通風(fēng)系統(tǒng)中電加熱器的應(yīng)用與故障分析

竹俊濤，李成鈿，何 歐，余鎮(zhèn)江，王宏業(yè)

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213）

0 引言

電加熱器是通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，保證了放射性氣體排放達(dá)標(biāo)，保障了系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。在異常工況和事故工況下，可觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)人員、反應(yīng)堆和系統(tǒng)設(shè)備的安全，避免環(huán)境受到放射性污染[1-3]。因此，通風(fēng)系統(tǒng)電加熱器可靠穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行起著非常重要的作用。

反應(yīng)堆長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)系統(tǒng)電加熱器出現(xiàn)了無(wú)法自動(dòng)投入、自動(dòng)停止以及機(jī)組未啟動(dòng)，電加熱器自動(dòng)啟動(dòng)等一系列故障[4,5]。目前，不具備對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)電加熱器故障情況的全面總結(jié)與分析，技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行維修，但排查過(guò)程復(fù)雜且盲目，耗時(shí)久，致使維修成本高、維修時(shí)間長(zhǎng)[6]。以下將介紹電加熱器的控制原理，建立故障知識(shí)樹(shù)，并在此基礎(chǔ)上給出故障維修措施與設(shè)計(jì)建議。

1 電加熱器控制原理

電加熱器聯(lián)鎖控制功能是保證放射性氣體達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的重要設(shè)備，對(duì)反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。電加熱器自動(dòng)控制的基本構(gòu)成包括控制室、控制柜、就地設(shè)備和工藝過(guò)程。根據(jù)工藝要求，單列機(jī)組配備1組或3組電加熱器。它的控制邏輯圖如圖1所示。運(yùn)行過(guò)程中，在控制柜將電加熱器投入自動(dòng)運(yùn)行工況，當(dāng)差壓開(kāi)關(guān)檢測(cè)到通風(fēng)管中壓力達(dá)到200Pa，同時(shí)溫度低于45℃時(shí)，觸發(fā)電加熱器啟動(dòng)信號(hào)；反之，當(dāng)壓力低于200Pa或溫度高于70℃時(shí)，觸發(fā)停止信號(hào)。電加熱器未投入自動(dòng)運(yùn)行工況，控制柜就地啟動(dòng)按鈕，電加熱啟動(dòng)；控制柜就地停止按鈕，電加熱停止。

圖1 電加熱器控制邏輯圖Fig.1 Electric heater control logic diagram

2 建立電加熱器故障知識(shí)樹(shù)

反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電加熱器出現(xiàn)了無(wú)法自動(dòng)投入、自動(dòng)停止、機(jī)組未啟動(dòng)，以及電加熱器自動(dòng)啟動(dòng)等故障情況。以上問(wèn)題的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，影響放射性氣體正常排放，拖延了反應(yīng)堆試驗(yàn)進(jìn)度。為提高后續(xù)故障診斷率，給用戶進(jìn)行故障診斷提供指導(dǎo)性依據(jù)，基于電加熱器控制組成及邏輯，分析聯(lián)鎖信號(hào)觸發(fā)情況、差壓開(kāi)關(guān)故障情況，以及對(duì)電加熱器自身情況進(jìn)行分析研究，結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行積累和調(diào)研結(jié)果，建立反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)電加熱器故障樹(shù)，如圖2所示。

圖2 電加熱器故障樹(shù)Fig.2 Electric heater fault tree

由圖2可知，電加熱器故障主要由溫度開(kāi)關(guān)、差壓開(kāi)關(guān)以及電加熱自身引起。為進(jìn)一步細(xì)化故障原因，為用戶進(jìn)行故障診斷提供針對(duì)性指導(dǎo)，分別從溫度開(kāi)關(guān)、差壓開(kāi)關(guān)以及電加熱自身3個(gè)方面展開(kāi)分析。

2.1 差壓開(kāi)關(guān)

差壓開(kāi)關(guān)也包括微差壓開(kāi)關(guān)，分為核級(jí)與非安全級(jí)，根據(jù)工藝需求可選擇防爆型差壓開(kāi)關(guān)。通風(fēng)系統(tǒng)中常用的差壓開(kāi)關(guān)如圖3所示，具有常開(kāi)（NO）與常閉（NC）兩種狀態(tài)，工作時(shí)，將NC端子接入電路中，控制電加熱器的聯(lián)鎖啟動(dòng)。由于排風(fēng)管道內(nèi)為負(fù)壓，用引壓管將氣體引入負(fù)壓腔，另一端與大氣相連，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，機(jī)械式彈簧片發(fā)生位移，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)翻轉(zhuǎn)，接通線路。簡(jiǎn)而言之，即管道內(nèi)空氣壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，差壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作，發(fā)出電信號(hào)，電加熱器啟動(dòng)。

圖3 差壓開(kāi)關(guān)Fig.3 Differential pressure switch

基于差壓開(kāi)關(guān)工作原理，結(jié)合運(yùn)行實(shí)際情況，分析發(fā)現(xiàn)自動(dòng)控制狀態(tài)下差壓開(kāi)關(guān)引發(fā)電加熱器誤啟動(dòng)（故障）主要為以下幾種情況：

1）差壓開(kāi)關(guān)設(shè)定值過(guò)小

管道上電動(dòng)密閉閥密封不嚴(yán)，風(fēng)機(jī)停止后管道內(nèi)仍存在使差壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作的壓力，使其始終處于常閉狀態(tài)，電加熱器收到啟動(dòng)信號(hào)誤啟動(dòng)。

2）差壓開(kāi)關(guān)安裝位置

差壓開(kāi)關(guān)安裝位置不合理致使差壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作，電加熱器誤啟動(dòng)。圖4為某一系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖，兩列機(jī)組互為備用。

圖4 某系統(tǒng)局部系統(tǒng)流程圖Fig.4 A partial system flow chart of a certain system

表1注明了各系統(tǒng)運(yùn)行和停運(yùn)時(shí)差壓開(kāi)關(guān)引壓管所受壓力。表1中，序號(hào)①③⑤系統(tǒng)差壓開(kāi)關(guān)安裝位置于圖4位置1。機(jī)組運(yùn)行時(shí)防火閥處于常開(kāi)狀態(tài)，差壓開(kāi)關(guān)引壓口壓力值受另一列機(jī)組風(fēng)量的影響。當(dāng)另一列機(jī)組風(fēng)量值使得壓力達(dá)到本列差壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作設(shè)定值，差壓開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。例如，當(dāng)應(yīng)急控制室通風(fēng)系統(tǒng)1#機(jī)組運(yùn)行時(shí)，測(cè)得差壓開(kāi)關(guān)引壓管所受壓力為1700Pa，此時(shí)，測(cè)得應(yīng)急控制室通風(fēng)系統(tǒng)2#機(jī)組（停運(yùn)狀態(tài)）差壓開(kāi)關(guān)引壓管所受壓力為1690Pa，2#機(jī)組差壓開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作；當(dāng)應(yīng)急控制室通風(fēng)系統(tǒng)2#機(jī)組運(yùn)行時(shí)，測(cè)得差壓開(kāi)關(guān)引壓管所受壓力為1720Pa，此時(shí)，測(cè)得該系統(tǒng)1#機(jī)組（停運(yùn)狀態(tài)）差壓開(kāi)關(guān)引壓管所受壓力1680Pa，1#機(jī)組差壓開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。

表1 各系統(tǒng)差壓開(kāi)關(guān)相關(guān)壓力Table 1 Relative pressure of differential pressure switch of each system

表1中序號(hào)②④⑥系統(tǒng)差壓開(kāi)關(guān)安裝位置于圖4位置2所示。機(jī)組停運(yùn)后密封閥關(guān)閉，當(dāng)密封閥密封不嚴(yán)或存在泄漏時(shí)，另一機(jī)組風(fēng)量會(huì)竄到本列機(jī)組導(dǎo)致差壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作從而啟動(dòng)電加熱器。例如，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)1#機(jī)組運(yùn)行時(shí)，測(cè)得差壓開(kāi)關(guān)引壓管所受壓力為1560Pa，此時(shí)，測(cè)得通風(fēng)系統(tǒng)2#機(jī)組（停運(yùn)狀態(tài)）差壓開(kāi)關(guān)引壓管所受壓力為230Pa，2#機(jī)組差壓開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作；當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)2#機(jī)組運(yùn)行時(shí)，測(cè)得差壓開(kāi)關(guān)引壓管所受壓力為1580Pa，此時(shí)，測(cè)得該系統(tǒng)1#機(jī)組（停運(yùn)狀態(tài)）差壓開(kāi)關(guān)引壓管所受壓力為210Pa，1#機(jī)組差壓開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。

3）差壓開(kāi)關(guān)引壓管過(guò)長(zhǎng)、過(guò)細(xì)、拐角過(guò)多，系統(tǒng)停運(yùn)后差壓開(kāi)關(guān)無(wú)法泄壓，導(dǎo)致電加熱器不會(huì)自動(dòng)停運(yùn)。在排查過(guò)程中，將引壓口一側(cè)接口取下，差壓開(kāi)關(guān)未恢復(fù)到常開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)取下差壓開(kāi)關(guān)一側(cè)接口時(shí)，開(kāi)關(guān)恢復(fù)到常開(kāi)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，引壓管的長(zhǎng)度、曲折度會(huì)影響到差壓開(kāi)關(guān)的正常泄壓，進(jìn)而導(dǎo)致電加熱器啟停異常。除此之外，引壓管堵塞也會(huì)導(dǎo)致差壓開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作。

4）差壓開(kāi)關(guān)接線松動(dòng)。如圖5所示，在差壓開(kāi)關(guān)回裝過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)插針插入公插座，塑料反扣卡在插針凹槽中，以固定插針。在插拔過(guò)程中，由于塑料扣不牢固，導(dǎo)致插針后退，未插入母插座中。因此，無(wú)論差壓開(kāi)關(guān)是否動(dòng)作，電加熱器都不能正常啟動(dòng)。

圖5 航插接頭Fig.5 Aerial plug connector

5）差壓開(kāi)關(guān)自身?yè)p壞。在對(duì)差壓開(kāi)關(guān)調(diào)試檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)VVS101SD無(wú)論壓力為多大都無(wú)法動(dòng)作。經(jīng)廠家檢查，確定為處理模塊損壞。

2.2 溫度開(kāi)關(guān)

溫度開(kāi)關(guān)在核安全級(jí)系統(tǒng)中，起到觸發(fā)電加熱器自動(dòng)控制的作用。在非安全級(jí)系統(tǒng)中，將溫度信號(hào)和報(bào)警信號(hào)傳送至運(yùn)行保障控制室，起監(jiān)控作用。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，溫度開(kāi)關(guān)航插接頭松動(dòng)，無(wú)論溫度開(kāi)關(guān)是否動(dòng)作，電加熱器都不能正常啟動(dòng)。

2.3 電加熱器

電加熱器具有自保護(hù)功能，其在內(nèi)部安裝了高溫傳感器、熔斷器等。當(dāng)風(fēng)道空氣溫度超過(guò)設(shè)定值或出現(xiàn)短路時(shí)，熔斷器自動(dòng)熔斷，并將高溫信號(hào)傳入控制回路中，電加熱器無(wú)法自動(dòng)和手動(dòng)啟動(dòng)。

3 解決措施與建議

根據(jù)調(diào)研結(jié)果以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，在針對(duì)電加熱器問(wèn)題的排查與維修中，問(wèn)題主要鎖定在溫度開(kāi)關(guān)和差壓開(kāi)關(guān)異常?，F(xiàn)分別從溫度開(kāi)關(guān)和差壓開(kāi)關(guān)兩個(gè)維度，給出故障解決措施與相關(guān)建議。

3.1 溫度開(kāi)關(guān)

首先，對(duì)接線端子進(jìn)行檢查，保證接線牢固。將溫度開(kāi)關(guān)內(nèi)部?jī)筛泳€短接，繼電器動(dòng)作，控制回路線路正常；否則線路松動(dòng)，檢查航插接頭以及相關(guān)線路。將溫度開(kāi)關(guān)的金屬桿放入大于45℃低于75℃的水中，開(kāi)關(guān)動(dòng)作，常開(kāi)變?yōu)槌ｉ]，溫度開(kāi)關(guān)正常，否則溫度開(kāi)關(guān)損害，更換溫度開(kāi)關(guān)。

3.2 差壓開(kāi)關(guān)

根據(jù)上節(jié)排查結(jié)果，基于差壓開(kāi)關(guān)自身儀表角度提出以下故障解決措施：

1） 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)差壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作值進(jìn)行校驗(yàn)，觀察開(kāi)關(guān)動(dòng)作值是否與設(shè)定值200Pa一致。若不一致，開(kāi)關(guān)內(nèi)部彈簧發(fā)生彈性形變，調(diào)節(jié)差壓開(kāi)關(guān)調(diào)值螺母將開(kāi)關(guān)動(dòng)作設(shè)定值調(diào)整到200Pa并送檢定單位檢定。

2）針對(duì)有源型差壓開(kāi)關(guān)故障，排查儀表電壓是否滿足額定電壓要求，排除保險(xiǎn)絲熔斷造成的斷電以及失壓?jiǎn)栴}。

3）對(duì)差壓開(kāi)關(guān)正壓腔進(jìn)行打壓，逐漸升高壓力直至達(dá)到儀表最大工作壓力。差壓開(kāi)關(guān)始終未動(dòng)作，則內(nèi)部處理模塊損害，更換處理模塊。

4）確保航插連接到位，電路穩(wěn)定牢靠。

除差壓開(kāi)關(guān)自身儀表故障外，受外部因素影響致使差壓開(kāi)關(guān)引壓管兩端壓差達(dá)到動(dòng)作值，差壓開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。電加熱器異常啟動(dòng)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有巨大威脅。為避免錯(cuò)誤信號(hào)誤啟動(dòng)電加熱器，從設(shè)計(jì)與維修角度提出以下措施與建議：

a）對(duì)系統(tǒng)管路上的電動(dòng)密閉閥進(jìn)行密封性試驗(yàn)，保證其密封效果良好，避免已啟動(dòng)的機(jī)組管道中的風(fēng)量串到備用機(jī)組中，致使更換機(jī)組后差壓開(kāi)關(guān)誤啟動(dòng)。

b）為避免差壓開(kāi)關(guān)誤啟動(dòng)，在電動(dòng)密封閥密封效果優(yōu)良的前提下，對(duì)引壓管的引壓口位置做調(diào)整，將其設(shè)置在排風(fēng)機(jī)上游，保證引壓口與大氣相通，如圖4中差壓開(kāi)關(guān)理想位置所示。

c）在設(shè)計(jì)階段，建議將機(jī)組風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與停止信號(hào)加入到電加熱器的啟動(dòng)信號(hào)。目前，只有機(jī)組風(fēng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)參與到電加熱器啟動(dòng)控制中，若風(fēng)機(jī)出現(xiàn)異常，啟動(dòng)信號(hào)未丟失，電加熱器繼續(xù)運(yùn)行，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)中，電加熱器的穩(wěn)定應(yīng)用直接關(guān)系到通風(fēng)系統(tǒng)的正常工作以及機(jī)組的聯(lián)鎖啟動(dòng)，關(guān)乎到反應(yīng)堆的安全運(yùn)行以及放射性氣體的排放。為提高電加熱器維修效率，保障反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，從電加熱器控制原理入手，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與調(diào)研結(jié)果，建立了通風(fēng)系統(tǒng)電加熱器故障知識(shí)庫(kù)，并詳細(xì)分析了造成電加熱器故障的相關(guān)因素?；陂L(zhǎng)期運(yùn)行積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了通風(fēng)系統(tǒng)電加熱器的故障排查方法以及相關(guān)設(shè)計(jì)建議，可為后續(xù)通風(fēng)系統(tǒng)電加熱器的設(shè)計(jì)、維保維修提供技術(shù)性指導(dǎo)。