秦山二期REA系統自動補給跳閘問題原因分析與解決

苑景凱，邱　波，王友森，張偉強

秦山二期REA系統自動補給跳閘問題原因分析與解決

苑景凱，邱波，王友森，張偉強

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

秦山二期1號機組自2018年9月以來，反應堆硼和水補給系統（REA）存在自動補給因硼酸流量不一致延時30s跳閘的故障。自動補給故障不能運行將導致容積控制箱液位低時無法得到自動補給進而影響反應堆一回路水裝量。文章通過故障樹分析法結合REA系統設備運行控制原理及電磁流量計的原理，通過現場一系列數據分析、試驗，最終確定導致REA系統自動補給因硼酸流量不一致跳閘的根本原因是氣動蝶閥1REA015VD開啟時間設置不合理導致硼酸回路被搶流。通過適當調節延長1REA015VD開啟時間有效解決了該疑難問題，確保了核電機組安全穩定運行，值得在同類電站相似問題中進行推廣。

REA系統；自動補給；跳閘；解決

1　概述

1.1　REA系統功能介紹

核電廠反應堆硼和水補給系統（REA）如圖1所示，主要功能是制備、貯存和供應反應性控制、容積控制和化學控制所需要的各種流體，為化學和容積控制系統主要功能的實現起輔助作用，具體如下所示：

（1）容積控制：REA系統為化學和容積

控制系統（RCV）提供所需的除氧除鹽的含硼水，以補償反應堆冷卻劑系統的泄漏或補償瞬態冷卻引起的反應堆冷卻劑的收縮。

圖1　REA系統功能圖示

注：9REA005BA是硼酸配料箱，用于配置各種硼濃度硼酸的容器；RIS021BA是安全注射系統（RIS系統）用的濃硼酸波動箱；PTR001BA是反應堆換料水箱，裝有約2 200 ppm硼濃度的硼酸溶液；RCVOO2BA是RCV系統容積控制箱，裝有與反應堆一回路相同硼濃度的硼酸溶液。

（2）化學控制：REA為反應堆冷卻劑系統（RCP）制備和注入聯氨（N2H4）、氫氧化鋰等化學藥劑，以便調節反應堆冷卻劑的含氧量和pH。

（3）反應性控制：為改變RCP系統含硼水濃度，REA系統可提供硼酸溶液或除氧除鹽水，從而調節反應堆冷卻劑的硼濃度、控制反應性的慢變化。同時，REA系統還有多項輔助功能。

1.2　REA系統自動補給方式運行原理

REA系統運行包含了五種補給操作方式：慢稀釋、快稀釋、硼化、自動補給和手動補給。其中自動補給方式如圖2所示。

圖2　自動補給示意圖

操縱員根據當時反應堆一回路硼酸濃度和REA系統濃硼酸貯存箱（REA004BA）的硼濃度，計算出需要注入的硼酸流量，以便得到與一回路濃度相等的補給濃度，當RCV002BA液位計RCV012MN測得的容控箱位

低到量程的23%時，下列動作自動而且同時地進行：（1）啟動一臺除鹽水泵（REA001或002PO）；（2）啟動一臺硼酸輸送泵（REA003或004PO）；（3）打開REA015VD、018VB和RCV154VP；（4）發出允許打開REA065VB的指令，其調節器比較流量整定值和059MD測得的實際流量值，調節其開度；（5）REA015VD達到全開位置后，發出允許打開REA016VD指令，其調節器比較流量整定值和010MD測得的實際流量值，調節其開度。

當RCV012MN測得的容控箱RCV002BA水位高到量程的35.5%時，水泵和硼泵都自動停運。自動補給方式詳細的流程如圖3所示。

圖3　自動補給詳細流程

2　故障現象

2.1　故障描述

2018年某日，主控執行反應堆一回路除鋰操作，由于陽床1RCV003DE屬于新更換樹脂，因此需對其沖洗20 min，沖洗期間RCV系統要求自動補給啟動，出現硼酸流量不一致（硼酸流量實測值低于設定值）并延時30 s，觸發報警1REA500AA并跳閘現象。跳閘時一回路硼濃度大于500 ppm，自動補給需求的水流量設定值為20 m3/h，自動補給需求的硼酸流量設定值為3.6 m3/h。

主控操作改變自動補給方式至手動補給方式，依然出現硼酸流量不一致并延時30 s報警而跳閘。

主控嘗試適當降低除鹽水流量設定值至10 m3/h，此狀態下不會觸發硼酸流量不一致報警。

2.2　故障趨勢圖

如圖4所示，自動補給啟動后25s自動跳閘。硼酸流量059MD達到最大值4.2 m3/h（硼酸流量設定值為：6.3 m3/h）比水流量010MD達到最大值21 m3/h晚約13 s。

2.3　自動補給硼酸流量不一致跳閘定值

硼酸流量不一致1REA500AA報警及跳閘定值：059MD流量值與流量設定值差異大于0.3m3/h。

自動補給故障不能運行將導致容積控制箱液位低時無法得到自動補給進而影響反應堆一回路水裝量，由于缺陷的嚴重性，該缺陷被列入秦山二期機組運行十大缺陷管理。

圖4　自動補給跳閘趨勢圖

3 故障原因分析

故障頂事件：REA系統自動補給因硼酸流量不一致并延時30 s觸發報警并跳閘。

針對本缺陷，從系統工藝、儀表控制、設備本體方面進行全面梳理，同時結合REA系統現場布置，對REA系統自動補給由于硼酸流量不一致延時30 s跳閘的缺陷初步原因進行了分析，如圖5故障樹所示。

圖5　自動補給跳閘故障樹

按照上述故障樹分析，對所有故障點進行了大量的現場實際確認、試驗、排查等工作。結果整理，如表1所示。

表1 自動補給跳閘原因排查

通過對可能故障原因的排除法，將導致REA系統自動補給因硼酸流量不一致并延時30 s觸發報警并跳閘的原因鎖定在：（1）自動補給啟動后硼酸回路被搶流量；（2）REA硼酸流量計059 MD現場安裝不符合規范。

4 故障原因確認

4.1　REA硼酸流量計059 MD現場安裝不符合規范

1REA059MD為電磁流量計，測量原理是基于法拉第電磁感應定律，導電流體通過磁場作切割磁力線運動時，在垂直于磁場及流速的方向上產生感應電勢。當磁感應強度為常數時，感應電勢正比于平均流速，由兩個與介質接觸的電極檢測，傳送至轉換器轉換成標準的輸出信號。如圖6所示。

規范要求電磁流量計MD上游直管段長度不小于5D，下游側不小于2D。D為傳感器的名義直徑，以消除流動中的漩渦，改善流速場的分布，提高儀表的測量精度和穩定性。1REA059MD現場安裝如圖7所示，其上下游直管段安裝與規范相反。但根據實際情況（見圖4），059MD的讀數穩定、測量精度亦滿足讀取要求，判斷該缺陷并非自動補給跳閘的主要原因。

圖6　電磁流量計測量原理

圖7　1REA059MD現場安裝圖

4.2　自動補給啟動后硼酸回路被搶流量

現場管線的流程布置如圖8所示。根據上圖4的試驗情況，在硼酸回路壓力與除鹽水回路壓力相近的情況下，水回路先建立流量且流量較大，而硼酸回路后建立流量且要求的流量較小情況下，導致硼酸流量達不到要求值而延時30s跳閘。初步判斷除鹽水回路氣動隔離閥1REA015VD開啟過快。

圖8　現場管線流程布置

為進一步證明硼酸回路流量的建立被除鹽水回路流量所干擾，氣動隔離閥1REA015VD開啟過快，對初期試驗數據仔細分析，對自動補給運行啟動邏輯及氣動閥門設備的可調節性研究后，制定了試驗方案：測試并記錄1REA015VD實際開啟時間，并調節延長氣動隔離閥1REA015VD的開啟時間以達到延后建立除鹽水流量，而使硼酸流量先建立并穩定。試驗分兩次執行，以使試驗結果可囊括反應堆整個燃料循環期間對REA自動補給硼酸流量的需求。

1REA015VD延長開啟時間的選取：（1）運行技術規格書、安全相關系統定期試驗要求均未對1REA015VD的開啟時間有規定和限制；（2）1REA015VD閥門維修后試驗規程要求開關時間≤（16±1）s。基于上述分析，試驗方案選取1REA015VD開啟時間15 s進行試驗，允許的誤差為±1 s。

第一次試驗主要執行步驟及執行結果：

測試并記錄1REA015VD閥門的開啟時間；實際測試1REA015VD開啟時間為1 s。

①氣動閥1REA015VD屬于失氣關型，調節關小閥門的進氣速率調節閥延長其開啟時間至15 s。

根據一回路當前的硼濃度值1 178 ppm計算自動補給啟動所需要的硼酸流量為3.9 m3/h，除鹽水流量為20 m3/h。

模擬容控箱1RCV002BA低液位自動補給信號啟動自動補給。

②驗證自動補給啟動后的運行情況，試驗結果如圖9所示，未發生因硼酸流量低而不一致延時30 s跳閘的故障。

③恢復系統至試驗前的狀態。試驗結論：1REA015VD開啟時間調整至15 s后，硼酸流量計059MD先于除鹽水010MD有流量顯示，且先達到最大流量值（試驗現象與故障時的流量現象圖4相反），后自動調節穩定。未發生因硼酸流量不一致延時30 s而跳閘故障。解決了在2018年，1REA自動補給在硼酸流量需求為3.6 m3/h時即產生硼酸流量不一致延時30 s觸發跳閘的缺陷。第一次試驗確認了硼酸流量需求為3.6 m3/h及以下狀態，1REA自動補給啟動不會因硼酸流量不一致而跳閘。

圖9　試驗結果趨勢

反應堆換料后啟動初期硼濃度1 860 ppm，此時自動補給啟動所需的硼酸流量為6.7 m3/h。第二次試驗驗證硼酸流量需求最大為6.7 m3/h時自動補給是否會跳閘。為減少向反應堆一回路實施高硼酸流量自動補給試驗帶來硼化而引起功率波動影響，重新編制了與自動補給等效的驗證方案：向1PTR001BA換料水箱實施手動補給。試驗方案風險分析如表2所示。

表2 風險分析數據

續表

運行技術規格書對PTR001BA硼濃度要求2 300～2 500 ppm 風險分析結論：1. 試驗對PTR001BA的硼濃度安全無影響；2. 試驗對PTR001BA液位影響甚小

第二次試驗執行步驟及執行結果：

（1）調節關小氣動隔離閥1REA015VD的進氣速率調節閥延長其開啟時間至15 s。

（2）選取反應堆壽期初硼濃度值1 860 ppm，計算自動補給啟動所需要的硼酸流量為6.7 m3/h，除鹽水流量為20 m3/h。

（3）按照狀態在線流程圖，將現場閥門、管線在線至換料水箱1PTR001BA。

（4）主控室啟動向換料水箱1PTR001BA的手動補給。

（5）驗證手動補給啟動后的運行情況，試驗結果如圖10所示，未發生因硼酸流量低而不一致延時30 s跳閘的故障。

（6）恢復系統至試驗前的狀態。

試驗結論：1REA015VD開啟時間調整至15 s后，硼酸流量需求為6.7 m3/h及以下狀態，不會發生因硼酸流量低而發生不一致延時30 s跳閘故障。解決了反應堆壽期初高硼酸流量需求狀態下自動補給跳閘問題。

圖10　試驗結果趨勢

通過上述兩次試驗驗證，確認了自動補給啟動后高流量的除鹽水回路會影響低流量硼酸回路流量的建立與穩定。通過調節延長1REA015VD開啟時間能夠有效抑制除鹽水回路對硼酸回路流量的影響，解決自動補給因硼酸流量低而不一致延時30 s跳閘的故障。現場1REA015VD開啟時間已經調整，通過實際運行驗證，REA系統自動補給啟動正常。

5 結束語

2018年至2020年，通過近一年半的分析、查找、試驗，最終鎖定導致自動補給因硼酸流量低而不一致延時30 s跳閘故障根本原因為除鹽水回路對硼酸回路流量影響導致硼酸回路被搶流，用最簡便的方法：通過調節延長1REA015VD的開啟時間，成功解決了秦山第二核電廠十大缺陷（1REA自動補給時因硼酸流量不一致跳閘）。同時，通過本次故障點的全面梳理和排查，發現了如REA硼酸流量計059 MD現場安裝不符合規范等隱蔽問題，值得在同類電站相似問題中進行推廣。

［1］ 張濤，薛長江，秦山第二核電廠反應堆硼和水補給系統手冊［R］．2005．

［2］ 王池，王自和，流量測量技術全書［M］．北京：化學工業出版社．2012

［3］ 王貞濤，流體力學與流體機械［M］．北京：機械工業出版社．2015

［4］ 蔡武昌，馬中元，瞿過芳，等．電磁流量計［M］．北京：中國石化出版社．2004。

Cause Analysis and Solution of Automatic Supply Trip of REA System in Qinshan PhaseⅡ

YUAN Jingkai，QIU Bo，WANG Yousen，ZHANG Weiqiang

（CNNP Nuclear Power Operation Management Co.Ltd，Haiyan of Zhejiang Prov.314300，China）

Since September 2018，No.1 unit of Qinshan Phase II has been in the fault of automatic replenishment of REA system，which is triggered by 30 s delay due to inconsistent boric acid flow.As a result，when the level of volume control tank is low，automatic replenishment cannot be obtained，which affects the water load of primary circuit of the reactor.Through the fault tree analysis method，combined with the operation control principle of REA system equipment and the principle of electromagnetic flowmeter，as well as a series of data query，analysis and field test on site，the paper finally determines the root cause of automatic replenishment of REA system due to inconsistent trip of boric acid flow.The opening time setting of 1rea015vd pneumatic butterfly valve in water circuit is unreasonable，which results in the robbed flow of boric acid circuit.By properly adjusting and prolonging the opening time of 1rea015vd，the difficult problem is effectively solved，and the safe and stable operation of nuclear power units is ensured.It is worth popularizing in the similar problems of similar power plants.

REA system；Automatic supply；Tripping operation；Resolvent

TL48

A

0258-0918（2021）03-0544-08

2020-06-04

苑景凱（1983—），男，河北石家莊人，學士，核電廠高級操縱員，高級工程師，現主要從事系統設備可靠性管理方面研究