陈 军，韩 巍，周 冲，韦庆典

(中广核工程有限公司,广西防城港538003)

仪用压缩空气SAR001MD涡轮流量计故障分析及处理

陈 军，韩 巍，周 冲，韦庆典

(中广核工程有限公司,广西防城港538003)

反应堆厂房入口仪用压缩空气流量计SAR001MD作为核电站重要监测仪表之一，流量数据的准确性关系到机组的安全运行。一旦出现故障必须予以高度重视，及时解决。某核电站CPR1000机组，在1号机组状态首次即将进入临界阶段时，出现SAR001MD流量计大幅度波动现象，导致安全壳泄漏率监测系统不可用，机组状态停滞。

仪用压缩空气系统；流量计；故障；分析及处理

核电站仪用压缩空气系统(SAR)分为常规岛、BOP和核岛三部分。核岛SAR系统分为反应堆厂房RX外及反应堆厂房内两部分。每一个反应堆厂房入口各设置一台流量计SAR001MD以监测RX厂房内用气量。反应堆厂房入口流量监测数据也是安全壳泄漏率监测系统必不可少的一个元素，安全壳泄漏率在线监测系统每2秒采集流量数据，以半小时平均值计算，通过SEXTEN2(安全壳泄漏率监测系统)系统计算出每天安全壳泄漏率QLD，公式如下：

从上述公式中不难看出，流量测量误差会对安全壳泄漏率计算带来直接影响，流量值的正确性是分析判断安全壳是否泄漏最基本保证。倘若仪用压缩空气SAR001MD流量计故障测量不到数据或者大幅度波动超出SEXTEN2系统所需要的流量数据范围，则会导致安全壳泄漏率在线监测系统数据点QLD偏离原先的拟合曲线，此时监测系统会出现“不可利用的日数据点(泄漏率有轻微的变化)”提示，系统不可用。根据核电厂运行规程要求，机组状态临界后5日内必须投运安全壳泄漏率在线监测系统，若不能满足要求，则机组后撤至冷停堆查找原因。

1 背景

2015年10月某核电站1号机组即将进入首次临界，在机组临界前期根据其他已运行核电站关于安全壳泄漏率在线监测系统故障的经验反馈，提前投运安全壳泄漏率在线监测系统验证其监测功能的可靠性。发现安全壳泄漏率在线监测系统因SAR001MD流量计大幅度波动，采集数据不可利用，导致在线监测系统无法投运。流量最大值可达40～60Nm3/h，最小值出现0Nm3/h，且流量曲线呈周期性变化，约12min，如图1所示。自2015年4月SAR001MD流量计调试以来，流量值波动大故障一直存在，并未引起高度重视。机组临界在即，为确保机组安全运行，必须及时查找出SAR001MD流量计故障原因，并予以解决。

图1 SAR001MD异常流量曲线Fig.1 The abnormal flow curve of SAR001MD

2 SAR001MD涡轮流量计工作原理

流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器(由永久磁钢和线圈组成)的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至DCS，显示出流体的瞬时流量和累计量。在一定的流量范围内，脉冲频率f与流经传感器的流体的瞬时流量QV成正比，流量方程为QV=3600×f/k。经压力和温度补偿后换算成标准大气压下的气体流量QVN，其简化公式如下：

式中：f——脉冲频率，Hz；

k——传感器的仪表系数，由校验单给出；

3600——换算系数。

3 故障分析

通过对比分析防城港核电站1号机组SAR001MD流量计曲线与其他已运行核电站流量历史曲线，分别从流量计本体、控制通道、DCS组态、安装质量、空压机运行方式、压缩空气分配系统工艺等多个角度展开分析，采用排除、论证方式一一查找故障的原因。

3.1 流量计本体检查

初步怀疑SAR001MD流量计自身存在缺陷，2015年4月25日对SAR001MD进行解体检查，发现流量计内部涡轮转子叶轮轴承偏斜与壳体发生碰撞,出现严重卡涩，有时卡死现象，且其中两片叶轮的磁棒已丢失，如图2所示。于是更换2号机SAR001MD流量计至1号机试验，回装之前为排除流量计检测线圈、前置放大器、仪表系数漂移等故障，将流量变送器返厂进行校验，发现除个别点流量超差，线性不太好以外，并未出现现场使用中波动的情况，流量计仪表系数、精确度合格。仪表校验报告如图3。2015年8月20日将2SAR001MD流量计回装并进行验证试验，发现流量值及曲线仍然波动较大，相比之前曲线并没有改善。因此排除流量计本体故障因素所致。

图3 2号机SAR001MD流量计校验报告Fig.3 The calibration report of 2SAR001MD

3.2 DCS组态检查

为排除DCS组态编程错误导致流量计故障的可能性，对DCS组态参数、量程、计算公式等进行检查，对比参考其他已运行核电站DCS组态参数设置。发现DCS数据库中仪表的各项参数、量程正常，组态与其他电站基本保持一致，排除因参数、量程设置错误导致计算结果成倍放大的可能。各核电站DCS组态参数对比如图4所示。

3.3 控制通道检查

2015年8月21日对SAR001MD流量计至DCS机柜侧、机柜至DCS侧的测量通道进行检查。

1) 对比其他已运行核电站SAR001MD现场安装位置一致，附近无大功率电机、变频器、强电流设备等外来干扰源。并检查仪表控制电缆屏蔽线及仪表接地均无异常。

2) 对SAR001MD的通道进行检查，在机柜侧和就地侧分别用劲仪模拟不同频率的脉冲信号，同时模拟管道工作压力，发现DCS输出平稳，DCS显示值与理论计算值基本一致，排除通道、DCS卡件故障的可能性，同时也再次验证DCS数据库参数设定正确。测量数据如图5所示。

图4 各核电站DCS组态参数Fig.4 DCS configuration of the other nuclear power station

图5 模拟脉冲信号测量数据Fig.5 The data of simulating pulse signal

3) 利用示波器在DCS机柜侧进行示波，检测SAR001MD输出波形。发现SAR001MD输出波形正常，符合SAR001MD输出高电平大于15V，低电平小于4.5V要求，排除因SAR001MD输出波形不标准造成的波动故障原因。输出波形如图6所示。

经上述各项通道检查试验验证表明SAR001MD流量计控制通道无异常，也无外来电磁场干扰。

3.4 空压机运行方式调整

图6 SAR001MD输出波形Fig.6 Output waveform of SAR001MD

通过对空压机加卸载运行周期、压缩空气管网压力曲线、SAR001MD流量计测量曲线三者进行比较分析。由图1可以看出当空压机处于加载运行时，压缩空气管网压力随之上升，压力上升至约8.2barg流量曲线瞬时上升至最大值；当空压机处于卸载状态时，管网压力不断下降，流量曲线瞬时回零，且呈周期性，约12min。尤其是当两台空压机加载运行时波动更加明显，由此判断引起SAR001MD流量计波动故障的根本原因可能是空压机加卸载频繁导致压缩空气管网压力频繁波动，流量计也随之波动。产生该现象的原因有两种：一、调试期间压缩空气下游用户用气量大，单台空压机无法维持管网压力，两台空压机定期加卸载；二、空压机加卸载压力定值、加卸载时间设定值等运行参数与当前工况不匹配。针对这两方面因素，2015年8月30日至9月20日对空压机运行方式作出如下调整试验：

1) 调整空压机加卸载定值区间，由原来的7.6～9.0barg更改为8.2～8.8barg使压缩空气管网压力始终维持在高压力值范围；

2) 调整空压机卸载延时由原来的10s改为30s，使单台空压机保持连续加载，维持管网压力在一定的压力值；

3) 将空压机出口干燥器运行方式调整为节能模式，节省再生用气量；

4) 将空压机退出联控运行，改为单机运行模式，空压机根据本体出口压力定值范围加卸载，以维持湿贮气罐压力，稳定下游管网压力；

5) 为避免厂区内公用压缩空气SAT及2号机压缩空气大量用气等因素干扰，隔离上游气源，仪用压缩空气改由应急空压机直接供气。

经上述调整试验验证后得出结论如下：

1) 关于调整空压机加卸载定值区间、投干燥器节能模式、改变空压机运行模式、由应急空压机供气的试验方法，只是降低了管网压力波动幅度，SAR001MD流量值波动大故障依然存在，效果不明显，进一步排除了空压机运行方式、下游用气量对流量计带来的影响。压力曲线及流量曲线如图7、图8所示。

2) 调整空压机卸载延时30s，会出现当一台空压机或两台空压机连续加载运行时，产气量与下游管网耗气量保持一个平衡状态，此时压缩空气管网压力稳定，压力曲线平缓，流量曲线正常。一旦平衡被打破，空压机就会出现定期加卸载，管网压力波动，流量波动，不能从根本上解决流量计故障。压力曲线及流量曲线如图9所示。

3.5 压缩空气分配系统工艺分析

1) 为排除管道流体介质产生紊流造成流量不稳定因素。根据SAR001MD流量计维修手册，对流量计安装所在直管段是否满足要求进行检查，一般要求上游直管段长度大于10D，下游直管段长度大于5D(D=25mm)。经现场测得SAR001MD上下游直管段长度分别为70mm，不满足仪表安装要求。如图10所示。2015年9月21日对流量计安装所在管线进行改造后继续验证流量计测量值，波动现象仍未改善。

图7 调整空压机运行方式后流量曲线Fig.7 The flow curve after adjusting the air compressor’s operation mode

图8 应急空压机供气流量曲线Fig.8 The flow curve when emergency air compressor is working

图9 调整空压机卸载延时后流量曲线Fig.9 The flow curve after adjusting the air compressor’s unloading time delay

图10 SAR001MD流量计上下游直管段长度Fig.10 Length of straight pipe upstream and downstream with SAR001MD

2) 进一步分析对比阳江核电站管网压力及流量曲线。机组正常运行工况下，由于RX厂房内各系统控制阀不断用气，流经SAR001MD的流量一般维持在5～10Nm3/h之间波动，而防城港核电站流量最大值可达40～60Nm3/h，最小值出现0Nm3/h，出现该现象的原因是当空压机卸载时反应堆厂房内管网压力下降速度较外围管网下降慢，导致RX厂房内压力高于外围管网压力，SAR433VA进气逆止阀关闭，流量计瞬时归零。当空压机重新加载时，外管网压力上升，SAR433VA进气逆止阀开启，流量计瞬时突增。这一现象与实际的运行工况相矛盾，反应堆厂房内仪用压缩空气作为分配系统的最下游，有效体积容量相比于外围管网要少得多，且所供系统用户气动阀不断耗气，因此不会出现反应堆厂房内压力高于外围管网压力。除非有一种可能是SAR003BA贮气罐进口逆止阀SAR612VA内漏，失去其保压功能，变成整个反应堆厂房缓冲罐反向供气所致。SAR流程简图如图11所示。

图11 RX厂房SAR流程简图Fig.11 Simplifized flow of compressed air system in RX bulding

2015年9月29日对SAR003BA贮气罐压力进行就地观察，发现其压力一直波动，区间范围在8.2～8.8barg,周期与空压机加卸载周期、流量曲线波动周期完全重合。于是关闭贮气罐进口隔离阀SAR309VA，将SAR003BA进行隔离验证流量计测量值，流量曲线恢复正常，满足安全壳泄漏率监测系统要求。当开启SAR309VA时，流量曲线再次出现波动故障。由此判断SAR001MD流量计波动故障为逆止阀SAR612VA内漏所致。试验验证曲线如图12所示。

图12 试验验证曲线Fig.12 The testing flow curve

4 解决措施

4.1 SAR001MD流量计换型改造

1) 由于SAR001MD福尔曼涡轮流量计量程为2～10 m3/h，对于0～2 m3/h 低量程范围的测量精度无法保证，与该核电站1号机组SAR仪用压缩空气实际进入反应堆厂房的流量(约为1 m3/h)不匹配， 可能会造成流量回零测量不准现象。

2) 福尔曼涡轮流量计转子叶轮为塑料材质，在操作不当、高速气流冲击、气体携带杂质等情况下，容易造成叶轮轴承偏移、叶片损坏、卡死等现象。其他核电站都曾出现过类似损坏事件。

借鉴于大亚湾核电站SAR001MD流量计运行的良好实践，防城港核电站1号机将FH710型福尔曼涡轮流量计更换成FT3型热式气体质量流量计。

4.2 增加临时逆止阀

由于正常维修逆止阀SAR612VA需要隔离反应堆厂房进气总阀，厂房内下游各系统用户失去仪用压缩空气，机组需退至冷停堆状态。鉴于1号机组已处于预临界状态，这无疑会造成一定的经济损失。经过现场安装空间测量、抗震分析计算，决定在进气隔离阀SAR309VA与SAR003BA贮气罐之间水平管道上增加一台与SAR612VA同类型的临时逆止阀。

经上述两项措施实施完成后，SAR001MD流量计运行稳定，波动大故障得以解决，流量值满足安全壳泄漏率监测系统，保证了防城港核电站1号机组顺利实现临界这一重大里程碑。流量计正常运行曲线如图13所示。

图13 流量计正常运行曲线Fig.13 The normal flow curve of SAR001MD

5 结束语

反应堆厂房入口仪用压缩空气流量计SAR001MD作为核电站重要监测仪表之一，流量数据的准确性关系到机组的安全运行。一旦出现故障必须予以高度重视，及时解决。本文通过工程实践分别从流量计本体、控制通道、DCS组态、安装质量、空压机运行方式、压缩空气分配系统工艺等多方面入手查找到SAR001MD涡轮流量计波动大故障是因逆止阀SAR612VA内漏所致。针对故障原因并结合实际运行工况，采用了流量计换型和增加逆止阀相结合的处理方案。目前流量计及安全壳泄漏率监测系统运行稳定。

[1] 章春伟，杨永灯，乔宇，梁波，安全壳泄漏率在线监测系统原理及数据分析[J]，核安全，2014,13(2)：56-60.

[2] 李玉荣，李晶磊，M310核电站用在线安装流量计的选型与应用问题研究[J]，科技视界，2014,(6)：264-265.

[3] 付勋如，WLB400型涡轮流量计双参数补偿器的研究[J]，计算机测量与控制，2009，17(1)：99-104.

[4] 广东核电培训中心，900MW压水堆核电站系统与设备，北京：原子能出版社，2007.1 .

TheAnalysisandHandlingMethodsofSAR001MDFlowmeter’sFailureofInstrumentAirCompressedSystem

CHENJun，HANWei，ZHOUChong，WEIQing-dian

(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd. Fangchenggang of Guangxi Prov. 538003, China)

SAR001MD flowmeter of instrument air compressed system which is decorated the entrance of reactor building is one of the important nuclear power plant monitoring instrument, the accuracy of the data flow is related to the safety of the unit operation. In case of failure, it must be highly valued and solved timely. One CPR1000 unit of nuclear power plant would enter the critical phase for the first time of unit 1, the flow meter had a large fluctuation, it caused the containment leakage monitoring system to be unavailable, so the unit was in a state of stagnation.

Instrument Air Compressed System；Flowmeter；Failure；Analysis and handling

2017-01-19

陈 军(1982—)，男，广西桂林人，工程师，本科，现主要从事核电站常规岛及BOP调试工作

TM623

：A

：0258-0918(2017)04-0545-09