重水堆應急堆芯冷卻系統干燥器頻繁失效分析及改進

陶伯霖，王 猛，劉 錚，林 熙，祁陸凱

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山三期（重水堆）核電站工程是國家“九五”期間重點建設項目，是中國首座商用重水堆核電站，是中國和加拿大兩國政府間迄今最大的貿易項目工程。重水堆是以重水做慢化劑的反應堆，可以直接利用天然鈾作為核燃料，采用不停堆更換燃料的技術運行。

應急堆芯冷卻系統（EMERGENCY COOLING CORE）簡稱ECC系統，是重水堆核電站的一個專設安全系統。當出現LOCA事件（堆芯冷卻劑大量喪失）時，及時并連續地向主系統中注入大量的常溫輕水，使反應堆快速降溫冷卻，避免事態擴大導致核電廠四道安全屏障完全喪失[1]。

干燥器是一種利用熱能降低物料水分的機械設備，用于對物體進行干燥操作，主要是用來收集、去除系統管路中的水分，同時過濾管道中的雜質。在現場實際運行工況中，干燥器時常會出現切換缺陷，會造成進入高壓氣箱的壓縮空氣品質下降，從而減少高壓氣箱的壽命，進而影響ECC系統高壓注射邏輯，影響了機組的安全運行。

本文以該缺陷為例，從多角度進行原因分析并加以論證，通過糾正措施提高設備可靠性，以此拓寬今后類似缺陷的檢修思路。

1 故障現象

1.1 ECC系統功能介紹

應急堆芯冷卻系統的功能是確保在事故工況下，提供足夠可靠的堆芯冷卻。即在事故工況下，當發生喪失熱阱事件時，由冷卻劑出口溫度過高信號觸發反應堆緊急停堆。

應急堆芯冷卻系統的功能實現，主要通過下列方式保證堆芯內熱量的有效導出，以防止堆芯及主系統管道的損壞：

1）及時并持續地向主系統中注入大量的常溫輕水，帶走堆芯的熱量。

2）關閉環路隔離閥、主熱傳輸系統充水閥、穩壓器隔離閥，以防止完整環路的水通過存在破口的環路流失。

3）打開主蒸汽安全閥卸壓以便促使PHTS（主熱傳輸系統）降壓，縮短ECCS高壓安注的投入時間。

4）作為一個長期熱阱，將積聚在反應堆廠房底部的水通過應急堆芯冷卻泵循環送回堆芯，帶走剩余熱量。

1.2 干燥器回路原理

干燥器是在壓縮機的出口，用于將打入高壓氣箱的空氣除濕、除油并濾除雜質。該設備由PLC控制：壓縮機運轉過程中，干燥器也一直在運行，兩個干燥塔相互切換，壓縮機停運時，干燥器轉入備用方式。

在秦山三期重水堆ECC中，ECC干燥器3432-DR1負責將來自ECC壓縮機3432-CP1的壓縮空氣進行干燥和過濾，再進入ECC高壓儲氣罐3432-TK2。

高壓氣箱的空氣供給由空氣壓縮機提供，當主控盤臺手動開關在“ON”位置或當高壓氣箱中壓力低于4.14MPa時，手動開關在“AUTO”位置使壓縮機啟動，同時送出信號給干燥器，干燥器啟動。壓縮機高壓氣體通過管道進入干燥器系統中，先通過一個預過濾器，包括一個冷凝水存儲罐和兩個電磁閥。壓縮空氣中的水分在重力作用下流經一個常開的電磁閥SV8到儲水箱。在程序中，PLC發出命令后關閉電磁閥SV8，同時打開SV9（見圖1），收集好的水分在壓縮空氣的壓力下排出，而后恢復。當壓縮機啟動后，在程序控制下疏水程序每9min運行一次，每次持續5s[2]。其后高壓氣體進入碳塔，碳塔過濾室包含活性炭用來吸收壓縮空氣中的油蒸汽，壓空從設備頂端進入，經過碳床，從底部排出。高壓氣體通過一個三通閥流經Tower#1（Tower#2處于隔離狀態）吸收高壓空氣中的水分，含有水分的壓空從塔頂進入。水分被吸收，干燥的空氣從底部出來，經過一個后置過濾器過濾其中的雜質顆粒，防止堵塞管道，最后高壓氣體進入高壓氣罐中。

圖1 ECC系統干燥器流程圖Fig.1 Flow chart of ECC system dryer

主要部件功能：

1）預過濾器（PRE-FILTER）：主要作用是從壓縮空氣中分離冷凝水，主要包括一個冷凝水的儲藏罐和兩個電磁閥。在干燥塔故障時，可以通過旁路管線上的針型閥NV3來進行手動排水。

2）碳塔（CARBON TOWER）：碳塔的過濾室中包含活性炭用來吸收壓縮空氣中的油蒸氣，含油的壓空從塔頂進入，經過碳床從底部排出。

3）干燥塔（DRYING TOWER）：吸收壓縮空氣中的水分，含有水氣的壓空從塔頂進入，水氣被吸收，干燥的空氣從底部出來。

4）后置過濾器（AFTER-FILTER）：主要功能是過濾干燥劑和雜質顆粒，防止堵塞管道。

1.3 缺陷情況概述

通過工單查詢系統發現，在2021年2月至7月，ECC干燥器失效缺陷記錄多達13條，月平均缺陷次數高達2.17次/月。

缺陷情況分布為3類：工藝回路缺陷、控制回路缺陷、報警回路缺陷。經調查后，總結缺陷主要為工藝回路缺陷，且將缺陷鎖定為電磁閥。電磁閥主要故障有以下3種：①電磁閥動作不到位；②卡套漏氣；③電磁閥線圈燒毀。

該缺陷影響專設安全系統的可用性，若專設安全系統不可用，根據技術規格書，將停機停堆小修。此問題不僅成為班組首要缺陷，而且也引起維修、技術、運行部門的高度重視，成為監督站重點關注項，亟待解決。

2 原因分析

2.1 電磁閥選型不合適

調研其他重水堆電廠發現，秦三廠1號機組ECC干燥器電磁閥與其他電廠型號（1102-300P2AA1）一致。但電磁閥的供電電源有差別，其他重水堆電廠電源電壓為120VAC，電源電壓頻率是60Hz，而國內電廠的電源參數是120VAC，頻率是50Hz[3]，現場測量供電電源為126VAC，電壓頻率是50Hz。由于現場的電源頻率與電磁閥型號不一致可能導致電磁閥線圈發熱量大，在長時間帶電情況下導致線圈的絕緣材質脫落，出現電磁閥線圈短路故障[4]。

為了證明猜想，班組利用實驗室搭建了平臺，通過變頻器模擬電源不同頻率如40Hz，45Hz，50Hz，55Hz，60Hz，65Hz，70Hz，電磁閥通電一周后通過絕緣電阻測試儀測試線圈絕緣情況。通過對比實驗可以看出，電磁閥線圈絕緣電阻隨供電電源頻率的減小而減小。所以現場的電源頻率對電磁閥線圈故障有影響，現場的電源頻率與電磁閥型號不一致是明顯不符合項，此因素為要因。

2.2 彈簧長度不足，對電磁閥動作不到位的影響

ECC系統干燥塔在切換增壓過程中電磁閥帶電，閥芯向下運動壓縮彈簧，使電磁閥進氣口和出氣口導通，排氣口關閉。若電磁閥彈簧長度不足，則彈力不足，電磁閥可能閥芯動作不到位。

測量彈簧的初始長度，與更換到現場的新備件彈簧長度進行比對后均為6.51mm左右，從長度上發現無明顯異常。

但為進一步確認彈簧的初始長度對電磁閥動作到位情況影響程度，將相同材質、不同長度（6.1mm～6.5mm逐漸遞增0.1mm）的彈簧換到電磁閥上并搭建回路進行通電試驗，看閥芯是否動作到位。

在經過72h的長時間通電后，試驗發現電磁閥動作仍無卡澀的現象，因此彈簧的初始長度發生變化沒有導致電磁閥閥芯動作不到位的情況，所以是非要因。

2.3 雜質進入電磁閥閥芯

干燥塔在切換增壓過程中電磁閥線圈得電后，閥芯在磁力的作用下提起，電磁閥氣路導通，線圈失電后，閥芯在重力和彈簧彈力的作用下回到初始位置上，電磁閥關閉。電磁閥閥芯呈錐面，與底座之間通過切合實現密封。若電磁閥閥芯有雜質，異物導致閥芯錐面密封不嚴，電磁閥無法實現阻斷功能[5]。

對電磁閥進行檢查，發現閥芯通常伴有黑色雜質。班組收集了閥芯的雜質，并經化學實驗室分析其主要成分為鐵的氧化物，即鐵銹。

干燥器有兩種模式。在正常運行模式下，流經電磁閥的壓縮空氣經過層層過濾，最終流經的氣體中的雜質顆粒應不大于3μm（見圖2）。

圖2 電磁閥SV7結構圖Fig.2 Structure diagram of solenoid valve SV7

干燥器在練習模式下，流經電磁閥的高壓氣體是通過從高壓氣箱底部引出的管線經過140過濾器后，到達電磁閥。高壓氣箱中的氣體是經過干燥器處理的氣體，理論上高壓氣箱中的氣體中雜質顆粒應不大于3μm（見圖3）。

圖3 正常模式氣流順序Fig.3 Normal mode air flow sequence

通過查詢資料，排查氣流管線及相關設備材質發現成分中含有碳鋼，推斷電磁閥閥芯的雜質來源有兩種可能：一種可能為干燥器的管道上的銹蝕，另外一種為高壓氣箱內部的銹蝕。長期雜質累積造成電磁閥閥芯動作卡澀，使功能失效。

3 改進措施

3.1 管線線路變更

干燥器的后置過濾器本身即可以過濾掉3μm以上的顆粒，因此可以在不改變現有操作規程的基礎上，通過修改練習模式的氣源管路走向，使到達140過濾器的氣體先經過后置過濾器過濾后，再與CV4的出口再生管線相連。

具體實施步驟如下：

1）拆除CV4下端原再生管線，并按原管線規格重新配管，接入到FR2（后置過濾器）的入口三通。

2）在FR2入口管線上加裝三通，與CV4的出口再生管線相連接。

3）原再生管線接入口加裝堵頭。

4）在干燥器運行期間對新增的各個接頭進行撿漏，確認接頭緊固，無漏氣。

圖4 練習模式氣流順序Fig.4 Practice mode air flow sequence

圖5 修改后的管線修改圖Fig.5 Modified pipeline diagram

通過變更優化練習模式下來自高壓氣箱線，連續6個月對干燥器的缺陷進行跟蹤統計，結果如下：通過管線變更，在練習模式下，高壓氣箱中的氣體經過了后置過濾器的對3μm以上顆粒的進行了過濾。統計結果看出在2021年10月～2022年3月中，因電磁閥閥芯卡澀導致的ECC干燥器失效次數為0次，效果顯著。

3.2 電磁閥選型變更

秦三廠選用電磁閥為60Hz，但電源頻率為50Hz，長期投用可能會導致電磁閥線圈持續發熱，絕緣材質脫落，造成內部短路。因此，提出變更使用與電源頻率一致（50Hz）的電磁閥進行替換。

通過變更優化練習模式下來自高壓氣箱氣路管線，連續6個月對干燥器的缺陷進行跟蹤統計，結果見表1。

表1 電磁閥變更后缺陷統計表Table 1 Statistical table of defects after electromagnetic valve changes

臨時變更實施后，可以看出在2021年10月～2022年3月中，因電磁閥線圈缺陷導致的ECC干燥器失效次數為0次，效果顯著。

3.3 效果檢查

對策實施后，對秦三廠2021年10月～2022年3月的ECC干燥器異常報警的情況進行調查統計。

通過對策實施減少了ECC干燥器異常報警次數，月平均報警次數由活動前的2.17次/月減少至0.5次/月，達到了之前的期望目標（1.5次/月）。

圖6 現場實施示意圖Fig.6 Schematic diagram of on-site implementation

對策實施后，以運行6個月時間為對比參考，電磁閥動作不到位與電磁線圈損壞的缺陷次數從7次減少至0次，故障得到了有效的解決。

以此可見，電磁閥選型的變更以及前置過濾器管線線路變更效果是十分有效的。本次變更改造有效降低了ECC干燥器異常報警的缺陷率，提高了專設安全系統的可靠性，為機組安全發電運行提供了強有力的支持。

圖7 更換后電磁閥示意圖Fig.7 Schematic diagram of the solenoid valve after replacement

4 總結

核安全無小事，ECC系統作為重水堆專設安全系統之一其重要性不言而喻，其干燥器異常報警作為工作班組困擾許久的缺陷，通過本次消缺，從前期原因分析到后期對策制定，使用單一變量法抽絲剝繭，通過優化變更消除缺陷點，消除了機組專設安全系統的運行隱患，提高了機組運行可靠性，也為今后類似故障提供了消缺思路。