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(tǒng)(RCV)的下泄溫度是通過調(diào)節(jié)閥(RRI155 VN)來控制冷卻水的流量來保證其在一定范圍內(nèi)運行，如圖1所示。RCV系統(tǒng)下泄溫度設(shè)定值為35 ℃，當RCV下泄溫度小于設(shè)定值時，需要降低設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)流量，關(guān)小RRI155 VN;RCV下泄溫度超過設(shè)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(xiàn)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(tǒng)的安全運行。從歷史數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)該問題自調(diào)試以來一直存在。經(jīng)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(zhì)的調(diào)節(jié)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(tǒng)的水質(zhì)，有雜質(zhì)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(wěn)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(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)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(shè)定值35 ℃，所以在積分的作用下，閥門的指令會繼續(xù)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(xù)作用下，閥門突然關(guān)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(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)參數(shù)進行了優(yōu)化，把積分作用功能取消。即：由原來的Kp=0.68、Ti=700 s，優(yōu)化成Kp=1.3、Ti=10 000 s。優(yōu)化后溫度波動的頻率明顯減少。

(2)閥門電氣轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)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(jié)合其他基地電站的情況，也發(fā)現(xiàn)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(diào)性差，調(diào)整范圍小，調(diào)整困難；結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(xiàn)象基本消除。但在下泄模式由雙孔板轉(zhuǎn)變成單孔板運行時，又出現(xiàn)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?yōu)?3.6 t/h，閥門的開度在23%～32%，下泄溫度又偶爾出現(xiàn)異常波動。

先從閥門的結(jié)構(gòu)，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(tài)。再從閥門的流量特性曲線發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)閥門機械死區(qū)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(fā)現(xiàn)：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(xiàn)象越嚴重。綜上分析，閥門小開度調(diào)節(jié)性能不佳的根本原因是氣缸式氣動頭內(nèi)小彈簧在受壓縮后出現(xiàn)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(xiàn)大幅度波動。后經(jīng)更換閥門執(zhí)行機構(gòu)，將氣缸式氣動頭替代為隔膜式氣動頭閥門的調(diào)節(jié)特性明顯得到改善，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的調(diào)節(jié)曲線Fig.6 The optimized regulation curve

另外，從設(shè)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(diào)節(jié)功能，正常運行時RRI系統(tǒng)設(shè)計流量為28 t/h，最大下泄工況時RRI側(cè)設(shè)計流量為135 t/h。這也導致閥門的選型受限。

3 結(jié)論

歷時3年持續(xù)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(yōu)化PID參數(shù)，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(chǎn)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(zhí)行機構(gòu)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(qū)過大的問題；另外，系統(tǒng)設(shè)計也有待優(yōu)化，建議在后續(xù)的新建機組增加旁路調(diào)節(jié)閥以提高系統(tǒng)在低流量時的調(diào)節(jié)特性。