控制方法，在滿功率運(yùn)行期間可以分擔(dān)通過主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥的水流量，減小振動(dòng)。此外，一旦發(fā)生主凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥故障關(guān)小的工況，副凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥仍有40%開度，可以留給運(yùn)行人員反應(yīng)時(shí)間。最后，采用此控制方法后閥門振動(dòng)幅度降為原來的20%。具體控制方法如圖6所示。

圖6 修改后主旁閥切換控制Fig.6 Modified main-side valve switching control

3.4 修改邏輯定值

方家山核電站兩臺(tái)百萬千瓦機(jī)組凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥與副調(diào)節(jié)閥的切換邏輯為，當(dāng)給水流量大于2300 t/h時(shí)，在一分鐘內(nèi)旁閥向主閥切換，當(dāng)給水流量小于2000 t/h時(shí)，在一分鐘內(nèi)完成主閥向旁閥的切換。在機(jī)組滿功率運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)流量較大時(shí)，副凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥(1CEX026VL)閥門及其管道振動(dòng)較大，為降低閥門及管道振動(dòng)，保留之前的控制方式和切換邏輯，切換點(diǎn)分別由原來的2300 t/h、2000 t/h整體減小到1500 t/h、1200 t/h。即給水流量大于1500 t/h時(shí)，關(guān)閉副凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥(1CEX026VL);給水流量小于1200 t/h時(shí)，關(guān)閉主凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥(1CEX025VL)，通過降低旁閥的流量達(dá)到降低振動(dòng)的目的。

3.5 布置減振點(diǎn)

在機(jī)組運(yùn)行期間，除氧器水位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)閥位振動(dòng)情況，引起凝結(jié)水流量及壓力變化，對(duì)凝結(jié)水管道沖擊較大，管道受力變化較大，凝結(jié)水管道發(fā)生振動(dòng)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀察與分析，凝結(jié)水管道振動(dòng)的振動(dòng)源主要來自于凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥的節(jié)流組件上，若振動(dòng)源不消除，工質(zhì)對(duì)凝結(jié)水管道的沖擊將持續(xù)存在，長(zhǎng)此以往將加劇凝結(jié)水管道的振動(dòng)，形成較大的安全隱患。對(duì)于調(diào)節(jié)閥治理措施上文已經(jīng)闡述，針對(duì)管道振動(dòng)通過布置減振點(diǎn)，即通過安裝支架來進(jìn)行處理。在主閥對(duì)應(yīng)管道上游安裝導(dǎo)向支架，下游安裝滑動(dòng)支架。在旁閥對(duì)應(yīng)管道上游安裝導(dǎo)向支架，閥體位置安裝阻尼器，下游安裝滑動(dòng)支架。凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥減振點(diǎn)布置如圖7所示。

4 結(jié)論及建議

通過對(duì)方家山百萬千瓦機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)主調(diào)節(jié)閥(1CEX025)故障關(guān)小原因進(jìn)行分析，對(duì)凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥與副調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了改造和完善，并對(duì)管道進(jìn)行了減振處理，很大程度上減輕了閥門振動(dòng)幅度，后續(xù)可考慮增加閥芯剛度更進(jìn)一步減小閥門振幅。以上改進(jìn)措施的實(shí)施，確保調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定運(yùn)行。此經(jīng)驗(yàn)可為同類型機(jī)組類似缺陷的處理提供很好的參考和借鑒。

圖7 凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥減振點(diǎn)布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of damping point of condensate regulating valve