核電機(jī)組應(yīng)急冷凍機(jī)組跳閘原因分析

方吉贏，胡亦磊

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山核電30萬千瓦機(jī)組應(yīng)急冷凍系統(tǒng)為01#、02#、05#廠房空氣冷卻循環(huán)機(jī)組和05#廠房的事故送風(fēng)機(jī)組提供冷凍水，應(yīng)急冷凍水系統(tǒng)在電廠各種模式下始終保持運(yùn)行狀態(tài)，作為核島廠房可靠冷源向用戶供應(yīng)冷凍水。應(yīng)急冷凍水系統(tǒng)控制電廠重要場所保持一定的溫、濕度，并在事故工況下及時(shí)將專設(shè)泵電機(jī)發(fā)出的熱量從室內(nèi)帶出，以緩解事故產(chǎn)生的嚴(yán)重后果。秦山核電30萬千瓦應(yīng)急冷凍機(jī)組采用2×100%容量的一用一備的運(yùn)行方式，單臺(tái)冷凍機(jī)不可用時(shí)，另一臺(tái)應(yīng)急冷凍機(jī)組進(jìn)入臨時(shí)SPV設(shè)備。冷凍機(jī)組可靠性降低，專設(shè)安全設(shè)施喪失冷卻的風(fēng)險(xiǎn)增加，嚴(yán)重時(shí)將迫使電廠降功率或停機(jī)停堆。

1 設(shè)備特點(diǎn)

秦山核電廠冷凍水系統(tǒng)有兩臺(tái)100%容量的冷凍機(jī)，每臺(tái)冷凍機(jī)由離心式壓縮機(jī)、潤滑油系統(tǒng)、冷凝器、蒸發(fā)器、自動(dòng)控制裝置等設(shè)備組成。

離心式冷凍機(jī)采用蒸汽壓縮式制冷方式，其制冷原理是通過壓縮機(jī)壓縮制冷劑蒸汽，使其壓力、溫度提高，然后通過冷卻水放熱后冷凝為高溫高壓制冷劑液體，再通過膨脹閥（或節(jié)流孔）節(jié)流，使之變?yōu)榈蛪骸⒌蜏氐闹评鋭┮后w，在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為蒸汽，同時(shí)從冷凍水中獲取熱量使冷凍水溫度降低，從而達(dá)到制冷的目的。一個(gè)制冷循環(huán)包括壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)4個(gè)必不可少的過程。

制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，吸收冷凍水的熱量后，沿吸入口經(jīng)導(dǎo)葉進(jìn)入壓縮機(jī)。被壓縮機(jī)加壓后，制冷劑溫度升高，沿出口管線進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻為液態(tài)后流入蒸發(fā)器，如此形成循環(huán)（圖1）。冷凍機(jī)組現(xiàn)運(yùn)行方式采用不連續(xù)間斷運(yùn)行，冷凍機(jī)組根據(jù)冷凍機(jī)出水溫度啟停，應(yīng)急冷凍機(jī)組冷凍水出口溫度大于15℃時(shí)啟動(dòng)冷凍機(jī)組，當(dāng)應(yīng)急冷凍機(jī)組冷凍水出口溫度下降至接近8℃（應(yīng)急冷凍機(jī)組跳閘定值3℃，復(fù)位值7℃），停運(yùn)應(yīng)急冷凍機(jī)組。冷凍機(jī)組沒有油分，如引射器裝置。

圖1 冷凍機(jī)工作原理

離心式壓縮機(jī)由電機(jī)、葉輪、擴(kuò)壓器、入口導(dǎo)葉組成，冷媒由入口導(dǎo)葉進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，加大動(dòng)能后沿葉輪半徑方向甩出，進(jìn)入擴(kuò)壓器，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能從而提高冷媒壓力。

機(jī)組會(huì)根據(jù)負(fù)荷大小調(diào)整入口導(dǎo)葉的開度，導(dǎo)葉容量控制的液壓系統(tǒng)包括4個(gè)電磁閥，有壓力的油經(jīng)過過濾器后直接由電磁閥操縱。根據(jù)控制信號(hào)的顯示為有負(fù)荷或無負(fù)荷決定油的流向。開放葉片（使壓縮機(jī)負(fù)荷）則1號(hào)、3號(hào)電磁閥通電，2號(hào)、4號(hào)電磁閥斷開，使油從A方向流向活塞的另一方。關(guān)閉葉片（使壓縮機(jī)無負(fù)荷），則1號(hào)、3號(hào)電磁閥斷開，2號(hào)、4號(hào)電磁閥通電，將活塞和葉片移向無負(fù)荷的位置。當(dāng)1號(hào)、2號(hào)電磁閥通電；3號(hào)、4號(hào)電磁閥斷開時(shí)油壓會(huì)直接沖擊活塞A接口和B接口，導(dǎo)葉控制原理如圖2所示。

圖2 導(dǎo)葉控制原理

2 跳閘事件描述和原因分析

2.1 跳閘事件描述

在啟動(dòng)應(yīng)急冷凍機(jī)組的過程中，機(jī)組啟動(dòng)約15 s之后跳閘，同時(shí)在現(xiàn)場報(bào)警盤發(fā)出壓縮機(jī)故障報(bào)警，經(jīng)過檢查現(xiàn)場參數(shù)沒有其他異常。

2.2 跳閘事件原因分析

根據(jù)制造廠運(yùn)維手冊和機(jī)組運(yùn)行規(guī)程提示，“壓縮機(jī)電機(jī)故障”可能的原因有三相電壓不平衡、電壓下降大、電氣保護(hù)繼電器誤動(dòng)、電機(jī)過載等。應(yīng)急冷凍機(jī)組在啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，應(yīng)急冷卻水泵和機(jī)組油泵隨即自動(dòng)聯(lián)鎖啟動(dòng)，相關(guān)儀表參數(shù)顯示正常，15 s后機(jī)組壓縮機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，2～3 s后就地控制屏上觸發(fā)“壓縮機(jī)電機(jī)故障報(bào)警”，冷凍機(jī)組自動(dòng)跳閘停機(jī)。

根據(jù)故障分析，導(dǎo)葉控制故障可能會(huì)造成電流大的現(xiàn)象。將能量調(diào)節(jié)裝置調(diào)整至手動(dòng)狀態(tài)，試驗(yàn)啟動(dòng)油泵，手動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，現(xiàn)場觀察導(dǎo)葉開度變化與手動(dòng)能量調(diào)節(jié)趨勢一致，排除導(dǎo)葉故障的可能。

從邏輯控制分析，故障可能出現(xiàn)在容量控制系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)置上。此冷凍機(jī)組是定頻壓縮機(jī)，容量控制只有通過控制進(jìn)氣口導(dǎo)葉來調(diào)整進(jìn)氣量來實(shí)現(xiàn)，手段單一。而秦山地區(qū)冬夏氣候溫差大，單位體積水負(fù)荷差別大，冷卻水冷凍水溫在各個(gè)季節(jié)也會(huì)出現(xiàn)升降。關(guān)于容量控制設(shè)置負(fù)荷參數(shù)方面，符合冬季低水溫的參數(shù)就不一定符合夏季情況，會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷設(shè)置值所需的導(dǎo)葉開度過大，導(dǎo)致導(dǎo)葉打開時(shí)出現(xiàn)電流增加過快，可能會(huì)出現(xiàn)過電流跳機(jī)。

近年曾出現(xiàn)應(yīng)急冷凍機(jī)壓縮機(jī)啟動(dòng)20 min后發(fā)壓縮機(jī)電機(jī)故障報(bào)警，故障原因?yàn)楸倔w上的控制能量電磁閥故障。根據(jù)故障現(xiàn)象和歷史情況分析，本次啟動(dòng)后跳閘可能是相同原因?qū)е隆z查相關(guān)電磁閥功能正常，排除因電磁閥造成的電流過大、壓縮機(jī)電機(jī)故障報(bào)警的可能。

根據(jù)故障分析，檢查壓縮機(jī)電機(jī)的電氣控制回路中可能存在的故障。對3E-ry繼電器（壓縮機(jī)故障報(bào)警是由于該繼電器動(dòng)作后引起的跳閘）進(jìn)行校驗(yàn)，并校驗(yàn)整流器SET-3A，校驗(yàn)結(jié)果均為合格，排除了由于電氣控制回路中某些元器件誤動(dòng)作導(dǎo)致跳閘的可能。同時(shí)可得出跳機(jī)是因?yàn)閴嚎s機(jī)電機(jī)過負(fù)荷所致，不是電源相電壓不平衡等原因。

查閱全自動(dòng)啟動(dòng)程序。當(dāng)打開啟動(dòng)開關(guān)時(shí)，油泵開始運(yùn)行，油壓上升，開始給軸承和其他部件供油；油壓上升后約30 s內(nèi)，且關(guān)閉氣流調(diào)節(jié)器后，冷水機(jī)組開始啟動(dòng)；啟動(dòng)后15 s內(nèi)，冷水機(jī)組自動(dòng)開始正常運(yùn)行；達(dá)到正常運(yùn)行時(shí)，流量調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開，制冷能力增加，冷水開始冷卻。是冷水機(jī)組啟動(dòng)后約30 s發(fā)生的跳閘（此處因果關(guān)系不明，且與前文“2.1跳閘事件描述”中15 s發(fā)生跳閘的描述不符，需查實(shí)確認(rèn)）。查找歷史狀態(tài)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)本燃料循環(huán)（C20）1#機(jī)由于油位低曾經(jīng)加油3次，且未發(fā)現(xiàn)有外漏現(xiàn)象，說明潤滑油隨機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入蒸發(fā)器等設(shè)備。離心式冷凍機(jī)采用迷宮密封，充分利用離心式壓縮機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的特性，有效發(fā)揮迷宮高速轉(zhuǎn)動(dòng)后的熱力學(xué)性能保證密封，同時(shí)迷宮的金屬材料不受高溫的影響。迷宮式密封比較依賴于兩端壓差，當(dāng)冬季環(huán)境溫度過低和冷水出口溫度太高時(shí)導(dǎo)致冷凝壓力小于油壓，如果壓差時(shí)間過長，就很有可能會(huì)跑油。

另外，冬季負(fù)荷較小的情況下，冷媒壓縮比增大，冷媒氣體過熱度增大、壓力變低，不利于壓縮機(jī)迅速建立壓差，在這樣的情況下更容易發(fā)生壓縮機(jī)進(jìn)液和跑油。通過壓縮機(jī)迷宮式機(jī)械密封跑油，潤滑油跟隨氟利昂進(jìn)入冷凍機(jī)各個(gè)位置，導(dǎo)致油箱油位下降。發(fā)生故障的冷凍機(jī)技術(shù)較陳舊，沒有設(shè)置專門的在線油回收裝置，混入氟利昂系統(tǒng)里面的潤滑油不能自動(dòng)回收。混入的潤滑油以一種游離態(tài)存在氟利昂系統(tǒng)里，導(dǎo)致氟利昂不完全氣化。當(dāng)冷凍水溫較高時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)導(dǎo)葉迅速打開至全開，壓縮機(jī)內(nèi)液化的氟利昂和混入的潤滑油產(chǎn)生泡沫，大量氣泡狀吸入壓縮機(jī)產(chǎn)生液壓縮，因此壓縮機(jī)負(fù)荷加重，運(yùn)轉(zhuǎn)電流上升，導(dǎo)致壓縮機(jī)電機(jī)過電流停機(jī)。

3 預(yù)防措施

（1）負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致潤滑油供應(yīng)過多而導(dǎo)致油位下降時(shí)，避免補(bǔ)充額外的潤滑油。

（2）調(diào)節(jié)油過濾器上部閥門以及電機(jī)軸承供油閥門使油供應(yīng)和回收順暢。

（3）在正常負(fù)載下運(yùn)行并且壓力穩(wěn)定，則具備了潤滑油回收正常運(yùn)行的條件。按國標(biāo)及728院核級(jí)冷凍機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范書及廠家使用說明書要求，冷卻水進(jìn)水溫度32℃，出水溫度37℃，冷凍水進(jìn)水溫度12℃，出水溫度7℃。目前冷卻水進(jìn)水溫度設(shè)定在26.5℃，設(shè)定值過低。設(shè)備調(diào)試必須在額定（標(biāo)準(zhǔn)工況）工況下進(jìn)行，否則所有參數(shù)誤差太大，對設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行不利。尤其在冬季，冷卻水水溫過低將會(huì)增加設(shè)備及跑油風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

經(jīng)處理后至今沒有再出現(xiàn)因類似原因造成的跳機(jī)。查尋歷史工單發(fā)現(xiàn)油箱油位低出現(xiàn)次數(shù)較高，尤其是在冬季，壓縮機(jī)電機(jī)潤滑油經(jīng)常跑油至制冷劑中，導(dǎo)致電機(jī)過負(fù)荷跳機(jī)問題。應(yīng)該避免補(bǔ)充額外的油并使冷卻水溫在合理區(qū)間內(nèi)。