重水堆废气处理系统压缩机停运原因分析及处理

谭继勇，代济岭，王仕博，于 超，卢 辉

（中核核电运行管理有限公司 维修五处 仪控科，浙江 海盐 314300）

自2021年7月投用废气处理系统以来压缩机出现多次停运，导致废气处理系统无法正常运行。重水堆核电厂采用的是不停堆换料的方式，在停堆大修时核燃料仍安装在堆芯内。本系统为公用系统，两个机组都有各自的收集管路及隔离阀，共用一套气体处理系统，在堆芯有破损燃料时，会有放射性的惰性气体释放出来。该系统尤为重要，所以当压缩机出现停运时，导致两个机组的放射性惰性气体无法经过活性炭吸附床，增加了反射性惰性气体向环境的排放量。

1.1 系统功能

在CANDU重水堆中，当堆芯有燃料破损时，会有放射性的惰性气体释放出来。废气处理系统的功能是通过相应的管道将破损燃料储存转盘或PHT（主热传输系统）重水泄漏收集箱中的放射性惰性气体通过CP2压缩机将废气传输到CD3预处理系统，由CP1和CD1构成的冷却系统将对CD3进行冷却。若温度过高，将导致冷凝器除湿效果不理想，进入活性炭吸附床7932-AD4的气体湿度过高；
若温度过低，将导致管路结冰，影响系统气体，经过CD3处理后的废气再通过SP2（汽水分离器）和EH1（加热丝）将气体温度控制在27℃后进入AD4（活性炭吸附床），活性炭吸附床吸附惰性气体减少其半衰期后，减少向环境的排放。

图1 缩机控制逻辑图Fig.1 Logic diagram of shrinkage control

1.2 压缩机控制回路逻辑分析

1）7932-L10液位高，当液位值高于75%时，触发3CR继电器动作，进而使3CR触点翻转，压缩机停运。

2）7932-L10液位低，当液位值低于25%时，触发4CR继电器动作，4CR触点翻转，压缩机停运。

3）67932-FV16位置开关67932-ZSC-16触点闭合，2CR继电器动作，使2CR常闭触点翻转，导致压缩机停运。

4）热继电器OL因过热动作，OL常闭触点翻转，压缩机停运。

废气处理系统投运近一个月以来，多次出现压缩机停运故障，导致废气处理系统不可用，无法将堆芯破损燃料惰性气体和主热传输系统重水泄漏收集箱惰性气体有效排出，威胁机组安全运行。进而对近期废气处理系统压缩机停运的数据进行统计，数据见图2。

图2 压缩机历史缺陷统计图Fig.2 Statistics of historical defects of compressor

从缺陷统计情况来看，废气处理系统压缩机停运均为控制回路故障所导致。通过现场勘探和运行参数查看，发现是液位变送器低报和阀门限位开关误动所导致。废气处理系统压缩机停运是一个较为复杂的系统和设备问题，受多个因素的影响。结合系统流程图和压缩机控制逻辑及维修人员的检修经验，对造成“压缩机停运”的缺陷进行深入的分析和研究[3-8]，得出以下结论，见图3。

图3 根本原因分析关联图Fig.3 Correlation diagram of root cause analysis

2.1 液位变送器控制回路接线松动

现场所安装为1151型号压差变送器，电容式压力（压差）变送器[2]唯一可动部件是测量膜片，利用测量膜片的微位移产生的电容量的变化，经过转化电路将其转化为4mA～20mA 统一标准输出信号。如接线回路松动，相当于接触处是一个较大的电阻，电流在接触处做功较多，输出电流减小，导致液位测量结果低于实际测量值，造成液位变送器产生低报。

根据INTEC图纸接线情况，该变送器接线端子回路分别从变送器本体引出后，通过两个中转箱后到达S-328房间的CDF架上，经过CDF架转接引至DCC房间的对应AI信号中，如力矩小会使接线端子松动造成信号传输异常，故对变送器回路接线端子力矩大小进行检查和确认，数据结果见表1。

表1 接线端检查记录表Table 1 Terminal inspection record

变送器经过的5个地方的接线均满足接线端子外观正常，使用力矩螺丝刀确认接线端子力矩均为0.5Nm，检查结果接线紧固，未出现接线端子松动情况。

2.2 液位变送器负压侧有凝结水

此系统所用的液位变送器采用“干腿”方式测量，变送器的负压侧取压管安装在冷凝器的底部且于正压测管线。在系统长时间运行后，温度升高，气体液化，变送器负压侧取压管线内湿度较高，使液位变送器的负压侧有小量的凝结水，导致负压侧的压力升高，使变送器的压差减少，液位输出电流值减小，进而液位降低。针对此类猜想，对变送器负压侧疏水阀进行疏水，但并未有冷凝水流出。

如有此类状况，可以通过打开液位变送器的低压侧的疏水阀对低压侧进行疏水来恢复变送器的正常指示。当液位变送器的低压侧的取压管线有U型管段产生水封时，通过对其取压管线反冲气并修改其管线的布置位置，消除U型管段或者改成“湿腿”方式测量，就可以消除变送器产生低报的现象。

2.3 液位变送器高压侧管线泄漏或引入负压

由密闭容器压力计算公式可知，如果高压侧管线泄漏或者有负压的存在会导致压差降低，输出信号减少，进而造成液位变送器的低报。因负压侧管线如有泄漏或者受负压的影响只会造成液位变送器的高报，因此此处不考虑负压的影响。

维修人员进行现场勘探并未发现液位变送器正压侧管线有泄漏，但是经过摸排发现废气处理系统的正压侧疏水管线接到了重水升级系统收集箱里，重水升级系统为负压，干燥器切换特别是在干燥床模式切换时，压力会存在较大波动。维修人员在现场进行了测试，将液位变送器正压侧连接压力变送器（量程-10 KPa～26KPa/输出0.9 V～4.5V）和记录仪后，对引入的负压进行了测量，测量结果如图4。

图4 负压检测示意图Fig.4 Schematic diagram of negative pressure detection

现场液位变送器正压侧引入负压的范围在1.9V～2.32V，换算压力为0 kPa～4.2kPa。根据测量和计算，引入最大4.2KPa的负压，冷凝器下游液位变送器量程为0KPa～23.33KPa，4.2kPa负压相当于变送器量程的18%。因为液位低于25%时会产生低报，引入4.2kPa的负压后，变送器液位在43%及以下时，都会使变送器产生低报，导致压缩机异常停运。根据运行手册要求液位变送器正常液位维持在35%，如果液位过高会影响进入吸附床的惰性气体湿度过高，进而影响吸附床对惰性气体的吸收效果。所以说，液位变送器正压侧引入重水升级系统是造成变送器低报的原因。

2.4 行程开关复位弹簧卡涩

废气处理系统所用滚轮式行程开关[1]（见图5），正常情况下，当运动机械的挡板压到行程开关的滚轮时，传动杆连同转轴一同转动，使凸轮推动撞块。当撞块压到一定位置时，推动微动开关快速动作。当滚轮上的挡铁移开后，复位弹簧就使行程开关复位。控制逻辑上，阀门在处于开启状态时，其行程开关需要处于脱开状态，否则会触发压缩机停运。造成这种原因的可能有限位开关弹簧卡涩，导致阀门开启，而限位开关没有动作，压缩机接收不到限位开关的动作信号进而始终保持在停运无法开启。维修人员到达现场经过反复手动动作行程开关滚轮，并未出现卡涩现象。当动作到位后有明显的咔哒声，证明行程开关复位弹簧性能完好。

图5 滚轮行程开关原理图Fig.5 Schematic diagram of roller travel switch

2.5 气动放大器堵塞

废气处理系统所采用的是DVC6000定位器，其工作原理如图6。输入4mA～20mA信号经过电路板数字化处理并转换为模拟I/P驱动信号。当输入信号增大时，I/P驱动信号也随之增大，I/P转换器的输出气压被送到气动放大器，将该气压信号放大送至A、B两路气压输出。随着（4mA～20m）ADC信号的增加（减少），输出A口的气压会相应增加（减少），输出B口的气压会相应减少（增加）。行程传感器通过反馈机构检测阀的行程位置并与输入比较，达到调整输出A、B口气压使定位器准确定位的目的。如气动放大器堵塞会造成输入信号与输出信号不成比列，阀门行程失去线性，进而会带动行程开关产生误动。在检查其他阀门附件，设定值满足要求和管线都没有泄漏的情况下，连接HART475进行自动和手动标定，并未出现异常，符合标定要求，证明放大器没有出现堵塞，阀门及附件功能良好。如输出异常可以对放大器充气，将内部东西吹扫出来，可以解决此类现象。

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

2.6 反馈臂与执行机构推杆连接处松动

正常情况安装调试时，首先输入电流在12mA，反馈臂与执行机构推杆成90°直角后，使用HART475对定位器进行自动标定，并且之后也保持这种状态。但是如果反馈臂与执行机构推杆连接处松动，反馈回路引入死区增大，定位器输出误差就会增大。

针对以上可能原因，首先针对反馈壁与执行机构连接杆进行检查，当阀门行程在50%时，反馈臂与执行机构连接杆成90°直角，满足要求。

2.7 压缩机出口流量低

阀门安装于压缩机入口上方，阀门开度受压缩机出口气体流量控制。当系统出现流量瞬态时，阀门就会有相应的动作响应，即关阀或者开阀。由于是小流量运行工况，正常运行时，阀门开度就很小（3mm左右）。这样在瞬态响应过程中可能触发行程开关动作，触发压缩机停运逻辑，在5min延时后，阀门虽又开启，但在其开度小于限位开关3.3mm死区的情况下，压缩机停运逻辑仍处于闭锁状态，即压缩机仍在停运状态。经查，从机组运行以来，在此次缺陷之前，从未发生过此类现象。且此现象发生的时间刚好是在变更（废气处理系统液位变送器正压侧疏水管线连接到重水升级系统）实施完成投运后，因此可以初步判定是此变更向废气处理系统引入了瞬态，导致了压缩机停运。变更前，变送器正压测下游疏水管线是对空的，压力恒定。变更后，由于重水升级系统为负压，且压力不恒定，特别是在重水升级系统干燥床模式切换时，压力会存在较大波动，从而引发了废气处理系统流量波动，并导致了压缩机异常停运。

表2 压缩机出口流量设定统计表Table 2 Statistics of compressor outlet flow setting

综上所述，故障查找结果如下：

1）液位变送器控制回路接线松动，阀门行程开关复位弹簧卡涩，液位变送器负压侧有凝结水，气动放大器堵塞，反馈臂与执行机构推杆连接松动。

2）其中，变送器正压侧引入负压和压缩机出口流量低为主要原因。

根据以上分析得出造成压缩机停运的主要原因是系统变更将废气处理系统液位变送器正压侧疏水管线连接到重水升级系统，引入了负压和瞬态，造成了液位变送器低报和阀门行程开关误动的缺陷。将液位变送器正压侧疏水管线连接到重水升级系统的储存罐中的变更必要性较强，因为废气处理系统内所传输的气体存在惰性气体，冷凝下来的水含有部分有害物质，如果排放在厂房内会造成厂房内空气质量下降，危害工作人员的身体健康。所以维修人员通过对系统的深入调研分析，最终在不改变原有的设计理念和电厂安全运行的前提下，制定了如下的解决措施。

3.1 解决措施

1）增加正压测疏水管线高度，平衡掉负压的影响。

图7 U型管现场安装示意图Fig.7 Field installation diagram of U-shaped pipe

通过设计修改，在阀门出口处，通过卡套连接，向上安装一段倒“U”型管，高度约20cm左右，以增加倒U型管水位高度，抵消干燥器切换时压力变化的影响。

2）增加压缩机出口流量，增大阀门行程，解决掉系统瞬态影响。

现场通过更改压缩机出口流量设定值来判断系统运行工况瞬态造成阀门限位开关误动的影响。

正常单回路气体流量在0.5 SCFM～1SCFM，阀门能正常运行，但是经过现场的试验得出结论是压缩机出口流量达≥1.2SCFM时限位开关才不会误动，所以将压缩机出口流量设定在1.2 SCFM～1.5SCFM，故拟开发纠正行动，修改运行规程小流量运行设定值范围为1.2 SCFM～1.5SCFM，此流量范围修改未超出设计范围（0 SCFM～6SCFM），故对废气处理系统活性炭的影响也在设计范围内。

3.2 效果检查

经过上述解决措施整改后，废气处理系统顺利启动，并稳定运行，并未出现变送器报警和阀门行程开关误动导致压缩机停运的现象，一切数据检测在合理范围内，确认故障消除。

本文从废气处理系统压缩机停运故障后表象进行了细致的调查分析，并从系统运行、控制逻辑、设备原理进行详细的分析论证，找出了可能导致压缩机停运的多种原因，并逐步进行验证排查，确认了造成废气处理系统压缩机停运的根本原因，再根据分析压缩机停运的故障后，可以快速、准确地实现对故障原因定位，并对故障设备进行检修，减少了故障定位的时间。在原有变更重要性强，但原有变更导致压缩机停运的前提下，在系统和设备及技术文件都满足要求的情况下，制定了有效的解决措施，并成功消除了故障，保证废气处理系统的正常运行和保障了厂房空气质量环境。