重水堆廢氣處理系統壓縮機停運原因分析及處理

譚繼勇，代濟嶺，王仕博，于 超，盧 輝

（中核核電運行管理有限公司 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以來壓縮機出現多次停運，導致廢氣處理系統無法正常運行。重水堆核電廠采用的是不停堆換料的方式，在停堆大修時核燃料仍安裝在堆芯內。本系統為公用系統，兩個機組都有各自的收集管路及隔離閥，共用一套氣體處理系統，在堆芯有破損燃料時，會有放射性的惰性氣體釋放出來。該系統尤為重要，所以當壓縮機出現停運時，導致兩個機組的放射性惰性氣體無法經過活性炭吸附床，增加了反射性惰性氣體向環境的排放量。

1 系統簡介

1.1 系統功能

在CANDU重水堆中，當堆芯有燃料破損時，會有放射性的惰性氣體釋放出來。廢氣處理系統的功能是通過相應的管道將破損燃料儲存轉盤或PHT（主熱傳輸系統）重水泄漏收集箱中的放射性惰性氣體通過CP2壓縮機將廢氣傳輸到CD3預處理系統，由CP1和CD1構成的冷卻系統將對CD3進行冷卻。若溫度過高，將導致冷凝器除濕效果不理想，進入活性炭吸附床7932-AD4的氣體濕度過高；若溫度過低，將導致管路結冰，影響系統氣體，經過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，減少向環境的排放。

圖1 縮機控制邏輯圖Fig.1 Logic diagram of shrinkage control

1.2 壓縮機控制回路邏輯分析

1）7932-L10液位高，當液位值高于75%時，觸發3CR繼電器動作，進而使3CR觸點翻轉，壓縮機停運。

2）7932-L10液位低，當液位值低于25%時，觸發4CR繼電器動作，4CR觸點翻轉，壓縮機停運。

3）67932-FV16位置開關67932-ZSC-16觸點閉合，2CR繼電器動作，使2CR常閉觸點翻轉，導致壓縮機停運。

4）熱繼電器OL因過熱動作，OL常閉觸點翻轉，壓縮機停運。

2 故障分析及排查

廢氣處理系統投運近一個月以來，多次出現壓縮機停運故障，導致廢氣處理系統不可用，無法將堆芯破損燃料惰性氣體和主熱傳輸系統重水泄漏收集箱惰性氣體有效排出，威脅機組安全運行。進而對近期廢氣處理系統壓縮機停運的數據進行統計，數據見圖2。

圖2 壓縮機歷史缺陷統計圖Fig.2 Statistics of historical defects of compressor

從缺陷統計情況來看，廢氣處理系統壓縮機停運均為控制回路故障所導致。通過現場勘探和運行參數查看，發現是液位變送器低報和閥門限位開關誤動所導致。廢氣處理系統壓縮機停運是一個較為復雜的系統和設備問題，受多個因素的影響。結合系統流程圖和壓縮機控制邏輯及維修人員的檢修經驗，對造成“壓縮機停運”的缺陷進行深入的分析和研究[3-8]，得出以下結論，見圖3。

圖3 根本原因分析關聯圖Fig.3 Correlation diagram of root cause analysis

2.1 液位變送器控制回路接線松動

現場所安裝為1151型號壓差變送器，電容式壓力（壓差）變送器[2]唯一可動部件是測量膜片，利用測量膜片的微位移產生的電容量的變化，經過轉化電路將其轉化為4mA～20mA 統一標準輸出信號。如接線回路松動，相當于接觸處是一個較大的電阻，電流在接觸處做功較多，輸出電流減小，導致液位測量結果低于實際測量值，造成液位變送器產生低報。

根據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，通過兩個中轉箱后到達S-328房間的CDF架上，經過CDF架轉接引至DCC房間的對應AI信號中，如力矩小會使接線端子松動造成信號傳輸異常，故對變送器回路接線端子力矩大小進行檢查和確認，數據結果見表1。

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

變送器經過的5個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接線端子力矩均為0.5Nm，檢查結果接線緊固，未出現接線端子松動情況。

2.2 液位變送器負壓側有凝結水

此系統所用的液位變送器采用“干腿”方式測量，變送器的負壓側取壓管安裝在冷凝器的底部且于正壓測管線。在系統長時間運行后，溫度升高，氣體液化，變送器負壓側取壓管線內濕度較高，使液位變送器的負壓側有小量的凝結水，導致負壓側的壓力升高，使變送器的壓差減少，液位輸出電流值減小，進而液位降低。針對此類猜想，對變送器負壓側疏水閥進行疏水，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的疏水閥對低壓側進行疏水來恢復變送器的正常指示。當液位變送器的低壓側的取壓管線有U型管段產生水封時，通過對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”方式測量，就可以消除變送器產生低報的現象。

2.3 液位變送器高壓側管線泄漏或引入負壓

由密閉容器壓力計算公式可知，如果高壓側管線泄漏或者有負壓的存在會導致壓差降低，輸出信號減少，進而造成液位變送器的低報。因負壓側管線如有泄漏或者受負壓的影響只會造成液位變送器的高報，因此此處不考慮負壓的影響。

維修人員進行現場勘探并未發現液位變送器正壓側管線有泄漏，但是經過摸排發現廢氣處理系統的正壓側疏水管線接到了重水升級系統收集箱里，重水升級系統為負壓，干燥器切換特別是在干燥床模式切換時，壓力會存在較大波動。維修人員在現場進行了測試，將液位變送器正壓側連接壓力變送器（量程-10 KPa～26KPa/輸出0.9 V～4.5V）和記錄儀后，對引入的負壓進行了測量，測量結果如圖4。

圖4 負壓檢測示意圖Fig.4 Schematic diagram of negative pressure detection

現場液位變送器正壓側引入負壓的范圍在1.9V～2.32V，換算壓力為0 kPa～4.2kPa。根據測量和計算，引入最大4.2KPa的負壓，冷凝器下游液位變送器量程為0KPa～23.33KPa，4.2kPa負壓相當于變送器量程的18%。因為液位低于25%時會產生低報，引入4.2kPa的負壓后，變送器液位在43%及以下時，都會使變送器產生低報，導致壓縮機異常停運。根據運行手冊要求液位變送器正常液位維持在35%，如果液位過高會影響進入吸附床的惰性氣體濕度過高，進而影響吸附床對惰性氣體的吸收效果。所以說，液位變送器正壓側引入重水升級系統是造成變送器低報的原因。

2.4 行程開關復位彈簧卡澀

廢氣處理系統所用滾輪式行程開關[1]（見圖5），正常情況下，當運動機械的擋板壓到行程開關的滾輪時，傳動桿連同轉軸一同轉動，使凸輪推動撞塊。當撞塊壓到一定位置時，推動微動開關快速動作。當滾輪上的擋鐵移開后，復位彈簧就使行程開關復位。控制邏輯上，閥門在處于開啟狀態時，其行程開關需要處于脫開狀態，否則會觸發壓縮機停運。造成這種原因的可能有限位開關彈簧卡澀，導致閥門開啟，而限位開關沒有動作，壓縮機接收不到限位開關的動作信號進而始終保持在停運無法開啟。維修人員到達現場經過反復手動動作行程開關滾輪，并未出現卡澀現象。當動作到位后有明顯的咔噠聲，證明行程開關復位彈簧性能完好。

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

2.5 氣動放大器堵塞

廢氣處理系統所采用的是DVC6000定位器，其工作原理如圖6。輸入4mA～20mA信號經過電路板數字化處理并轉換為模擬I/P驅動信號。當輸入信號增大時，I/P驅動信號也隨之增大，I/P轉換器的輸出氣壓被送到氣動放大器，將該氣壓信號放大送至A、B兩路氣壓輸出。隨著（4mA～20m）ADC信號的增加（減少），輸出A口的氣壓會相應增加（減少），輸出B口的氣壓會相應減少（增加）。行程傳感器通過反饋機構檢測閥的行程位置并與輸入比較，達到調整輸出A、B口氣壓使定位器準確定位的目的。如氣動放大器堵塞會造成輸入信號與輸出信號不成比列，閥門行程失去線性，進而會帶動行程開關產生誤動。在檢查其他閥門附件，設定值滿足要求和管線都沒有泄漏的情況下，連接HART475進行自動和手動標定，并未出現異常，符合標定要求，證明放大器沒有出現堵塞，閥門及附件功能良好。如輸出異?？梢詫Ψ糯笃鞒錃猓瑢炔繓|西吹掃出來，可以解決此類現象。

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

2.6 反饋臂與執行機構推桿連接處松動

正常情況安裝調試時，首先輸入電流在12mA，反饋臂與執行機構推桿成90°直角后，使用HART475對定位器進行自動標定，并且之后也保持這種狀態。但是如果反饋臂與執行機構推桿連接處松動，反饋回路引入死區增大，定位器輸出誤差就會增大。

針對以上可能原因，首先針對反饋壁與執行機構連接桿進行檢查，當閥門行程在50%時，反饋臂與執行機構連接桿成90°直角，滿足要求。

2.7 壓縮機出口流量低

閥門安裝于壓縮機入口上方，閥門開度受壓縮機出口氣體流量控制。當系統出現流量瞬態時，閥門就會有相應的動作響應，即關閥或者開閥。由于是小流量運行工況，正常運行時，閥門開度就很?。?mm左右）。這樣在瞬態響應過程中可能觸發行程開關動作，觸發壓縮機停運邏輯，在5min延時后，閥門雖又開啟，但在其開度小于限位開關3.3mm死區的情況下，壓縮機停運邏輯仍處于閉鎖狀態，即壓縮機仍在停運狀態。經查，從機組運行以來，在此次缺陷之前，從未發生過此類現象。且此現象發生的時間剛好是在變更（廢氣處理系統液位變送器正壓側疏水管線連接到重水升級系統）實施完成投運后，因此可以初步判定是此變更向廢氣處理系統引入了瞬態，導致了壓縮機停運。變更前，變送器正壓測下游疏水管線是對空的，壓力恒定。變更后，由于重水升級系統為負壓，且壓力不恒定，特別是在重水升級系統干燥床模式切換時，壓力會存在較大波動，從而引發了廢氣處理系統流量波動，并導致了壓縮機異常停運。

表2 壓縮機出口流量設定統計表Table 2 Statistics of compressor outlet flow setting

綜上所述，故障查找結果如下：

1）液位變送器控制回路接線松動，閥門行程開關復位彈簧卡澀，液位變送器負壓側有凝結水，氣動放大器堵塞，反饋臂與執行機構推桿連接松動。

2）其中，變送器正壓側引入負壓和壓縮機出口流量低為主要原因。

3 處理措施及效果

根據以上分析得出造成壓縮機停運的主要原因是系統變更將廢氣處理系統液位變送器正壓側疏水管線連接到重水升級系統，引入了負壓和瞬態，造成了液位變送器低報和閥門行程開關誤動的缺陷。將液位變送器正壓側疏水管線連接到重水升級系統的儲存罐中的變更必要性較強，因為廢氣處理系統內所傳輸的氣體存在惰性氣體，冷凝下來的水含有部分有害物質，如果排放在廠房內會造成廠房內空氣質量下降，危害工作人員的身體健康。所以維修人員通過對系統的深入調研分析，最終在不改變原有的設計理念和電廠安全運行的前提下，制定了如下的解決措施。

3.1 解決措施

1）增加正壓測疏水管線高度，平衡掉負壓的影響。

圖7 U型管現場安裝示意圖Fig.7 Field installation diagram of U-shaped pipe

通過設計修改，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，抵消干燥器切換時壓力變化的影響。

2）增加壓縮機出口流量，增大閥門行程，解決掉系統瞬態影響。

現場通過更改壓縮機出口流量設定值來判斷系統運行工況瞬態造成閥門限位開關誤動的影響。

正常單回路氣體流量在0.5 SCFM～1SCFM，閥門能正常運行，但是經過現場的試驗得出結論是壓縮機出口流量達≥1.2SCFM時限位開關才不會誤動，所以將壓縮機出口流量設定在1.2 SCFM～1.5SCFM，故擬開發糾正行動，修改運行規程小流量運行設定值范圍為1.2 SCFM～1.5SCFM，此流量范圍修改未超出設計范圍（0 SCFM～6SCFM），故對廢氣處理系統活性炭的影響也在設計范圍內。

3.2 效果檢查

經過上述解決措施整改后，廢氣處理系統順利啟動，并穩定運行，并未出現變送器報警和閥門行程開關誤動導致壓縮機停運的現象，一切數據檢測在合理范圍內，確認故障消除。

4 總結

本文從廢氣處理系統壓縮機停運故障后表象進行了細致的調查分析，并從系統運行、控制邏輯、設備原理進行詳細的分析論證，找出了可能導致壓縮機停運的多種原因，并逐步進行驗證排查，確認了造成廢氣處理系統壓縮機停運的根本原因，再根據分析壓縮機停運的故障后，可以快速、準確地實現對故障原因定位，并對故障設備進行檢修，減少了故障定位的時間。在原有變更重要性強，但原有變更導致壓縮機停運的前提下，在系統和設備及技術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，保證廢氣處理系統的正常運行和保障了廠房空氣質量環境。