核電機組應急冷凍機組跳閘原因分析

方吉贏，胡亦磊

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山核電30萬千瓦機組應急冷凍系統為01#、02#、05#廠房空氣冷卻循環機組和05#廠房的事故送風機組提供冷凍水，應急冷凍水系統在電廠各種模式下始終保持運行狀態，作為核島廠房可靠冷源向用戶供應冷凍水。應急冷凍水系統控制電廠重要場所保持一定的溫、濕度，并在事故工況下及時將專設泵電機發出的熱量從室內帶出，以緩解事故產生的嚴重后果。秦山核電30萬千瓦應急冷凍機組采用2×100%容量的一用一備的運行方式，單臺冷凍機不可用時，另一臺應急冷凍機組進入臨時SPV設備。冷凍機組可靠性降低，專設安全設施喪失冷卻的風險增加，嚴重時將迫使電廠降功率或停機停堆。

1 設備特點

秦山核電廠冷凍水系統有兩臺100%容量的冷凍機，每臺冷凍機由離心式壓縮機、潤滑油系統、冷凝器、蒸發器、自動控制裝置等設備組成。

離心式冷凍機采用蒸汽壓縮式制冷方式，其制冷原理是通過壓縮機壓縮制冷劑蒸汽，使其壓力、溫度提高，然后通過冷卻水放熱后冷凝為高溫高壓制冷劑液體，再通過膨脹閥（或節流孔）節流，使之變為低壓、低溫的制冷劑液體，在蒸發器內蒸發為蒸汽，同時從冷凍水中獲取熱量使冷凍水溫度降低，從而達到制冷的目的。一個制冷循環包括壓縮、冷凝、節流、蒸發4個必不可少的過程。

制冷劑在蒸發器中蒸發，吸收冷凍水的熱量后，沿吸入口經導葉進入壓縮機。被壓縮機加壓后，制冷劑溫度升高，沿出口管線進入冷凝器，被冷卻水冷卻為液態后流入蒸發器，如此形成循環（圖1）。冷凍機組現運行方式采用不連續間斷運行，冷凍機組根據冷凍機出水溫度啟停，應急冷凍機組冷凍水出口溫度大于15℃時啟動冷凍機組，當應急冷凍機組冷凍水出口溫度下降至接近8℃（應急冷凍機組跳閘定值3℃，復位值7℃），停運應急冷凍機組。冷凍機組沒有油分，如引射器裝置。

圖1 冷凍機工作原理

離心式壓縮機由電機、葉輪、擴壓器、入口導葉組成，冷媒由入口導葉進入高速旋轉的葉輪，加大動能后沿葉輪半徑方向甩出，進入擴壓器，動能轉化為壓力能從而提高冷媒壓力。

機組會根據負荷大小調整入口導葉的開度，導葉容量控制的液壓系統包括4個電磁閥，有壓力的油經過過濾器后直接由電磁閥操縱。根據控制信號的顯示為有負荷或無負荷決定油的流向。開放葉片（使壓縮機負荷）則1號、3號電磁閥通電，2號、4號電磁閥斷開，使油從A方向流向活塞的另一方。關閉葉片（使壓縮機無負荷），則1號、3號電磁閥斷開，2號、4號電磁閥通電，將活塞和葉片移向無負荷的位置。當1號、2號電磁閥通電；3號、4號電磁閥斷開時油壓會直接沖擊活塞A接口和B接口，導葉控制原理如圖2所示。

圖2 導葉控制原理

2 跳閘事件描述和原因分析

2.1 跳閘事件描述

在啟動應急冷凍機組的過程中，機組啟動約15 s之后跳閘，同時在現場報警盤發出壓縮機故障報警，經過檢查現場參數沒有其他異常。

2.2 跳閘事件原因分析

根據制造廠運維手冊和機組運行規程提示，“壓縮機電機故障”可能的原因有三相電壓不平衡、電壓下降大、電氣保護繼電器誤動、電機過載等。應急冷凍機組在啟動信號發出后，應急冷卻水泵和機組油泵隨即自動聯鎖啟動，相關儀表參數顯示正常，15 s后機組壓縮機自動啟動，2～3 s后就地控制屏上觸發“壓縮機電機故障報警”，冷凍機組自動跳閘停機。

根據故障分析，導葉控制故障可能會造成電流大的現象。將能量調節裝置調整至手動狀態，試驗啟動油泵，手動調節導葉開度，現場觀察導葉開度變化與手動能量調節趨勢一致，排除導葉故障的可能。

從邏輯控制分析，故障可能出現在容量控制系統的負荷設置上。此冷凍機組是定頻壓縮機，容量控制只有通過控制進氣口導葉來調整進氣量來實現，手段單一。而秦山地區冬夏氣候溫差大，單位體積水負荷差別大，冷卻水冷凍水溫在各個季節也會出現升降。關于容量控制設置負荷參數方面，符合冬季低水溫的參數就不一定符合夏季情況，會出現負荷設置值所需的導葉開度過大，導致導葉打開時出現電流增加過快，可能會出現過電流跳機。

近年曾出現應急冷凍機壓縮機啟動20 min后發壓縮機電機故障報警，故障原因為本體上的控制能量電磁閥故障。根據故障現象和歷史情況分析，本次啟動后跳閘可能是相同原因導致。檢查相關電磁閥功能正常，排除因電磁閥造成的電流過大、壓縮機電機故障報警的可能。

根據故障分析，檢查壓縮機電機的電氣控制回路中可能存在的故障。對3E-ry繼電器（壓縮機故障報警是由于該繼電器動作后引起的跳閘）進行校驗，并校驗整流器SET-3A，校驗結果均為合格，排除了由于電氣控制回路中某些元器件誤動作導致跳閘的可能。同時可得出跳機是因為壓縮機電機過負荷所致，不是電源相電壓不平衡等原因。

查閱全自動啟動程序。當打開啟動開關時，油泵開始運行，油壓上升，開始給軸承和其他部件供油；油壓上升后約30 s內，且關閉氣流調節器后，冷水機組開始啟動；啟動后15 s內，冷水機組自動開始正常運行；達到正常運行時，流量調節閥自動打開，制冷能力增加，冷水開始冷卻。是冷水機組啟動后約30 s發生的跳閘（此處因果關系不明，且與前文“2.1跳閘事件描述”中15 s發生跳閘的描述不符，需查實確認）。查找歷史狀態報告，發現本燃料循環（C20）1#機由于油位低曾經加油3次，且未發現有外漏現象，說明潤滑油隨機組運轉進入蒸發器等設備。離心式冷凍機采用迷宮密封，充分利用離心式壓縮機高速轉動的特性，有效發揮迷宮高速轉動后的熱力學性能保證密封，同時迷宮的金屬材料不受高溫的影響。迷宮式密封比較依賴于兩端壓差，當冬季環境溫度過低和冷水出口溫度太高時導致冷凝壓力小于油壓，如果壓差時間過長，就很有可能會跑油。

另外，冬季負荷較小的情況下，冷媒壓縮比增大，冷媒氣體過熱度增大、壓力變低，不利于壓縮機迅速建立壓差，在這樣的情況下更容易發生壓縮機進液和跑油。通過壓縮機迷宮式機械密封跑油，潤滑油跟隨氟利昂進入冷凍機各個位置，導致油箱油位下降。發生故障的冷凍機技術較陳舊，沒有設置專門的在線油回收裝置，混入氟利昂系統里面的潤滑油不能自動回收。混入的潤滑油以一種游離態存在氟利昂系統里，導致氟利昂不完全氣化。當冷凍水溫較高時，機組啟動導葉迅速打開至全開，壓縮機內液化的氟利昂和混入的潤滑油產生泡沫，大量氣泡狀吸入壓縮機產生液壓縮，因此壓縮機負荷加重，運轉電流上升，導致壓縮機電機過電流停機。

3 預防措施

（1）負荷運行導致潤滑油供應過多而導致油位下降時，避免補充額外的潤滑油。

（2）調節油過濾器上部閥門以及電機軸承供油閥門使油供應和回收順暢。

（3）在正常負載下運行并且壓力穩定，則具備了潤滑油回收正常運行的條件。按國標及728院核級冷凍機設計規范書及廠家使用說明書要求，冷卻水進水溫度32℃，出水溫度37℃，冷凍水進水溫度12℃，出水溫度7℃。目前冷卻水進水溫度設定在26.5℃，設定值過低。設備調試必須在額定（標準工況）工況下進行，否則所有參數誤差太大，對設備穩定運行不利。尤其在冬季，冷卻水水溫過低將會增加設備及跑油風險。

4 結語

經處理后至今沒有再出現因類似原因造成的跳機。查尋歷史工單發現油箱油位低出現次數較高，尤其是在冬季，壓縮機電機潤滑油經常跑油至制冷劑中，導致電機過負荷跳機問題。應該避免補充額外的油并使冷卻水溫在合理區間內。