CPR1000核電機組下泄溫度異常原因分析及措施

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 352000)

核電站化學和容積控制系統(RCV)的下泄溫度是通過調節閥(RRI155 VN)來控制冷卻水的流量來保證其在一定范圍內運行，如圖1所示。RCV系統下泄溫度設定值為35 ℃，當RCV下泄溫度小于設定值時，需要降低設備冷卻水系統(RRI)流量，關小RRI155 VN;RCV下泄溫度超過設定值時，則需要開大RRI155 VN，加大冷卻流量，保證RCV下泄回路溫度控制在35 ℃左右。

圖1 下泄回路工藝流程Fig.1 Letdown line process

1 故障現象及風險分析

2016年9月1日至13日，下泄回路熱交換器(N4RCV002RF)出口溫度(N4RCV002 MT)瞬間波動超過56 ℃達7次，最高達到57.6 ℃，影響系統的安全運行。從歷史數據中發現該問題自調試以來一直存在。經分析，該問題對機組運行的主要風險有：

1)溫度高于57 ℃時將旁路除鹽床。如果下泄溫度超過60 ℃而未自動旁路除鹽床，將會導致樹脂損壞，進而影響一回路水質的調節與控制，有導致機組后撤的風險；

2)下泄溫度超過80 ℃，將對下游濾芯造成損壞，進而影響系統的水質，有雜質進入主泵軸封的風險；

3)下泄溫度超過109.5 ℃，將導致下泄隔離；

4)下泄溫度過高，還可能導致軸封泄漏異常，不利于主泵的穩定運行；

5)下泄溫度高降低了RCV泵的有效氣蝕余量，造成RCV泵氣蝕的風險；

6)下泄溫度變化導致除鹽床硼析出或吸收，可能導致一回路功率、溫度、溫度控制棒的波動。

2 原因分析及處理

(1)PI調節器參數優化

如圖2所示，在2016年9月13日15:58分，下泄溫度為33.73 ℃，閥門指令為22.03%，由于該溫度低于設定值35 ℃，所以在積分的作用下，閥門的指令會繼續減小。至16:30閥門指令減至13.06%，而下泄溫度不改變，說明實際閥門未動作。然后在積分的繼續作用下，閥門突然關小，導致冷卻水流量突然改變，致使溫度快速升高。

圖2 下泄溫度調節閥調節異常Fig.2 Abnormal temperature of the letdown line

為了克服閥門的缺陷，對該閥門PI調節參數進行了優化，把積分作用功能取消。即：由原來的Kp=0.68、Ti=700 s，優化成Kp=1.3、Ti=10 000 s。優化后溫度波動的頻率明顯減少。

(2)閥門電氣轉換器(E/P)部件性能診斷

雖然波動頻率減少了，但偶爾的波動還是會影響機組的正常運行。所以決定先把閥門手動搖至固定的開度，對閥門的儀控部件進行檢查。2016年9月19日，利用閥門診斷儀FLOW-SCANER對E/P、定位器等部件進行檢測，發現E/P存在輸出氣壓不能很好跟隨指令的情況。如圖3所示，閥門指令從16.878 mA增加至17.541 mA，而壓力從0.849 Bar增加到0.859 Bar。

圖3 8007 E/P的測試曲線Fig.3 The performance curve of E/P 8007

該E/P采用的是梅索里蘭的8007型號。結合其他基地電站的情況，也發現該類型的定位器存在一些問題：氣流量小，輕微泄漏將導致輸出大幅變化和波動；可調性差，調整范圍小，調整困難；結構復雜，故障點多。 所以決定對E/P進行替代換型，把E/P換成型號為艾默生-費希爾生產的 546NS。更換后的閥門E/P性能曲線如圖4所示。對E/P更換后，在下泄雙孔板運行時故障現象基本消除。但在下泄模式由雙孔板轉變成單孔板運行時，又出現溫度異常波動的情況。

圖4 546NS E/P的測試曲線Fig.4 The performance curve of E/P 546NS

(3)單孔板運行模式下泄溫度異常原因分析及處理

在2016年9月19日，更換E/P后,閥門運行至10月25日，未見異常。當時運行的工況是，下泄為雙孔板運行，下泄流量(4RCV005MD)為25.6 t/h，閥門的開度在34%～38%。10月25日，運行人員改變了運行方式，切為單孔板運行，下泄流量4RCV005MD變為13.6 t/h，閥門的開度在23%～32%，下泄溫度又偶爾出現異常波動。

先從閥門的結構，該閥門的RIN碼為BANDBC0100-J。即：閥類型為蝶形控制閥，閥體材料為316 L、150磅級、閥座密封同閥體，閥瓣密封為不銹鋼，連接方式為法蘭連接，RCC-M等級為3級，閥門事故情況為開啟狀態。再從閥門的流量特性曲線發現閥門在低指令時閥門的流量特性變化不明顯,如圖5所示。然而4RRI155VN閥門在下泄為單孔板運行時，閥門的開度指令較低。所以，閥門就會出現當指令增加時，流量變化不明顯，響應不及時的情況。

圖5 RRI155VN的流量特性曲線Fig.5 The flow characteristic curve of RRI155VN

在機組大修時，對閥門進行整體性能診斷，發現閥門機械死區偏大，閥門不能跟隨指令動作。對氣缸式氣動頭進行解體檢查發現：活塞板下方有27根直徑約15 mm、高約250 mm的小彈簧，密集的擺放在一起，間距很小，部分彈簧存在互相交錯的情況。且小彈簧壓縮量很大，約150 mm，由于導向柱較短，壓縮過程中部分彈簧存在明顯的彎曲和互相擠壓的情況。閥門開度越小，這種現象越嚴重。綜上分析，閥門小開度調節性能不佳的根本原因是氣缸式氣動頭內小彈簧在受壓縮后出現局部摩擦導致。

這也就印證了閥門指令增加后，然而溫度一直不變化。直到指令改變量超過5%時，閥門突然開啟，導致冷卻水流量的突變，使溫度出現大幅度波動。后經更換閥門執行機構，將氣缸式氣動頭替代為隔膜式氣動頭閥門的調節特性明顯得到改善，如圖6所示。

圖6 優化后的調節曲線Fig.6 The optimized regulation curve

另外，從設計手冊中可以獲知，此閥門要滿足機組在多種工況下具備調節功能，正常運行時RRI系統設計流量為28 t/h，最大下泄工況時RRI側設計流量為135 t/h。這也導致閥門的選型受限。

3 結論

歷時3年持續跟蹤分析，確定4號機下泄溫度異常波動的原因是一個綜合故障。通過優化PID參數，使閥門的異常波動頻率得到減緩；閥門在高指令時實際開度不能跟隨遠方指令的原因為閥門E/P存在異常，通過物項替代更換了E/P，把原來的梅索里蘭生產的型號為8007的E/P更換成費希爾的 546NS；閥門在低指令時特性不好的原因是閥門的執行機構存在問題，通過把氣缸式氣動頭替代為隔膜式氣動頭閥門，以克服閥門的機械死區過大的問題；另外，系統設計也有待優化，建議在后續的新建機組增加旁路調節閥以提高系統在低流量時的調節特性。