AP1000核電廠壓縮空氣系統（CAS）空壓機頻繁加卸載問題及解決方案

吳 越，陳建旭，湯 君

（山東核電有限公司，山東 海陽 265116）

AP1000核電廠壓縮空氣系統（CAS）空壓機頻繁加卸載問題及解決方案

吳 越，陳建旭，湯 君

（山東核電有限公司，山東 海陽 265116）

文章對AP1000核電廠壓縮空氣系統（CAS）調試過程中空壓機出現的頻繁加卸載問題進行了描述，分析了空壓機頻繁加卸載是由于壓縮空氣系統工藝系統設計不合理引起的；文章從問題原因出發提出了三種不同的解決方案，并對每個方案的技術細節進行了介紹，其中方案一和方案三都在海陽核電現場進行了實際驗證，實踐證明方案是可行的，能夠很好地解決空壓機頻繁加卸載問題。方案二由于海陽現場不具備條件，未進行試驗；頻繁加卸載問題的解決實現了CAS系統的穩定和安全運行，保障了用戶用氣的可靠性。該文對于后續AP1000核電廠壓縮空氣系統的設計有一定的借鑒意義。

空壓機；加卸載；解決方案

壓縮空氣和儀用空氣系統（CAS）是第三代核電AP1000的一個工藝子系統[1]。CAS是核電廠的輔助系統，為各個系統的氣動閥、氣動泵、氣動風閥和氣動工具提供合格的壓縮空氣。CAS系統分為儀用空氣子系統和廠用空氣子系統，由壓縮機、干燥器、儲氣罐、管道和閥門組成，壓縮機正常運行模式為加載運行和卸載運行，加載和卸載的控制信號來自壓縮機出口的壓力傳感器，當壓力達到0.93 MPa時，壓縮機會自動卸載運行，停止向下游用戶供氣；當壓力降低至0.86 MPa時，壓縮機加載運行，向下游用戶供氣。

1 壓縮機頻繁加卸載

在CAS系統調試過程中，壓縮機出現了頻繁加載和卸載的現象，加載和卸載時間都在10s以內，壓縮機頻繁加卸載的原因是CAS系統壓縮機加卸載壓力控制信號取壓點的選取不合理導致的，CAS系統布置簡圖如圖1所示。

如圖壓縮機加卸載的信號來自壓縮機出口壓力傳感器，由該傳感器檢測到的壓力值來控制壓縮機加載和卸載，加載壓力值為0.86 MPa，卸載壓力值為0.93 MPa。

由于壓縮機第二級疏水電磁閥在壓縮機加載和卸載時都會排氣并且干燥器再生塔再生泄壓時也會排氣，造成壓縮機到逆止閥之間的管道在很短的時間內壓力會下降，由于干燥器和儲氣罐之間有一個逆止閥，儲氣罐內大量的壓縮空氣不能彌補壓縮機到逆止閥之間管道壓力下降的瞬態，壓縮機出口壓力傳感器檢測到壓力下降至0.86 MPa時，壓縮機加載，此時儲氣罐內的空氣壓力是很高的，在很短的時間內該管道又重新加壓，壓縮機出口壓力瞬間升至0.93 MPa，壓縮機出口壓力傳感器控制壓縮機卸載，這樣的工況導致了壓縮機的頻繁加卸載，海陽現場壓縮機加卸載時間大約在幾秒鐘。

圖1 CAS系統布置簡圖Fig.1 Simplified layout of CAS system

這樣非常短時間的頻繁加載和卸載對壓縮機設備非常不利，尤其是對壓縮機的進氣閥和排氣閥以及控制進氣閥的液壓缸及電磁閥等設備，因為在壓縮機加載和卸載的時候這些設備都在動作，設備在很短的時間頻繁動作會縮短設備的壽命，并且長時間頻繁加卸載會改變壓縮機進氣蝶閥的開度，使壓縮機卸載時進氣蝶閥的開度比原來更小，從而增加壓縮機在卸載時的入口真空度，如果該真空度達到0.09 MPa，壓縮機就會自動跳機停運，這是壓縮機的一個保護停機信號，這個情況在海陽1號機組壓縮機運行過程中出現過多次，因此為了延長壓縮機設備的使用壽命并且使壓縮機能夠穩定運行，需要解決壓縮機頻繁加卸載問題。

2 解決方案

壓縮機頻繁加卸載問題的解決還是要從觸發加卸載問題的原因出發，一是需要改變壓縮機加卸載壓力控制信號的取壓點，CAS系統設計的目的就是向用戶提供流量、壓力滿足要求的壓縮空氣，因此壓縮機應該根據用戶的實際用氣量來加載和卸載運行；第二是需要給干燥器和壓縮機提供持續壓縮空氣以保證干燥器的再生循環排氣和壓縮機第二級疏水排氣，因為逆止閥的存在，在壓縮機卸載運行時，干燥器將沒有壓縮機空氣進行再生，如果沒有持續的壓縮空氣給干燥器進行再生用氣消耗，干燥器露點將持續升高，導致供給用戶的壓縮空氣露點不合格，基于以上原則有如下三種方案可解決壓縮機頻繁加卸載問題。

2.1 方案一

將壓縮機加載和卸載信號取壓點從壓縮機出口改到儲氣罐后的母管上，通過用戶的實際需求量來控制壓縮機加載和卸載，可以通過一個壓力開關將母管實際壓力送至壓縮機內部PLC來控制加卸載，同時用一個一寸的管道將干燥器和儲氣罐之間的逆止閥跨接，用儲氣罐內的壓縮空氣來滿足干燥器和壓縮機第二級疏水閥持續消耗的壓縮空氣，由于壓縮機第二級疏水電磁閥是失電開啟的，因此需要在跨接管道上安裝一個失電關閉的電磁閥，以保證全廠失電后儲氣罐內的壓縮空氣不會從壓縮機第二級電磁閥排出，這個電磁閥的設計是基于CAS系統儀用空氣子系統縱深防御功能的，因為在AP1000核電廠全廠失去交流電源的情況下，柴油機啟動到帶載儀用壓縮機需要4 min，因此CAS儀用空氣子系統2個儲氣罐設計需要提供至少4 min的壓縮空氣給核安全相關的氣動閥門用氣，從而給備用柴油機的啟動并帶載壓縮機提供時間，流程簡圖見圖2。

圖2 方案一流程簡圖Fig.2 Simplified flow of scheme 1

此方案經過了海陽AP1000核電廠CAS系統調試的實際驗證，頻繁加卸載時間明顯改善，加載和卸載時間分別都在3 min左右。

本方案的執行需要選取以下元器件：

壓力開關，將壓力開關的定值調整為在母管壓力為0.93 MPa時觸點斷開，使得壓縮機卸載，在母管壓力為0.86 MPa時，觸點閉合，使得壓縮機加載；

電磁閥，失電關閉的電磁閥，電磁閥的電源為交流電，可取至干燥器內的交流電源，當全廠失電時，壓縮機停運，電磁閥自動關閉，以防止儲氣罐的壓縮空氣從壓縮機第二級疏水電磁閥排出，滿足儀用壓縮空氣的縱深防御功能；

一個空氣開關，用于切換壓縮機的遠程和內部加卸載控制方式，空氣開關閉合，導通壓縮機PLC遠程加卸載控制功能，開關斷開，切斷遠程加卸載控制，恢復壓縮機出口傳感器內部控制加卸載，這樣的好處是在遠程加卸載出現問題時，能夠切換到壓縮機內部加卸載；

2芯控制電纜及配套的保護套管，用于將壓力開關信號送至壓縮機內部PLC；

1英寸的不銹鋼管道，用于旁通干燥器和儲氣罐之間的逆止閥。

2.2 方案二

壓縮機加卸載信號取壓點還是在儲氣罐后的母管上，和方案一相同，區別就是將一寸的跨接管道取消，在壓縮機和干燥器之間安裝另外一個儲氣罐，一般稱為濕罐，用這個儲氣罐來滿足干燥器和壓縮機第二級疏水閥持續消耗的壓縮空氣，這個方案對系統的改造相對較大，需要在壓縮機和干燥器之間有足夠空間來安裝濕式儲氣罐，并且需要對系統供氣主管道進行設計改造，重新布局，施工難度相對較大，預計實施方案的費用相比方案一也較多，海陽核電廠由于CAS系統壓縮機和干燥器之間沒有足夠的空間再安裝一個濕式儲氣罐，因此未對本方案進行試驗，但是本方案在一些已運行的火電廠壓縮空氣系統已投運。

2.3 方案三

拆除圖1中干燥器和儲氣罐之間的逆止閥閥芯，這樣壓縮機、干燥器、儲氣罐和用戶之間就是貫通的。儲氣罐的壓縮空氣不僅能向下游用戶供氣，也能夠反向給壓縮機和干燥器的排氣用氣，這樣就不用改變壓縮機加卸載控制的取壓點，該方案對系統的改造較小，簡單易行，效果也不錯。在海陽做試驗時，加卸載時間也明顯改善，大約2 min左右。但是該方案的缺點是在核電廠全廠失電事故時，儲氣罐的壓縮空氣會不斷從壓縮機的第二級疏水電磁閥排出，導致儲氣罐內儲存的壓縮空氣不斷流失，破壞CAS儀用空氣子系統的縱深防御功能；針對廠用空氣子系統，該方案是可行的，因為廠用空氣系統的用戶沒有核安全相關的設備，沒有縱深防御功能，失去全廠交流電源的情況下也不需要柴油機帶載運行。

3 結論

CAS系統設計的目的是為下游用戶提供合格壓力和流量的壓縮空氣，壓縮機是否加載向下游供氣應該取決于用戶的實際用氣情況，因此將壓縮機加載和卸載控制取壓點設置在儲氣罐后是一個合理的選擇，這樣能徹底解決壓縮機頻繁加卸載問題，不僅滿足了設計的原則也能夠延長壓縮機設備的使用壽命，儀用空氣子系統推薦使用方案一，廠用空氣子系統推薦使用方案三，本文提出的方案可以作為后續AP1000核電機組CAS系統的設計提供一些借鑒。

[1] 林誠格. 非能動安全先進核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

LIN Cheng-ge. Passive Safety Advanced Nuclear Power Plant AP1000 [M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2008.

The Frequently Loading and Unloading Problems and Solutions for the Compressed and Instrument Air System (CAS) in AP1000 NPP

WU Yue, CHEN Jian-xu, TANG Jun
(Shandong Nuclear Power Co.,Ltd., Haiyang, Shandong Prov. 265116,China)

This thesis analyzes the reasons for frequently loading and unloading problems occurring in the CAS commissioning tests for the AP1000 nuclear power plant, which turned out to be caused by the illogical mechanical system design. Three resolutions are put forward in details, of which, the first and third resolution are proved to be feasible in practice when Haiyang NPP was tested. The second resolution has not yet been tested since Haiyang site are not ready. Solution of this frequently loading and unloading problem ensures not only the stable and safe operation of CAS, but gas-supplying reliability for its users. This thesis can also be usedfor reference when CAS needs to be re-designed in new-build AP1000 nuclear power plants.

compressor; loading and unloading; solution

TM623 Article character: A Article ID:1674-1617(2016)04-0329-04

TM623

A

1674-1617(2016)04-0329-04

2016-10-21

吳 越（1984—），男，四川成都人，工程師，工學碩士，從事核電廠工藝系統調試和運行工作。