重水堆廢氣處理系統(tǒng)壓縮機(jī)停運(yùn)原因分析及處理

譚繼勇，代濟(jì)嶺，王仕博，于 超，盧 輝

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修五處 儀控科，浙江 海鹽 314300）

自2021年7月投用廢氣處理系統(tǒng)以來壓縮機(jī)出現(xiàn)多次停運(yùn)，導(dǎo)致廢氣處理系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。重水堆核電廠采用的是不停堆換料的方式，在停堆大修時(shí)核燃料仍安裝在堆芯內(nèi)。本系統(tǒng)為公用系統(tǒng)，兩個(gè)機(jī)組都有各自的收集管路及隔離閥，共用一套氣體處理系統(tǒng)，在堆芯有破損燃料時(shí)，會(huì)有放射性的惰性氣體釋放出來。該系統(tǒng)尤為重要，所以當(dāng)壓縮機(jī)出現(xiàn)停運(yùn)時(shí)，導(dǎo)致兩個(gè)機(jī)組的放射性惰性氣體無法經(jīng)過活性炭吸附床，增加了反射性惰性氣體向環(huán)境的排放量。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)功能

在CANDU重水堆中，當(dāng)堆芯有燃料破損時(shí)，會(huì)有放射性的惰性氣體釋放出來。廢氣處理系統(tǒng)的功能是通過相應(yīng)的管道將破損燃料儲(chǔ)存轉(zhuǎn)盤或PHT（主熱傳輸系統(tǒng)）重水泄漏收集箱中的放射性惰性氣體通過CP2壓縮機(jī)將廢氣傳輸?shù)紺D3預(yù)處理系統(tǒng)，由CP1和CD1構(gòu)成的冷卻系統(tǒng)將對(duì)CD3進(jìn)行冷卻。若溫度過高，將導(dǎo)致冷凝器除濕效果不理想，進(jìn)入活性炭吸附床7932-AD4的氣體濕度過高；若溫度過低，將導(dǎo)致管路結(jié)冰，影響系統(tǒng)氣體，經(jīng)過CD3處理后的廢氣再通過SP2（汽水分離器）和EH1（加熱絲）將氣體溫度控制在27℃后進(jìn)入AD4（活性炭吸附床），活性炭吸附床吸附惰性氣體減少其半衰期后，減少向環(huán)境的排放。

圖1 縮機(jī)控制邏輯圖Fig.1 Logic diagram of shrinkage control

1.2 壓縮機(jī)控制回路邏輯分析

1）7932-L10液位高，當(dāng)液位值高于75%時(shí)，觸發(fā)3CR繼電器動(dòng)作，進(jìn)而使3CR觸點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)停運(yùn)。

2）7932-L10液位低，當(dāng)液位值低于25%時(shí)，觸發(fā)4CR繼電器動(dòng)作，4CR觸點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)停運(yùn)。

3）67932-FV16位置開關(guān)67932-ZSC-16觸點(diǎn)閉合，2CR繼電器動(dòng)作，使2CR常閉觸點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致壓縮機(jī)停運(yùn)。

4）熱繼電器OL因過熱動(dòng)作，OL常閉觸點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)停運(yùn)。

2 故障分析及排查

廢氣處理系統(tǒng)投運(yùn)近一個(gè)月以來，多次出現(xiàn)壓縮機(jī)停運(yùn)故障，導(dǎo)致廢氣處理系統(tǒng)不可用，無法將堆芯破損燃料惰性氣體和主熱傳輸系統(tǒng)重水泄漏收集箱惰性氣體有效排出，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。進(jìn)而對(duì)近期廢氣處理系統(tǒng)壓縮機(jī)停運(yùn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 壓縮機(jī)歷史缺陷統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Statistics of historical defects of compressor

從缺陷統(tǒng)計(jì)情況來看，廢氣處理系統(tǒng)壓縮機(jī)停運(yùn)均為控制回路故障所導(dǎo)致。通過現(xiàn)場(chǎng)勘探和運(yùn)行參數(shù)查看，發(fā)現(xiàn)是液位變送器低報(bào)和閥門限位開關(guān)誤動(dòng)所導(dǎo)致。廢氣處理系統(tǒng)壓縮機(jī)停運(yùn)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)和設(shè)備問題，受多個(gè)因素的影響。結(jié)合系統(tǒng)流程圖和壓縮機(jī)控制邏輯及維修人員的檢修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)造成“壓縮機(jī)停運(yùn)”的缺陷進(jìn)行深入的分析和研究[3-8]，得出以下結(jié)論，見圖3。

圖3 根本原因分析關(guān)聯(lián)圖Fig.3 Correlation diagram of root cause analysis

2.1 液位變送器控制回路接線松動(dòng)

現(xiàn)場(chǎng)所安裝為1151型號(hào)壓差變送器，電容式壓力（壓差）變送器[2]唯一可動(dòng)部件是測(cè)量膜片，利用測(cè)量膜片的微位移產(chǎn)生的電容量的變化，經(jīng)過轉(zhuǎn)化電路將其轉(zhuǎn)化為4mA～20mA 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。如接線回路松動(dòng)，相當(dāng)于接觸處是一個(gè)較大的電阻，電流在接觸處做功較多，輸出電流減小，導(dǎo)致液位測(cè)量結(jié)果低于實(shí)際測(cè)量值，造成液位變送器產(chǎn)生低報(bào)。

根據(jù)INTEC圖紙接線情況，該變送器接線端子回路分別從變送器本體引出后，通過兩個(gè)中轉(zhuǎn)箱后到達(dá)S-328房間的CDF架上，經(jīng)過CDF架轉(zhuǎn)接引至DCC房間的對(duì)應(yīng)AI信號(hào)中，如力矩小會(huì)使接線端子松動(dòng)造成信號(hào)傳輸異常，故對(duì)變送器回路接線端子力矩大小進(jìn)行檢查和確認(rèn)，數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 接線端檢查記錄表Table 1 Terminal inspection record

變送器經(jīng)過的5個(gè)地方的接線均滿足接線端子外觀正常，使用力矩螺絲刀確認(rèn)接線端子力矩均為0.5Nm，檢查結(jié)果接線緊固，未出現(xiàn)接線端子松動(dòng)情況。

2.2 液位變送器負(fù)壓側(cè)有凝結(jié)水

此系統(tǒng)所用的液位變送器采用“干腿”方式測(cè)量，變送器的負(fù)壓側(cè)取壓管安裝在冷凝器的底部且于正壓測(cè)管線。在系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，溫度升高，氣體液化，變送器負(fù)壓側(cè)取壓管線內(nèi)濕度較高，使液位變送器的負(fù)壓側(cè)有小量的凝結(jié)水，導(dǎo)致負(fù)壓側(cè)的壓力升高，使變送器的壓差減少，液位輸出電流值減小，進(jìn)而液位降低。針對(duì)此類猜想，對(duì)變送器負(fù)壓側(cè)疏水閥進(jìn)行疏水，但并未有冷凝水流出。

如有此類狀況，可以通過打開液位變送器的低壓側(cè)的疏水閥對(duì)低壓側(cè)進(jìn)行疏水來恢復(fù)變送器的正常指示。當(dāng)液位變送器的低壓側(cè)的取壓管線有U型管段產(chǎn)生水封時(shí)，通過對(duì)其取壓管線反沖氣并修改其管線的布置位置，消除U型管段或者改成“濕腿”方式測(cè)量，就可以消除變送器產(chǎn)生低報(bào)的現(xiàn)象。

2.3 液位變送器高壓側(cè)管線泄漏或引入負(fù)壓

由密閉容器壓力計(jì)算公式可知，如果高壓側(cè)管線泄漏或者有負(fù)壓的存在會(huì)導(dǎo)致壓差降低，輸出信號(hào)減少，進(jìn)而造成液位變送器的低報(bào)。因負(fù)壓側(cè)管線如有泄漏或者受負(fù)壓的影響只會(huì)造成液位變送器的高報(bào)，因此此處不考慮負(fù)壓的影響。

維修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘探并未發(fā)現(xiàn)液位變送器正壓側(cè)管線有泄漏，但是經(jīng)過摸排發(fā)現(xiàn)廢氣處理系統(tǒng)的正壓側(cè)疏水管線接到了重水升級(jí)系統(tǒng)收集箱里，重水升級(jí)系統(tǒng)為負(fù)壓，干燥器切換特別是在干燥床模式切換時(shí)，壓力會(huì)存在較大波動(dòng)。維修人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，將液位變送器正壓側(cè)連接壓力變送器（量程-10 KPa～26KPa/輸出0.9 V～4.5V）和記錄儀后，對(duì)引入的負(fù)壓進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4。

圖4 負(fù)壓檢測(cè)示意圖Fig.4 Schematic diagram of negative pressure detection

現(xiàn)場(chǎng)液位變送器正壓側(cè)引入負(fù)壓的范圍在1.9V～2.32V，換算壓力為0 kPa～4.2kPa。根據(jù)測(cè)量和計(jì)算，引入最大4.2KPa的負(fù)壓，冷凝器下游液位變送器量程為0KPa～23.33KPa，4.2kPa負(fù)壓相當(dāng)于變送器量程的18%。因?yàn)橐何坏陀?5%時(shí)會(huì)產(chǎn)生低報(bào)，引入4.2kPa的負(fù)壓后，變送器液位在43%及以下時(shí)，都會(huì)使變送器產(chǎn)生低報(bào)，導(dǎo)致壓縮機(jī)異常停運(yùn)。根據(jù)運(yùn)行手冊(cè)要求液位變送器正常液位維持在35%，如果液位過高會(huì)影響進(jìn)入吸附床的惰性氣體濕度過高，進(jìn)而影響吸附床對(duì)惰性氣體的吸收效果。所以說，液位變送器正壓側(cè)引入重水升級(jí)系統(tǒng)是造成變送器低報(bào)的原因。

2.4 行程開關(guān)復(fù)位彈簧卡澀

廢氣處理系統(tǒng)所用滾輪式行程開關(guān)[1]（見圖5），正常情況下，當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的擋板壓到行程開關(guān)的滾輪時(shí)，傳動(dòng)桿連同轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)，使凸輪推動(dòng)撞塊。當(dāng)撞塊壓到一定位置時(shí)，推動(dòng)微動(dòng)開關(guān)快速動(dòng)作。當(dāng)滾輪上的擋鐵移開后，復(fù)位彈簧就使行程開關(guān)復(fù)位。控制邏輯上，閥門在處于開啟狀態(tài)時(shí)，其行程開關(guān)需要處于脫開狀態(tài)，否則會(huì)觸發(fā)壓縮機(jī)停運(yùn)。造成這種原因的可能有限位開關(guān)彈簧卡澀，導(dǎo)致閥門開啟，而限位開關(guān)沒有動(dòng)作，壓縮機(jī)接收不到限位開關(guān)的動(dòng)作信號(hào)進(jìn)而始終保持在停運(yùn)無法開啟。維修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過反復(fù)手動(dòng)動(dòng)作行程開關(guān)滾輪，并未出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。當(dāng)動(dòng)作到位后有明顯的咔噠聲，證明行程開關(guān)復(fù)位彈簧性能完好。

圖5 滾輪行程開關(guān)原理圖Fig.5 Schematic diagram of roller travel switch

2.5 氣動(dòng)放大器堵塞

廢氣處理系統(tǒng)所采用的是DVC6000定位器，其工作原理如圖6。輸入4mA～20mA信號(hào)經(jīng)過電路板數(shù)字化處理并轉(zhuǎn)換為模擬I/P驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，I/P驅(qū)動(dòng)信號(hào)也隨之增大，I/P轉(zhuǎn)換器的輸出氣壓被送到氣動(dòng)放大器，將該氣壓信號(hào)放大送至A、B兩路氣壓輸出。隨著（4mA～20m）ADC信號(hào)的增加（減少），輸出A口的氣壓會(huì)相應(yīng)增加（減少），輸出B口的氣壓會(huì)相應(yīng)減少（增加）。行程傳感器通過反饋機(jī)構(gòu)檢測(cè)閥的行程位置并與輸入比較，達(dá)到調(diào)整輸出A、B口氣壓使定位器準(zhǔn)確定位的目的。如氣動(dòng)放大器堵塞會(huì)造成輸入信號(hào)與輸出信號(hào)不成比列，閥門行程失去線性，進(jìn)而會(huì)帶動(dòng)行程開關(guān)產(chǎn)生誤動(dòng)。在檢查其他閥門附件，設(shè)定值滿足要求和管線都沒有泄漏的情況下，連接HART475進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)標(biāo)定，并未出現(xiàn)異常，符合標(biāo)定要求，證明放大器沒有出現(xiàn)堵塞，閥門及附件功能良好。如輸出異?？梢詫?duì)放大器充氣，將內(nèi)部東西吹掃出來，可以解決此類現(xiàn)象。

圖6 DVC6000智能定位器工作原理圖Fig.6 Working principle diagram of DVC6000 intelligent positioner

2.6 反饋臂與執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿連接處松動(dòng)

正常情況安裝調(diào)試時(shí)，首先輸入電流在12mA，反饋臂與執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿成90°直角后，使用HART475對(duì)定位器進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定，并且之后也保持這種狀態(tài)。但是如果反饋臂與執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿連接處松動(dòng)，反饋回路引入死區(qū)增大，定位器輸出誤差就會(huì)增大。

針對(duì)以上可能原因，首先針對(duì)反饋壁與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接桿進(jìn)行檢查，當(dāng)閥門行程在50%時(shí)，反饋臂與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接桿成90°直角，滿足要求。

2.7 壓縮機(jī)出口流量低

閥門安裝于壓縮機(jī)入口上方，閥門開度受壓縮機(jī)出口氣體流量控制。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)流量瞬態(tài)時(shí)，閥門就會(huì)有相應(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)，即關(guān)閥或者開閥。由于是小流量運(yùn)行工況，正常運(yùn)行時(shí)，閥門開度就很?。?mm左右）。這樣在瞬態(tài)響應(yīng)過程中可能觸發(fā)行程開關(guān)動(dòng)作，觸發(fā)壓縮機(jī)停運(yùn)邏輯，在5min延時(shí)后，閥門雖又開啟，但在其開度小于限位開關(guān)3.3mm死區(qū)的情況下，壓縮機(jī)停運(yùn)邏輯仍處于閉鎖狀態(tài)，即壓縮機(jī)仍在停運(yùn)狀態(tài)。經(jīng)查，從機(jī)組運(yùn)行以來，在此次缺陷之前，從未發(fā)生過此類現(xiàn)象。且此現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間剛好是在變更（廢氣處理系統(tǒng)液位變送器正壓側(cè)疏水管線連接到重水升級(jí)系統(tǒng)）實(shí)施完成投運(yùn)后，因此可以初步判定是此變更向廢氣處理系統(tǒng)引入了瞬態(tài)，導(dǎo)致了壓縮機(jī)停運(yùn)。變更前，變送器正壓測(cè)下游疏水管線是對(duì)空的，壓力恒定。變更后，由于重水升級(jí)系統(tǒng)為負(fù)壓，且壓力不恒定，特別是在重水升級(jí)系統(tǒng)干燥床模式切換時(shí)，壓力會(huì)存在較大波動(dòng)，從而引發(fā)了廢氣處理系統(tǒng)流量波動(dòng)，并導(dǎo)致了壓縮機(jī)異常停運(yùn)。

表2 壓縮機(jī)出口流量設(shè)定統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of compressor outlet flow setting

綜上所述，故障查找結(jié)果如下：

1）液位變送器控制回路接線松動(dòng)，閥門行程開關(guān)復(fù)位彈簧卡澀，液位變送器負(fù)壓側(cè)有凝結(jié)水，氣動(dòng)放大器堵塞，反饋臂與執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿連接松動(dòng)。

2）其中，變送器正壓側(cè)引入負(fù)壓和壓縮機(jī)出口流量低為主要原因。

3 處理措施及效果

根據(jù)以上分析得出造成壓縮機(jī)停運(yùn)的主要原因是系統(tǒng)變更將廢氣處理系統(tǒng)液位變送器正壓側(cè)疏水管線連接到重水升級(jí)系統(tǒng)，引入了負(fù)壓和瞬態(tài)，造成了液位變送器低報(bào)和閥門行程開關(guān)誤動(dòng)的缺陷。將液位變送器正壓側(cè)疏水管線連接到重水升級(jí)系統(tǒng)的儲(chǔ)存罐中的變更必要性較強(qiáng)，因?yàn)閺U氣處理系統(tǒng)內(nèi)所傳輸?shù)臍怏w存在惰性氣體，冷凝下來的水含有部分有害物質(zhì)，如果排放在廠房?jī)?nèi)會(huì)造成廠房?jī)?nèi)空氣質(zhì)量下降，危害工作人員的身體健康。所以維修人員通過對(duì)系統(tǒng)的深入調(diào)研分析，最終在不改變?cè)械脑O(shè)計(jì)理念和電廠安全運(yùn)行的前提下，制定了如下的解決措施。

3.1 解決措施

1）增加正壓測(cè)疏水管線高度，平衡掉負(fù)壓的影響。

圖7 U型管現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖Fig.7 Field installation diagram of U-shaped pipe

通過設(shè)計(jì)修改，在閥門出口處，通過卡套連接，向上安裝一段倒“U”型管，高度約20cm左右，以增加倒U型管水位高度，抵消干燥器切換時(shí)壓力變化的影響。

2）增加壓縮機(jī)出口流量，增大閥門行程，解決掉系統(tǒng)瞬態(tài)影響。

現(xiàn)場(chǎng)通過更改壓縮機(jī)出口流量設(shè)定值來判斷系統(tǒng)運(yùn)行工況瞬態(tài)造成閥門限位開關(guān)誤動(dòng)的影響。

正常單回路氣體流量在0.5 SCFM～1SCFM，閥門能正常運(yùn)行，但是經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)得出結(jié)論是壓縮機(jī)出口流量達(dá)≥1.2SCFM時(shí)限位開關(guān)才不會(huì)誤動(dòng)，所以將壓縮機(jī)出口流量設(shè)定在1.2 SCFM～1.5SCFM，故擬開發(fā)糾正行動(dòng)，修改運(yùn)行規(guī)程小流量運(yùn)行設(shè)定值范圍為1.2 SCFM～1.5SCFM，此流量范圍修改未超出設(shè)計(jì)范圍（0 SCFM～6SCFM），故對(duì)廢氣處理系統(tǒng)活性炭的影響也在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

3.2 效果檢查

經(jīng)過上述解決措施整改后，廢氣處理系統(tǒng)順利啟動(dòng)，并穩(wěn)定運(yùn)行，并未出現(xiàn)變送器報(bào)警和閥門行程開關(guān)誤動(dòng)導(dǎo)致壓縮機(jī)停運(yùn)的現(xiàn)象，一切數(shù)據(jù)檢測(cè)在合理范圍內(nèi)，確認(rèn)故障消除。

4 總結(jié)

本文從廢氣處理系統(tǒng)壓縮機(jī)停運(yùn)故障后表象進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)查分析，并從系統(tǒng)運(yùn)行、控制邏輯、設(shè)備原理進(jìn)行詳細(xì)的分析論證，找出了可能導(dǎo)致壓縮機(jī)停運(yùn)的多種原因，并逐步進(jìn)行驗(yàn)證排查，確認(rèn)了造成廢氣處理系統(tǒng)壓縮機(jī)停運(yùn)的根本原因，再根據(jù)分析壓縮機(jī)停運(yùn)的故障后，可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)故障原因定位，并對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行檢修，減少了故障定位的時(shí)間。在原有變更重要性強(qiáng)，但原有變更導(dǎo)致壓縮機(jī)停運(yùn)的前提下，在系統(tǒng)和設(shè)備及技術(shù)文件都滿足要求的情況下，制定了有效的解決措施，并成功消除了故障，保證廢氣處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行和保障了廠房空氣質(zhì)量環(huán)境。