某核電廠機(jī)組停機(jī)解列后低壓給水加熱器隔離原因分析

劉 闖

（廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538000）

某核電廠自工程調(diào)試階段以來，1號(hào)機(jī)組多次在汽輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)解列關(guān)閉低壓抽汽逆止閥后，ABP系統(tǒng)加熱器疏水液位發(fā)生波動(dòng)，出現(xiàn)高三液位，觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，最終導(dǎo)致低壓給水加熱器異常隔離現(xiàn)象。雖然該現(xiàn)象發(fā)生在停機(jī)解列期間，對(duì)機(jī)組無實(shí)質(zhì)性影響，但在機(jī)組重新啟機(jī)后，需要操縱員投入時(shí)間和精力重新投低壓給水加熱器以增加給水溫度。因此，需要對(duì)低壓給水加熱器異常隔離事件進(jìn)行深入分析，找出根本原因并制定有效的改進(jìn)措施，降低低壓給水加熱器隔離事件的發(fā)生概率。

1 系統(tǒng)設(shè)備介紹

低壓給水加熱器系統(tǒng)（ABP）的功能是利用汽輪機(jī)抽汽加熱凝結(jié)水，提高機(jī)組熱力循環(huán)效率，有助于機(jī)組安全運(yùn)行。ABP系統(tǒng)主要由四級(jí)低壓加熱器、疏水加熱器ABP001RE、第3、4級(jí)疏水加熱器的疏水系統(tǒng)以及連接管道和閥門組成。第1、2級(jí)加熱器是兩臺(tái)組合在同一殼體內(nèi)的復(fù)合式加熱器，分別布置在兩臺(tái)冷凝器的喉部。第3、4級(jí)加熱器分成并聯(lián)兩列，每一列由一個(gè)3級(jí)加熱器和一個(gè)4級(jí)加熱器串聯(lián)組成。ABP302RE/402RE是低壓給水加熱器系統(tǒng)的B列3、4級(jí)加熱器。ABP302RE為一段式加熱器，疏水直接流入疏水箱；ABP402RE為兩段式加熱器，各段有不同的熱交換模式。

3、4級(jí)低壓給水加熱器設(shè)有專門疏水回收系統(tǒng)（ACO）。正常情況下，第4級(jí)低壓給水加熱器的疏水通過疏水控制閥將疏水排至疏水接收器；緊急情況下，通過疏水控制閥將疏水排至凝汽器。第3級(jí)低壓給水加熱器不設(shè)水位控制閥，直接通向疏水接收器。疏水接收器內(nèi)的疏水再由疏水泵送至3、4級(jí)之間凝結(jié)水管線，每個(gè)加熱器設(shè)置磁翻板液位計(jì)、導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器和液位開關(guān)。

2 技術(shù)問題描述

某核電廠1號(hào)機(jī)組停機(jī)解列過程中，機(jī)組功率降至50MW時(shí)ABP抽汽逆止 閥 關(guān)閉，ABP系統(tǒng)B列3、4級(jí)加熱器內(nèi)疏水液位開始波動(dòng)上升，加熱器高一、高二、高三液位開關(guān)相繼報(bào)警。1ABP402RE的高三液位開關(guān)1ABP046SN動(dòng)作，水側(cè)凝結(jié)水上下游閥門1ABP501/503VL關(guān)閉，旁路閥門1ABP011VL開啟，凝結(jié)水從旁路流走，最終導(dǎo)致ABP系統(tǒng)B列3、4級(jí)加熱器隔離。

3 原因分析

針對(duì)該廠1號(hào)機(jī)組ABP系統(tǒng)3、4級(jí)加熱器隔離問題，根據(jù)ABP高三液位開關(guān)動(dòng)作觸發(fā)的因素，羅列出所有可能存在的故障模式，并從SN開關(guān)故障機(jī)理，加熱器真實(shí)液位變化，加熱器內(nèi)部工況變化，系統(tǒng)及設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面逐一進(jìn)行分析。

3.1 SN開關(guān)誤動(dòng)作故障分析

ABP系統(tǒng)第4級(jí)加熱器的高三液位開關(guān)是由Mobrey廠家生產(chǎn)的浮子式液位開關(guān)，型號(hào)S428DA/F84+309C/8/00。浮子開關(guān)由浮子和開關(guān)座兩部分組成，兩部分內(nèi)部均有一個(gè)永磁體，兩個(gè)永磁體相鄰部分磁性相同。當(dāng)浮子隨聯(lián)通管內(nèi)液位變化上下移動(dòng)時(shí)，由于同極排斥，開關(guān)座內(nèi)的永磁體也隨著向相反方向移動(dòng)，帶動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，發(fā)出開關(guān)信號(hào)。

經(jīng)查詢3#、4#低加水位開關(guān)帶負(fù)荷定期試驗(yàn)記錄，試驗(yàn)結(jié)果均滿意，液位計(jì)（MN）、液位開關(guān)（SN）均無故障或異?，F(xiàn)象。查詢1ABP402RE加熱器液位開關(guān)檢修工單，1ABP043SN/026SN/046SN曾出現(xiàn)過不能正常觸發(fā)現(xiàn)象，但故障現(xiàn)象一般為浮球卡澀，與本次現(xiàn)象不符。現(xiàn)場(chǎng)檢查液位開關(guān)通道，未見異常。因此，液位開關(guān)接線錯(cuò)誤或故障導(dǎo)致系統(tǒng)隔離的可能性低。

3.2 加熱器真實(shí)液位高故障分析

1）加熱器內(nèi)漏分析

1ABP401RE/402RE加熱器外部檢查周期為3M，內(nèi)部檢查周期為1C。通過查詢檢修記錄，機(jī)組運(yùn)行以來加熱器內(nèi)外部檢查未見異常。

2）隔離前異常工況分析

查詢停機(jī)期間3#、4#低加A/B列凝結(jié)水流量、低加抽汽壓力、抽汽溫度、低加給水入口溫度、4#低加疏水流量、ACO泵出口流量等參數(shù)，ABP隔離之前各系統(tǒng)參數(shù)未見異常。由此說明低加液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常，隔離前系統(tǒng)也無異常。因此，異常工況導(dǎo)致加熱器隔離的可能性低。

3）疏水閥門和抽汽逆止門故障分析

若加熱器內(nèi)液位上漲是由疏水閥門故障造成的，加熱器內(nèi)水位應(yīng)該是一直上漲或保持在某一位置。而高三液位開關(guān)報(bào)警導(dǎo)致加熱器隔離事件只在停機(jī)過程中發(fā)生，機(jī)組正常運(yùn)行工況時(shí)加熱器疏水液位無上漲現(xiàn)象，且停機(jī)后加熱器內(nèi)液位能穩(wěn)定在較低液位。因此，閥門故障導(dǎo)致疏水不暢可能性低。

查詢抽汽隔離閥帶負(fù)荷定期試驗(yàn)記錄，3#低加抽汽隔離閥帶負(fù)荷試驗(yàn)正常，無閥門故障等異?，F(xiàn)象。4#低加在2016年11月3日T1ABP006定期試驗(yàn)中，存在1ABP404VV信號(hào)傳輸?shù)街骺氐拈_限位開關(guān)故障。101大修期間已對(duì)1ABP404VV開限位修復(fù)，前后定期試驗(yàn)均合格。ABP 3、4級(jí)加熱器停機(jī)隔離事件，從2016年2月至2017年5月發(fā)生多次，故限位開關(guān)故障造成3、4級(jí)加熱器隔離的可能性低。

綜上可知，加熱器內(nèi)漏、隔離前異常工況，以及疏水閥門故障導(dǎo)致加熱器內(nèi)液位高的可能性低。通過KNS查詢停機(jī)過程中1ABP004MN液位變化以及現(xiàn)場(chǎng)記錄停機(jī)過程中1ABP019LN/020LN信號(hào)變化可知，加熱器內(nèi)真實(shí)液位高觸發(fā)高三液位開關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致加熱器隔離的可能性低。

3.3 加熱器內(nèi)部運(yùn)行工況分析

3.3.1 1ABP402RE液位變化時(shí)序分析

1號(hào)機(jī)組停機(jī)過程中1ABP401RE/402RE加熱器內(nèi)部疏水液位發(fā)生變化。在汽機(jī)功率降至50MW后，汽輪機(jī)低壓缸至1ABP402RE抽汽管線的抽汽逆止門關(guān)閉，1ACO004MN測(cè)量到的加熱器內(nèi)液位開始波動(dòng)。加熱器內(nèi)液位變化時(shí)序如下：液位先下降至-24mm，然后在波動(dòng)中上升至最大值61mm，繼續(xù)波動(dòng)下降至-60mm后加熱器液位穩(wěn)定，整個(gè)過程約18min。

經(jīng)查詢KNS曲線圖，加熱器液位為9mm時(shí)，低一液位開關(guān)1ABP044SN報(bào)警。加熱器液位降至-20mm時(shí)，低一液位開關(guān)1ABP042SN報(bào)警。加熱器內(nèi)液位降至-24mm后，開始波動(dòng)中上升。液位上升至61mm時(shí)，高一液位開關(guān)1ABP041SN報(bào)警，此后液位開始下降，降至60mm時(shí)，高二液位開關(guān)1ABP025SN報(bào)警，加熱器緊急疏水閥1ABP210VL開啟。加熱器內(nèi)液位繼續(xù)下降至48mm，緊急疏水閥關(guān)閉。加熱器液位開關(guān)從32mm降至26mm過程中，高一液位開關(guān)1ABP041/043SN，高二液位開關(guān)1ABP025/026SN相繼報(bào)警，1ABP210VL緊急疏水閥開啟。加熱器液位降至14mm，高三液位開關(guān)1ABP046SN報(bào)警，1ABP402RE/302RE加熱器隔離。加熱器液位繼續(xù)下降，降至-60mm，高一、高二液位開關(guān)相繼觸發(fā)報(bào)警，低一液位開關(guān)1ABP042/044SN出現(xiàn)多次報(bào)警。此后，加熱器液位趨于穩(wěn)定。通過時(shí)序分析發(fā)現(xiàn)：

1）1ABP402RE內(nèi)疏水液位在來自低壓缸的抽汽逆止門關(guān)閉后，1ACO004MN測(cè)量的疏水液位開始上下波動(dòng)，總體趨勢(shì)是先下降后上升。

2）加熱器正常疏水閥門1ACO209VL能夠跟隨1ACO004MN數(shù)值的變化而變化。

3）高二液位開關(guān)1ABP025/026SN觸發(fā)報(bào)警時(shí)，液位計(jì)測(cè)量到的加熱器疏水液位未到對(duì)應(yīng)報(bào)警設(shè)定值，且應(yīng)急疏水閥可以正常打開。

4）1ACO004MN測(cè)量的疏水液位最大值為65mm。

5）高三液位開關(guān)1ABP046SN報(bào)警時(shí)，液位計(jì)測(cè)量的疏水液位為14mm，未到對(duì)應(yīng)報(bào)警設(shè)定值，且不在疏水液位最大值點(diǎn)。

通過以上分析可知：停機(jī)過程中，液位開關(guān)測(cè)量筒內(nèi)的實(shí)際液位與1ABP004MN液位計(jì)測(cè)量到的疏水液位存在不一致現(xiàn)象。

3.3.2 加熱器停機(jī)工況分析

1）加熱器內(nèi)部閃蒸分析

根據(jù)時(shí)序分析發(fā)現(xiàn)，加熱器內(nèi)疏水液位在機(jī)組功率降至50MW時(shí)開始波動(dòng)。此時(shí)，1ABP402RE加熱器內(nèi)部工況變化是：汽輪機(jī)低壓缸到四級(jí)加熱器的抽汽逆止門關(guān)閉，1ABP402RE加熱器再無蒸汽進(jìn)入；加熱器內(nèi)凝結(jié)水繼續(xù)流過U型管，使加熱器內(nèi)部溫度和壓力降低；加熱器運(yùn)行排氣量連接到CEX，CEX不斷抽走加熱器內(nèi)部蒸汽。以上變化導(dǎo)致加熱器內(nèi)疏水冷卻段上部蒸汽減少，壓力降低，加熱器內(nèi)疏水液面可能出現(xiàn)閃蒸。閃蒸導(dǎo)致疏水液面波動(dòng)，造成SN開關(guān)測(cè)量筒內(nèi)液位波動(dòng)。另外，若運(yùn)行排氣量異常，也可能加劇加熱器內(nèi)部閃蒸。

2）加熱器仿真分析

根據(jù)1號(hào)機(jī)組功率50MW時(shí)熱平衡圖，ABP系統(tǒng)一列3、4級(jí)加熱器在機(jī)組功率50MW時(shí)的熱平衡，利用UNISIM仿真軟件對(duì)1ABP402RE加熱器建立仿真模型。

將熱平衡狀態(tài)作為初始條件，利用仿真模型對(duì)1ABP02RE加熱器內(nèi)壓力和疏水溫度進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖1。根據(jù)仿真曲線，當(dāng)加熱器內(nèi)壓力降至0.34bar時(shí)，加熱器內(nèi)疏水溫度為74℃（0.34bar對(duì)應(yīng)飽和溫度72℃）大于飽和溫度，加熱器內(nèi)出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象。

3）SN測(cè)量筒閃蒸分析

1ABP402RE加熱器SN液位開關(guān)和加熱器疏水冷卻段以聯(lián)通管的形式連接。在機(jī)組功率降至50MW后，液位開關(guān)測(cè)量筒內(nèi)的變化如下：SN液位開關(guān)測(cè)量筒和測(cè)量管線內(nèi)水溫隨加熱器疏水冷卻段水溫降低，且滯后于加熱器內(nèi)疏水溫度變化；測(cè)量筒和測(cè)量管線上部與加熱器上部相聯(lián)通，所以液面壓力相同。由前面仿真分析結(jié)果可知，機(jī)組功率在50MW后，抽汽逆止門關(guān)閉，加熱器內(nèi)部疏水出現(xiàn)閃蒸情況。因測(cè)量筒和測(cè)量管線溫度滯后于加熱器內(nèi)溫度變化，測(cè)量筒內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)閃蒸。加熱器、測(cè)量筒和測(cè)量管線三者的閃蒸疊加造成SN測(cè)量管線內(nèi)液位劇烈波動(dòng)，觸發(fā)高三液位開關(guān)報(bào)警。

圖1 1ABP402RE加熱器內(nèi)壓力溫度變化曲線Fig.1 Variation curve of pressure and temperature in 1ABP402RE heater

圖2 1ABP402RE加熱器液位開關(guān)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of 1ABP402RE heater liquid level switch layout

通過時(shí)序圖分析和仿真驗(yàn)證可知，加熱器內(nèi)部和SN測(cè)量筒內(nèi)閃蒸造成1ABP046SN動(dòng)作的可能性高。

3.4 1ABP046SN報(bào)警頻率分析

統(tǒng)計(jì)1ABP401RE/402RE停機(jī)期間隔離情況發(fā)現(xiàn)：1ABP401RE/402RE兩列4個(gè)高三液位開關(guān)均觸發(fā)過隔離信號(hào)，但1ABP046SN報(bào)警次數(shù)最多。已發(fā)生的ABP系統(tǒng)停機(jī)隔離事件中，1ABP046SN動(dòng)作了8次，1ABP045SN動(dòng)作2次，1ABP047SN/048SN各動(dòng)作1次。

1）1ABP046SN與1ABP045SN差異分析

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，1ABP046SN對(duì)應(yīng)液位測(cè)量筒管線靠近緊急疏水管線。每次1ABP402RE隔離前應(yīng)急疏水閥門1ABP210VL均存在短暫開啟。1ABP210VL的短暫開關(guān)會(huì)造成加劇加熱器內(nèi)部水位波動(dòng)，1ABP046SN對(duì)應(yīng)測(cè)量筒管線比1ABP045SN更靠近緊急疏水口，因此緊急疏水閥門開關(guān)對(duì)1ABP046SN測(cè)量筒內(nèi)液位波動(dòng)影響更大。

2）1ABP401RE與1ABP402RE差異分析

正常疏水管線布置對(duì)比：查看1ABP401RE/402RE正常疏水管線等軸圖發(fā)現(xiàn)，1ABP401RE正常疏水管線的長(zhǎng)度為11.027m，1ABP/402RE正常疏水管線的長(zhǎng)度為11.769m，兩者相差0.7m左右。兩條疏水管線彎角、高度布置基本相同。

應(yīng)急疏水管線布置對(duì)比：查看1ABP401RE/402RE應(yīng)急疏水管線等軸圖發(fā)現(xiàn)，1ABP401RE應(yīng)急疏水管線長(zhǎng)度為57.057m，1ABP/402RE應(yīng)急疏水管線長(zhǎng)度為37.878m；1ABP401RE應(yīng)急疏水管線有12個(gè)彎頭，1ABP402RE應(yīng)急疏水管線有9個(gè)彎頭，且1ABP402RE應(yīng)急疏水管線彎頭彎度較為平緩；1ABP401RE應(yīng)急疏水管線末端向上958mm疏水到CEX，1ABP402RE應(yīng)急疏水管線末端平緩疏水到CEX，不存在有高度差。

通過以上分析可知：在相同壓力和疏水管徑下，1ABP401RE/402RE兩個(gè)加熱器正常疏水流量相差不大，但1ABP402RE相比1ABP401RE應(yīng)急疏水管道短，彎度平緩，疏水高度差大，疏水流速更快。停機(jī)過程中，1ABP402RE中加熱器內(nèi)液位波動(dòng)更大，更容易觸發(fā)高三液位開關(guān)而發(fā)生低加隔離事件。1ABP046SN對(duì)應(yīng)測(cè)量筒管線比1ABP045SN更靠近緊急疏水口。停機(jī)過程中，1ABP046SN測(cè)量管線內(nèi)液位波動(dòng)更大，更容易被觸發(fā)。

3.5 1、2號(hào)機(jī)組差異分析

1）SN保溫差異分析

通 過 現(xiàn) 場(chǎng) 查 看，1號(hào) 機(jī) 組1ABP401RE/402RE的4組液位開關(guān)測(cè)量筒外部均有兩層保溫層，2號(hào)機(jī)組2ABP4021RE/402RE的4組液位開關(guān)測(cè)量筒外部只有一層保溫層。兩層保溫層相比一層保溫層保溫效果好，熱量不容易損失。但停機(jī)過程中，兩層保溫層內(nèi)的管線溫度降低相對(duì)更慢，閃蒸更加劇烈。

2）疏水與凝結(jié)水流量、溫度分析

1、2號(hào)機(jī)組在停機(jī)過程中，核實(shí)抽汽逆止門關(guān)閉時(shí)ABP系統(tǒng)的凝結(jié)水、溫度以及第四級(jí)加熱器的疏水流量均無明顯差異。

3.6 ABP加熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)分析

調(diào)研國(guó)內(nèi)多家核電廠的ABP系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，ABP加熱器主要區(qū)別是抽汽來源和疏水方式。ABP疏水方式一般分為全淹沒式疏水與虹吸式疏水，結(jié)構(gòu)如圖3。1ABP402RE加熱器抽汽來自低壓缸，疏水方式均為全淹沒式疏水。全淹沒式疏水的疏水口在加熱器底部，通過重力和壓力將凝結(jié)水排到疏水箱。虹吸式疏水的疏水口在加熱器中部，通過加熱器內(nèi)蒸汽壓力將凝結(jié)水從加熱器底部壓到加熱器中部疏水口疏水。

圖3 全淹沒式與虹吸式疏水結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Total submerged and siphon hydrophobic structure diagram

圖4 虹吸式疏水1ABP402RE加熱器內(nèi)壓力溫度變化曲線Fig.4 Variation curve of pressure and temperature in siphon type hydrophobic 1ABP402RE heater

利用仿真軟件將1ABP402RE加熱器的仿真模型由全淹沒式疏水修改為虹吸式疏水。疏水方式修改后，抽汽逆止門關(guān)閉前加熱器平衡狀態(tài)下的壓力和溫度發(fā)生變化，即仿真初始平衡狀態(tài)變化。通過仿真確定初始平衡狀態(tài)后，重新對(duì)1ABP02RE加熱器內(nèi)壓力和疏水溫度進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4。

對(duì)比全淹沒式和虹吸式疏水1ABP402RE加熱器內(nèi)部壓力溫度變化，如圖5。虹吸式疏水條件下，機(jī)組停機(jī)過程中1ABP402RE在抽汽逆止門關(guān)閉前的平衡狀態(tài)壓力和溫度高。通過汽化線判斷，虹吸式疏水條件下，1ABP402RE加熱器內(nèi)部未發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。仿真結(jié)果說明在相同條件下，全淹沒式疏水比虹吸式疏水更容易發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。

圖5 兩種疏水方式1ABP402RE加熱器內(nèi)部壓力溫度變化對(duì)比Fig.5 Comparison of internal pressure and temperature changes of 1ABP402RE heater with two hydrophobic methods

4 分析結(jié)論

綜合以上分析過程，該核電廠1號(hào)機(jī)組由于ABP設(shè)備的結(jié)構(gòu)布置及機(jī)組瞬態(tài)工況工藝參數(shù)變化，在停機(jī)過程中，當(dāng)ABP 4級(jí)加熱器的抽汽逆止門關(guān)閉后，此后加熱器內(nèi)無蒸汽進(jìn)入，同時(shí)加熱器U型管內(nèi)凝結(jié)水不斷冷凝蒸汽，運(yùn)行排氣管線不斷抽走加熱器內(nèi)蒸汽。加熱器內(nèi)蒸汽減少，導(dǎo)致加熱器壓力下降過快，疏水冷卻段液面及SN測(cè)量筒內(nèi)部出現(xiàn)閃蒸，產(chǎn)生虛假液位（通過仿真也驗(yàn)證，采用全淹沒式疏水比虹吸式疏水在停機(jī)過程中加熱器更容易發(fā)生閃蒸，SN保溫設(shè)置同樣容易發(fā)生閃蒸），進(jìn)而觸發(fā)了SN高三液位開關(guān)動(dòng)作，導(dǎo)致低壓給水加熱器隔離。

5 改進(jìn)措施

針對(duì)該核電廠停機(jī)解列后低壓給水加熱器隔離問題，考慮到設(shè)備結(jié)構(gòu)布置調(diào)整的可行性較小且閃蒸是機(jī)組瞬態(tài)工況必然存在的現(xiàn)象，同時(shí)低壓給水加熱器隔離發(fā)生在停機(jī)解列后，對(duì)機(jī)組無實(shí)質(zhì)性影響。因此，改進(jìn)措施建議是：在不改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)的前提下，通過優(yōu)化SN保溫結(jié)構(gòu)，局部弱化閃蒸現(xiàn)象，進(jìn)而降低低壓給水加熱器隔離的概率。

6 結(jié)語

本文利用設(shè)備根本原因分析方法（一個(gè)系統(tǒng)化的問題處理過程方法，逐步分析并找出問題發(fā)生的根本原因，并制定問題的預(yù)防改進(jìn)措施），結(jié)合建模分析技術(shù)對(duì)問題進(jìn)行了深入分析。通過調(diào)查與證據(jù)分析找出了設(shè)備最可能的故障模式，最終確定了低壓加熱器隔離的原因并制定了改進(jìn)措施。改進(jìn)措施實(shí)施完成并經(jīng)過一個(gè)大修周期驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)問題得到了有效解決。