精處理旁路閥故障診斷及改造

靳江濤 劉少偉

（中核核電運行管理有限公司三廠 浙江海鹽）

2008年12月，2#機組因凝結水精處理混床旁路流量控制閥2-64324-FCV6010定位器故障，導致該閥門關閉，凝結水回路喪失凝結水，2#機組停機。此次2#機組意外停機的直接原因是精處理系統混床旁路流量控制閥2-64324-FCV6010故障關閉，導致機組失去凝結水而被迫停機。

一、凝結水系統介紹

蒸汽在汽機里做功后經CCW冷凝成凝結水，積聚在凝汽器底部（凝汽器熱阱），凝汽器熱阱里的凝結水經主凝泵送經軸封冷卻器（管側）、除氧器液位控制閥、低加疏水冷卻器（管側）、1#/2#/3#低加（管側）后，到達除氧器。凝汽器發生泄漏時，凝結水需要通過凝結水精處理系統進行凈化處理，確保蒸汽發生器的排污水品質，維持機組滿功率或高功率運行。凝結水系統流程示意圖見圖1。

二、精處理混床旁路流量控制閥故障診斷

1.凝結水精處理系統混床旁路流量控制閥故障及檢查

圖1 凝結水系統流程示意圖

為確認是否由于閥門機械部分卡死導致閥門無法打開，在凝結水管線內部無壓力的情況下，對氣動執行機構各連桿，傳動軸進行了檢查。連桿及傳動軸動作靈活，無卡澀現象，未發現執行機構卡死導致閥門無法動作的現象。對雙作用氣動頭的氣缸進行解體，氣缸內壁光滑，氣缸密封圈密封較好，未發現漏氣現象，并且氣缸活塞活動正常，略微用力就可推動氣缸活塞帶動閥門動作。由此判斷閥門、氣動執行機構部件和氣動頭均工作正常，閥門和驅動機構等主要機械設備不會導致此次混床旁路控制閥意外關閉。

2.精處理混床旁路流量控制閥故障原因分析

在排除了氣動執行機構及閥門本體機械部分存在故障后，重點對氣動頭控制回路進行檢查。檢查確定混床旁路流量控制閥故障是由于氣動頭定位器故障所致。定位器故障導致定位器內部氣源回路輸出錯誤，導致閥門意外關閉。引起定位器故障的原因主要包括3個方面。

（1）定位器儀表壓空回路未加裝過濾器。儀表壓空經母管分配后直接進入定位器，如果氣源品質達不到要求，或者儀表壓空管道內含有塵埃等粒子，長期積累會堵塞定位器內部的氣源管線，由于此管線內徑非常細，堵塞后易造成定位器失控，導致閥門狀態無法控制。

（2）定位器儀表壓空回路未安裝減壓閥。儀表壓空管線從氣站至定位器的壓空管線上未安裝減壓閥，氣源未經減壓直接進入定位器，秦山三期儀表壓空壓力一般＞800 kPa，由于精處理廠房靠近空機壓廠房，經觀察，此處的儀表壓空壓力經常在900 kPa左右。閥門定位器要求的輸入壓力＜800 kPa（故障定位器銘牌上的氣源壓力要求），由于定位器供氣氣站后面沒有加裝減壓閥，未經減壓的儀表壓空氣源直接供氣給定位器。造成定位器長期工作在氣源輸入壓力的上限，并且在超壓情況下工作。而定位器氣源輸入壓力一般控制在400～800 kPa，最佳的工作壓力500 kPa。定位器輸入氣源壓力長期超壓，也容易使定位器產生故障。

（3）定位器缺乏預防性維修。由于凝結水系統最初運行模式是通過旁路閥43210-V4625循環，所以凝結水精處理系統作為備用系統而未被重視，凝結水精處理系統未編制預防性維修大綱，精處理系統設備主要以缺陷性檢修為主。2003年凝結水回路運行模式改為通過精處理系統混床旁路流量控制閥64324-FCV6010進行循環后，流量控制閥64324-FCV6010閥門、氣動執行機構一直未進行過任何檢查及預防性維護，定位器等儀控部件也未進行標定及檢查，設備的長期服役并缺少預防性維護加大了設備故障的可能性。

故障閥門執行機構使用的是雙作用氣動頭，雙作用氣動頭在工作時始終需要儀表壓空氣源給氣動頭提供動力，氣缸活塞兩側始終存在平衡性壓縮空氣，使氣缸保持在需要的開度，一旦氣源喪失或者定位器失去控制信號，氣動頭氣缸內的壓縮空氣壓力會隨時間的延長而逐步減小，而且氣動頭沒有備用儀表壓空氣源供給，當低于一定壓力時，如果閥門管道內流體流速較高，流體流動時產生的流向力會施加于蝶閥的閥板上，使失去氣動頭控制的閥板開度產生變化，閥門的開度無法得到保證，也有可能會造成閥門的意外關閉。并且由于凝結水系統壓力在2～2.5 MPa，高壓力下閥門一旦關閉卡死，閥門將很難再打開。根據以上分析確認，目前使用的雙作用氣缸安全性較低，并且故障閥門驅動機構雙作用氣動頭沒有配置備用儀表壓空氣源，安全性能較差。無法保證閥門驅動機構在失去儀表壓空和定位器失去控制信號等情況下將閥門保持在開的位置，以保證凝結水系統運行的安全性。

三、氣動執行機構通過變更解決系統存在的安全隱患

為徹底解決混床旁路流量控制閥存在的安全隱患，提高設備可靠性和操作便利性，最終決定通過變更使用彈簧復位式氣動頭替代目前使用的雙作用氣動頭，提高設備運行的安全性，將運行風險降至最低。并使用智能型定位器替代目前使用的機械式定位器。同時對凝結水系統手動閥43210-V4625進行變更改造，將閥門由手動閥變更為電動閥，提高閥門操作的便利性。

1.使用彈簧復位式氣動頭替代雙作用氣動頭的變更

使用彈簧復位式氣動頭替代閥門64324-FCV6010使用的雙作用氣動頭，閥門在彈簧作用下保持常開狀態，氣動頭氣缸內沒有儀表壓空氣體作用，這樣即使氣動頭在失去氣源的情況下也會由于彈簧力作用的存在，將閥門置于常開位置，只有閥門定位器在收到控制盤來的控制信號時，氣動頭氣缸才會在氣源壓力的作用下，將閥門置于需要的開度。

彈簧復位式氣動頭在閥門開啟過程中依靠彈簧力的作用將閥門置于打開狀態，閥門的開度受定位器輸入信號限制，定位器輸入4～20 mA電流信號，對應閥門開度是100%～0。氣缸在沒有儀表壓空輸入的情況下，依靠彈簧力將閥門置于全開位置（圖2）。閥門的開度受定位器輸入信號控制，定位器根據開度需要，將電流信號轉換成氣源壓力信號作用于氣動頭氣缸，當閥門開度沒有達到控制開度要求時，定位器不斷地將壓縮空氣輸入氣動頭氣缸，使氣缸氣源輸入側壓力逐漸增大，以克服彈簧產生的阻力，并推動氣缸活塞向彈簧側移動。當定位器探測到閥門開度已經達到開度要求時，定位器切斷輸送至氣缸的壓縮空氣。保持氣缸內的氣壓與彈簧產生的壓力相平衡，以達到調節的效果（圖3）。

（1）閥門扭矩計算。為保證彈簧復位式氣動頭在系統正常運行期間具有足夠的扭矩來控制閥門開度，并具備一定的安全操作裕量，需要確定打開閥門所需要的最大扭矩。閥門所產生的最大扭矩值受到多個運行參數的影響，根據凝結水系統運行主要參數，使用Metso公司氣動頭選型軟件對氣動頭進行選型，選型軟件計算結果閥門打開需要的扭矩為1531 N·m。凝結水系統運行參數，系統壓力≤2.5 MPa；系統流量≤1100 m3/h；系統介質為凝結水（除鹽水）；系統溫度≤40℃；儀表壓空壓力≤800 kPa（按400 kPa計算）。

圖2 無壓縮空氣輸入狀態下的氣動頭

將軟件計算結果與制造商JAMESBURY公司提供的閥門維修手冊對閥門的扭矩進行校對，維修手冊中閥門打開所需扭矩值在系統壓力為2.07 MPa時力矩值為1340 N·m；壓力為2.76 MPa時扭矩值為1634 N·m。由于精處理系統運行壓力＜2.5 MPa，所以在系統運行壓力2.5 MPa時，可以估算出閥門打開的扭矩值與選型軟件計算出的扭矩值與維修手冊中給出的扭矩值一致。

圖3 壓縮空氣輸入狀態下的氣動頭

（2）氣動頭選型。根據閥門開啟的最大扭矩（1531 N·m），對氣動頭進行選型。氣動頭在能夠保證順利打開閥門的同時，必須考慮一定的安全裕量，以防止系統在極端工況下閥門開啟扭矩增大，氣動頭彈簧扭矩如果安全裕量低，將無法保證閥門的順利開啟。計算軟件給出的氣動頭參考型號為B1JAU32/105。Neles公司提供的氣動頭安裝維修手冊中給出的BJA32系列氣動頭彈簧扭矩值為4745.37 N·m。

BJA32系列氣動頭彈簧產生的扭矩是閥門打開所需最大扭矩的3.1倍，彈簧的扭矩安全裕量較大，完全可以使閥門在開啟扭矩（1531 N·m）時將閥門置于打開位置。這樣就可以避免氣動頭在失去儀表壓空氣源或定位器失去控制信號的情況下（儀表壓空氣源喪失或定位器失去控制信號等情況），將精處理系統混床旁路閥64324-FCV6010置于打開位置，不可能因閥門在失去儀表壓空和定位器失去控制信號后造成閥門關閉，造成凝結水中斷的情況。保證了凝結水運行的穩定性和安全性。

氣動頭在儀表壓空壓力為480 kPa時，氣缸產生的額定扭矩為7321.428 N·m。閥門在關閉過程中不僅要克服彈簧所產生的扭矩，還需要克服閥門所產生的最大扭矩，閥門關閉所需的最大扭矩值為6276.37 N·m。閥門打開安全裕量力矩為1045.058 N·m。

氣缸所產生的關閉扭矩裕量為1045.058 N·m，這個值可以滿足閥門關閉的要求，并有充足的安全裕量。通過以上驗算，選擇型號為B1JAU32/105氣動頭可以滿足精處理混床旁路控制閥運行工況的要求。

（3）閥門定位器變更。故障定位器使用的是Metso公司生產的型號為7 NE 72 en的機械式定位器，鑒于此定位器故障會給系統運行帶來比較嚴重的后果，最終確定使用Fisher公司生產的智能式定位器FISHER DVC 6030替代現場使用的機械定位器。FISHER DVC 6030智能定位器自帶減壓閥，可對定位器輸入氣源進行減壓、過濾，且性能穩定。智能定位器采用HART通信協議，可通過使用HART通訊協議的通訊器對定位器實現現場調校及修改。現場校驗定位器使用的是HART375通信器。HART375通信器是一種便攜式的終端，它與采用HART通信協議的儀表一起使用，對其進行設定，更改和顯示，它可監控輸入、輸出值和自診斷結果。

通過對氣動頭及定位器的變更，可以有效地避免以下情況導致精處理混床旁路閥64324-FCV6010誤關閉。①定位器故障。②凝結水PLC控制系統失電或故障，導致PLC輸出到閥門定位器的信號消失，定位器失去控制信號。③氣源故障或氣動頭長期失去儀表壓空。

2.凝結水系統手動閥1-43210-V4625改為電動閥

將手動閥43210-V4625改為電動閥，并增加就地操作控制盤。在控制盤上控制閥門的開啟和關閉，將使得閥門43210-V4625的開關速度大大縮短，原來需要多人操作手動打開閥門43210-V4625約需要30 min，改為電動模式后，閥門開啟和關閉時間僅需要90 s，操作時間的大幅度縮短有利于保障系統安全運行。

3.旁路閥和手動閥變更后凝結水回路特點

（1）使用彈簧復位式氣動頭替代雙作用氣動頭，使凝結水精處理混床旁路流量控制閥64324-FCV6010故障關閉的概率降到最低。

（2）43210-V4625改為電動閥后，閥門操作便利性得到提到，開關速度大大縮短，原來需要多人操作30 min，變更后只需1人90 s即可完成閥門的打開與關閉，有利于保障系統安全運行。

（3）機組正常運行情況下旁路閥43210-V4625和精處理旁路控制閥64324-FCV6010均處于全開位置，即使一個閥門故障，另外一個閥門仍可使凝結水回路正常運行，減少了一個單點失效設備，提供了系統可靠性。

4.混床旁路控制閥變更實施后驗證試驗

混床旁路流量控制閥相關變更設備現場安裝完成后，為了驗證閥門在空載情況和正常運行工況下閥門的開啟、關閉性能是否滿足設計要求，分別對閥門在空載和正常運行工況下做了性能試驗，閥門在空載和正常運行工況時，均能夠根據PLC輸出的行程快速動作。

（1）試驗前條件建立。試驗前首先需要調整定位器氣源減壓閥設定值，使氣源輸出壓力為500 kPa。將HART375通信器與定位器連接建立通信，對定位器內部進行初始設定，保證定位器內設定參數與現場氣動頭驅動形式一致。

（2）閥門空載性能試驗。試驗條件建立后，將HART375通信器連接至定位器信號輸入端，對定位器進行標定。通過HART375給定位器加載模擬輸入信號，對閥門在空載狀態下進行性能試驗，試驗結果：閥門由全開至全閉時間為50 s；閥門由全關至全開時間為75 s；閥門由全開至50%開度時間為25 s；閥門關閉時氣源需要的最小壓力365 kPa；閥門由關閉至打開位置時，氣源需要的最小壓力為27 kPa。

通過試驗，閥門在空載時開啟、關閉均正常，閥門由全開至全閉或由全閉至全開整個過程時間基本可以在1 min左右完成，閥門響應較快。

（3）閥門正常運行工況性能試驗。為了驗證閥門在正常運行工況時能否滿足設計要求，專門編制了閥門氣動頭變更后，試驗程序9802-43240-PDMT-01638對精處理混床旁路控制閥變更后性能進行驗證。主要驗證閥門在正常運行工況下能否順利開啟和關閉，并驗證凝結水回路在雙路運行模式下當混床旁路流量控制閥43240-FCV6010或變更后旁路閥43210-MV4625任意一路閥門關閉時，凝結水通過另外一路能夠正常運行。

試驗項目主要包括：氣動頭正常運行工況下失去儀表壓空試驗；氣動頭定位器正常運行工況下失去控制信號模擬試驗；43240-FCV6010閥前、閥后帶壓（2 MPa）性能試驗；43240-FCV6010閥前帶壓（2 MPa）試驗；43240-FCV6010閥后帶壓（2 MPa）性能試驗；43240-FCV6010正常運行工況性能試驗；凝結水雙路模式運行和單路模式運行驗證。

根據變更后試驗內容，對以上項目進行了驗證，當凝結水系統運行壓力為2 MPa時，閥門在幾種實際運行工況下均可以順利開啟或關閉。閥門性能滿足設計要求，變更后試驗結果滿足系統運行要求。

四、凝結水系統運行模式變更后設備管理改進

通過凝結水精處理系統混床旁路閥43240-FCV6010和凝結水旁路閥43210-V4625運行模式變更，加強了凝結水精處理系統的設備管理和預防性維修，保證了設備的可靠性。同時設備管理處對有可能導致影響機組正常運行的單點失效設備進行了篩選，對單點失效設備專門制定了SPV(單點失效設備)清單，對SPV點進行分析。

通過對此次精處理系統混床旁路流量控制閥2-64324-FCV6010故障關閉事件的處理及分析，精處理系統設備管理得到了有效提升。

（1）混床旁路控制閥64324-FCV6010氣動頭由雙作用氣缸改為彈簧復位式氣缸，將氣動頭失氣、定位器失去控制信號等特殊情況導致閥門意外關閉的故障完全消除，提高了設備的可靠性。

（2）通過對次精處理系統混床旁路控制閥故障分析，完善了精處理系統的預防性維修大綱，將系統中的重要設備全部納入預防性維護工作中，保證了設備長期運行的可靠性。

（3）在機組正常運行情況下，旁路閥43210-V4625和精處理旁路控制閥64324-FCV6010均處于全開位置，即使一個閥門故障，另外一個閥門仍可使凝結水回路正常運行，減少了一個單點失效設備（SPV），提高了系統可靠性。

（4）將精處理系統中的混床旁路流量控制閥、混床進出口隔離閥等重要設備納入SPV點進行管理。

（5）混床旁路控制閥64324-FCV6010氣動頭由雙作用氣缸改為彈簧復位式氣缸，將氣動頭失氣、定位器失去控制信號等特殊情況導致閥門意外關閉的故障完全消除，提高了設備的可靠性。

（6）旁路閥43210-V4625改為電動閥后，閥門操作便利性得到提到，開關速度大大縮短。為精處理系統的快速投運，保證凝結水水質及電廠化學指標節約了大量時間。旁路閥43210-V4625操作機構從原來的柵格板下面延長至柵格板上面，大大方便了閥門的操作和維修。

（7）通過此次精處理系統混床旁路控制閥氣動頭變更，消除了系統中原有的潛在隱患，保障了凝結水系統運行的可靠性和安全性。

五、結論

通過混床旁路流量控制閥2-64324-FCV6010故障處理、原因分析和變更實施，精處理系統設備管理水平得到提升，精處理系統重要設備納入了預防性維修計劃中，設備狀況做到了可知可控。消除了凝結水系統設備在設備管理、設備維護、設備預防性維修以及凝結水系統運行等方面存在的較多隱患，凝結水系統設備可靠性和系統可靠性提高。