通風系統中電加熱器的應用與故障分析

竹俊濤，李成鈿，何 歐，余鎮江，王宏業

（中國核動力研究設計院，成都 610213）

0 引言

電加熱器是通風系統的重要組成設備，保證了放射性氣體排放達標，保障了系統安全高效運行。在異常工況和事故工況下，可觸發保護動作，保護人員、反應堆和系統設備的安全，避免環境受到放射性污染[1-3]。因此，通風系統電加熱器可靠穩定運行對反應堆的安全運行起著非常重要的作用。

反應堆長時間運行發現，通風系統電加熱器出現了無法自動投入、自動停止以及機組未啟動，電加熱器自動啟動等一系列故障[4,5]。目前，不具備對通風系統電加熱器故障情況的全面總結與分析，技術人員對其進行維修，但排查過程復雜且盲目，耗時久，致使維修成本高、維修時間長[6]。以下將介紹電加熱器的控制原理，建立故障知識樹，并在此基礎上給出故障維修措施與設計建議。

1 電加熱器控制原理

電加熱器聯鎖控制功能是保證放射性氣體達到排放標準的重要設備，對反應堆通風系統的安全穩定運行起著至關重要的作用。電加熱器自動控制的基本構成包括控制室、控制柜、就地設備和工藝過程。根據工藝要求，單列機組配備1組或3組電加熱器。它的控制邏輯圖如圖1所示。運行過程中，在控制柜將電加熱器投入自動運行工況，當差壓開關檢測到通風管中壓力達到200Pa，同時溫度低于45℃時，觸發電加熱器啟動信號；反之，當壓力低于200Pa或溫度高于70℃時，觸發停止信號。電加熱器未投入自動運行工況，控制柜就地啟動按鈕，電加熱啟動；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樹

反應堆通風系統運行過程中，電加熱器出現了無法自動投入、自動停止、機組未啟動，以及電加熱器自動啟動等故障情況。以上問題的出現，嚴重影響了通風系統的穩定運行，影響放射性氣體正常排放，拖延了反應堆試驗進度。為提高后續故障診斷率，給用戶進行故障診斷提供指導性依據，基于電加熱器控制組成及邏輯，分析聯鎖信號觸發情況、差壓開關故障情況，以及對電加熱器自身情況進行分析研究，結合長時間運行積累和調研結果，建立反應堆通風系統電加熱器故障樹，如圖2所示。

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

由圖2可知，電加熱器故障主要由溫度開關、差壓開關以及電加熱自身引起。為進一步細化故障原因，為用戶進行故障診斷提供針對性指導，分別從溫度開關、差壓開關以及電加熱自身3個方面展開分析。

2.1 差壓開關

差壓開關也包括微差壓開關，分為核級與非安全級，根據工藝需求可選擇防爆型差壓開關。通風系統中常用的差壓開關如圖3所示，具有常開（NO）與常閉（NC）兩種狀態，工作時，將NC端子接入電路中，控制電加熱器的聯鎖啟動。由于排風管道內為負壓，用引壓管將氣體引入負壓腔，另一端與大氣相連，當壓力達到設定值時，機械式彈簧片發生位移，驅動開關翻轉，接通線路。簡而言之，即管道內空氣壓力達到設定值時，差壓開關動作，發出電信號，電加熱器啟動。

圖3 差壓開關Fig.3 Differential pressure switch

基于差壓開關工作原理，結合運行實際情況，分析發現自動控制狀態下差壓開關引發電加熱器誤啟動（故障）主要為以下幾種情況：

1）差壓開關設定值過小

管道上電動密閉閥密封不嚴，風機停止后管道內仍存在使差壓開關動作的壓力，使其始終處于常閉狀態，電加熱器收到啟動信號誤啟動。

2）差壓開關安裝位置

差壓開關安裝位置不合理致使差壓開關動作，電加熱器誤啟動。圖4為某一系統的系統流程圖，兩列機組互為備用。

圖4 某系統局部系統流程圖Fig.4 A partial system flow chart of a certain system

表1注明了各系統運行和停運時差壓開關引壓管所受壓力。表1中，序號①③⑤系統差壓開關安裝位置于圖4位置1。機組運行時防火閥處于常開狀態，差壓開關引壓口壓力值受另一列機組風量的影響。當另一列機組風量值使得壓力達到本列差壓開關動作設定值，差壓開關誤動作。例如，當應急控制室通風系統1#機組運行時，測得差壓開關引壓管所受壓力為1700Pa，此時，測得應急控制室通風系統2#機組（停運狀態）差壓開關引壓管所受壓力為1690Pa，2#機組差壓開關誤動作；當應急控制室通風系統2#機組運行時，測得差壓開關引壓管所受壓力為1720Pa，此時，測得該系統1#機組（停運狀態）差壓開關引壓管所受壓力1680Pa，1#機組差壓開關誤動作。

表1 各系統差壓開關相關壓力Table 1 Relative pressure of differential pressure switch of each system

表1中序號②④⑥系統差壓開關安裝位置于圖4位置2所示。機組停運后密封閥關閉，當密封閥密封不嚴或存在泄漏時，另一機組風量會竄到本列機組導致差壓開關動作從而啟動電加熱器。例如，當通風系統1#機組運行時，測得差壓開關引壓管所受壓力為1560Pa，此時，測得通風系統2#機組（停運狀態）差壓開關引壓管所受壓力為230Pa，2#機組差壓開關誤動作；當通風系統2#機組運行時，測得差壓開關引壓管所受壓力為1580Pa，此時，測得該系統1#機組（停運狀態）差壓開關引壓管所受壓力為210Pa，1#機組差壓開關誤動作。

3）差壓開關引壓管過長、過細、拐角過多，系統停運后差壓開關無法泄壓，導致電加熱器不會自動停運。在排查過程中，將引壓口一側接口取下，差壓開關未恢復到常開狀態。當取下差壓開關一側接口時，開關恢復到常開狀態。由此可見，引壓管的長度、曲折度會影響到差壓開關的正常泄壓，進而導致電加熱器啟停異常。除此之外，引壓管堵塞也會導致差壓開關無法正常工作。

4）差壓開關接線松動。如圖5所示，在差壓開關回裝過程中，發現插針插入公插座，塑料反扣卡在插針凹槽中，以固定插針。在插拔過程中，由于塑料扣不牢固，導致插針后退，未插入母插座中。因此，無論差壓開關是否動作，電加熱器都不能正常啟動。

圖5 航插接頭Fig.5 Aerial plug connector

5）差壓開關自身損壞。在對差壓開關調試檢查時，發現VVS101SD無論壓力為多大都無法動作。經廠家檢查，確定為處理模塊損壞。

2.2 溫度開關

溫度開關在核安全級系統中，起到觸發電加熱器自動控制的作用。在非安全級系統中，將溫度信號和報警信號傳送至運行保障控制室，起監控作用。經排查發現，溫度開關航插接頭松動，無論溫度開關是否動作，電加熱器都不能正常啟動。

2.3 電加熱器

電加熱器具有自保護功能，其在內部安裝了高溫傳感器、熔斷器等。當風道空氣溫度超過設定值或出現短路時，熔斷器自動熔斷，并將高溫信號傳入控制回路中，電加熱器無法自動和手動啟動。

3 解決措施與建議

根據調研結果以及長時間運行經驗積累，在針對電加熱器問題的排查與維修中，問題主要鎖定在溫度開關和差壓開關異常。現分別從溫度開關和差壓開關兩個維度，給出故障解決措施與相關建議。

3.1 溫度開關

首先，對接線端子進行檢查，保證接線牢固。將溫度開關內部兩根接線短接，繼電器動作，控制回路線路正常；否則線路松動，檢查航插接頭以及相關線路。將溫度開關的金屬桿放入大于45℃低于75℃的水中，開關動作，常開變為常閉，溫度開關正常，否則溫度開關損害，更換溫度開關。

3.2 差壓開關

根據上節排查結果，基于差壓開關自身儀表角度提出以下故障解決措施：

1） 通過標準表對差壓開關動作值進行校驗，觀察開關動作值是否與設定值200Pa一致。若不一致，開關內部彈簧發生彈性形變，調節差壓開關調值螺母將開關動作設定值調整到200Pa并送檢定單位檢定。

2）針對有源型差壓開關故障，排查儀表電壓是否滿足額定電壓要求，排除保險絲熔斷造成的斷電以及失壓問題。

3）對差壓開關正壓腔進行打壓，逐漸升高壓力直至達到儀表最大工作壓力。差壓開關始終未動作，則內部處理模塊損害，更換處理模塊。

4）確保航插連接到位，電路穩定牢靠。

除差壓開關自身儀表故障外，受外部因素影響致使差壓開關引壓管兩端壓差達到動作值，差壓開關誤動作。電加熱器異常啟動，對通風系統的穩定運行具有巨大威脅。為避免錯誤信號誤啟動電加熱器，從設計與維修角度提出以下措施與建議：

a）對系統管路上的電動密閉閥進行密封性試驗，保證其密封效果良好，避免已啟動的機組管道中的風量串到備用機組中，致使更換機組后差壓開關誤啟動。

b）為避免差壓開關誤啟動，在電動密封閥密封效果優良的前提下，對引壓管的引壓口位置做調整，將其設置在排風機上游，保證引壓口與大氣相通，如圖4中差壓開關理想位置所示。

c）在設計階段，建議將機組風機的啟動與停止信號加入到電加熱器的啟動信號。目前，只有機組風機啟動信號參與到電加熱器啟動控制中，若風機出現異常，啟動信號未丟失，電加熱器繼續運行，存在安全風險。

4 結語

反應堆通風系統中，電加熱器的穩定應用直接關系到通風系統的正常工作以及機組的聯鎖啟動，關乎到反應堆的安全運行以及放射性氣體的排放。為提高電加熱器維修效率，保障反應堆通風系統的安全穩定運行，從電加熱器控制原理入手，結合運行經驗與調研結果，建立了通風系統電加熱器故障知識庫，并詳細分析了造成電加熱器故障的相關因素。基于長期運行積累的實踐經驗，給出了通風系統電加熱器的故障排查方法以及相關設計建議，可為后續通風系統電加熱器的設計、維保維修提供技術性指導。