吴 敏，郑佳强

（山东核电有限公司，烟台 265116）

AP1000 核电站的高压空压机属于压缩空气系统（CAS）的高压空气子系统，此子系统为主控室应急居留系统（VES）提供压缩空气。VES能自动启动和非能动地运行，确保主控室的可居留性，为之提供可呼吸的空气，使主控室中的气压相对于周围环境为正压，防止气溶胶污染物进入主控室。且按照AP1000 设备分级，高压空压机为关键二级设备，所以，高压空压机的“健康”状况在核电站运行期间十分重要。

1 高压空压机设备简介

某核电站一期工程采用的是BUAER 制造的K80-E3∕380 四级往复式压缩机，最大输出压力35 MPa，容积流量1 897 L∕min（进口气体在1个标准大气压，温度和湿度分别为20℃、36%条件下）。压缩机为T 形布置，空气流转过程如图1所示。空气由入口过滤器进入一级压缩机，经过一级压缩后的空气流经一级冷却器再进入二级压缩机。一级、二级压缩机采用的差动活塞总成由同一连杆带动，一级压缩过程是二级吸气过程，一级吸气过程是二级压缩过程。空气经二级压缩和冷却后进入三级压缩机。三级压缩机与一级、二级压缩机成90°角布置，四级压缩机与三级压缩机成180°角对称布置，形成T形结构。这四级压缩机由同一曲轴驱动，曲轴通过皮带由一台380 V、44.1 kW 的电动机驱动。压缩机的各级压缩缸与压缩后的空气由两台轴流风机提供冷却风源，每一级压缩机之后是冷却器，空气经前三级冷却后都跟随一级气水分离装置，将冷却凝结的液态水排出，第四级冷却器后是油水分离器，排出压缩空气中的油水混合液。

2 高温报警停机故障分析

2.1 故障现象描述

图1 压缩空气流程图Fig.1 Compressed air flow diagram

压缩空气高压子系统的功能决定了在正常状态下高压空压机处于停运状态，当某一高压气源由于漏气或电站运行期间的消耗而需要充气时，压缩空气高压子系统投入运行，系统至指定设备的隔离阀手动打开，该设备由高压储气罐供气。当高压储气罐压力下降时，压缩机启动，向高压储气罐充气。

在调试阶段，由于VES 频繁试验，高压气体消耗量大，高压空压机运行时间相对增加。在某次高压储气罐充气过程中，空压机连续运行约41.75 h，于当日14:55发生排气温度高报警停机。

就地检查时，高压空压机已停止运行，报警已消除。发现空压机西侧检修门打开，内部冷凝水储存箱排放阀外接输水管，跨越检修门引到厂房地漏。就地检查显示压缩机与冷却器无明显异常，盘动传动皮带无明显卡顿现象。工作人员恢复检修门关闭状态，重新启动高压空压机，发现第三级与第四级压缩机排气温度快速上升，运行至20 min 时，第三级压缩机排气温度达到180℃，随即停运高压空压机。停运后，工作人员听到有漏气声，断电后打开检修门，检查发现漏气声从第四级压缩机机头位置传出，一台冷却风机皮带断裂。

调取的高压空压机正常运行时和故障停机时各级压缩机排气温度数据如图2所示，数据取自启动后30 min 温度曲线稳定后至运行约18 h，每间隔5 min取一次温度值，共70个值。图3数据取自故障停机前15 h 至故障停机后约2 h，每5 min取一个温度值，共68个值。

图2 正常运行时各级压缩机排气温度曲线Fig.2 Exhaust temperature curve of compressor at all stages during normal operation

从图2曲线可以看出，正常运行时，排气温度最高的为第三级压缩机，温度稳定在154～157℃，二级压缩机排气温度约为140℃，一级压缩机排气温度约为130℃，四级压缩机排气温度约为120℃。

图3 故障停机时各级压缩机排气温度曲线Fig.3 Exhaust temperature curve of compressor at all stages when the machine is shut down

从图3曲线可以看出，第7个数据点处第四级压缩机温度开始有上升趋势，此时约为故障停机当天的零点，第25 个数据点处第四级压缩机排气温度曲线与第一级压缩机排气温度曲线交叉，此时约为当日凌晨4:00，排气温度为130℃。此后，第四级压缩机排气温度持续升高，第三级压缩机排气温度也在升高。在第58个数据点处，第三级和第四级压缩机排气温度开始快速升高，此时约为当日13:00。在14:55，第三级压缩机排气温度达到最大值205℃，第四级压缩机排气温度达到190.5℃的停机限值，触发停机信号，高压空压机跳停，第四级压缩机排气温度继续上升约2 min，升至198℃后开始下降。

图4数据取自故障停机前15 h至故障停机后约2 h，每5 min 取一个温度值和压力值，共取73个值。通过图4故障停机时第四级压缩机排气温度与排气压力曲线可以看出，温度快速上升的起始点与压力停止快速上升的起始点基本重合，时间点约在故障停机当日13:00。

图4 故障停机时第四级压缩机排气温度与排气压力曲线Fig.4 Exhaust temperature curve of compressor at 4th stage when the machine is shut down

2.2 压缩机检修处理及排气温度高原因分析

在活塞式空气压缩机运行过程中排气温度异常的原因主要有［1,2］：

（1）中间冷却效率低；

（2）气阀漏气、活塞环漏气；

（3）压缩机冷源不足。

本台空气压缩机为空冷式压缩机，一级、二级冷却器为翅片管式换热器，三级、四级冷却器为盘管式冷却器，带有两台皮带传动的轴流冷却风机。就地检查显示换热器无异常，西侧风机的两条皮带有一条断裂，该风机为一级、四级冷却器及压缩机本体提供冷却风源。工作人员在运行过程中未听到异响，停运后第四级压缩机机头位置发出漏气声响，且第四级排气温度剧烈升高的时间与高压空压机排气压力快速升高的时间基本重合，由此初步判断故障原因：

（1）第四级压缩机出现故障；

（2）皮带断裂导致空压机机组进风量不足，压缩机散热能力降低。

2.2.1 检修方案

根据上述分析，第四级压缩机需进行解体，鉴于第三级压缩机排气温度高达200℃，可能会对压缩机金属部件的金属特性产生影响，且高温可能导致润滑油碳化，检修方案为解体检查第三级压缩机阀头部分、第四级压缩机气缸部分和阀头部分。

通过解体检查，发现如下异常：

（1）第四级压缩机排气阀座由于高温氧化及润滑油碳化导致变色，密封圈老化，如图5所示；

图5 第四级压缩机排气阀座Fig.5 Discharge valve seat of the 4th stage compressor

（2）第四级压缩机进排气阀波浪式簧片发生疲劳性变，失去弹性，如图6所示；

图6 第四级压缩机进排气阀波浪式簧片Fig.6 Wavy reed for inlet and outlet valve of the 4th stage compressor

（3）第四级压缩机进气阀盘破碎，分裂成4块，如图7所示；

图7 第四级压缩机进气阀Fig.7 Inlet valve disk of 4th stage compressor

（4）第四级压缩机活塞衬套、活塞、活塞环由于高温氧化和润滑油碳化导致变色，如图8和图9所示；

图8 第四级压缩机活塞衬套Fig.8 Piston liner of 4th stage compressor

图9 第四级压缩机活塞、活塞环Fig.9 Piston and piston rings of 4th stage compressor

（5）第三级压缩机进排气阀由于高温氧化及润滑油碳化导致变色，如图10所示。

图10 第三级压缩机进排气阀Fig.10 Suction valve and pressure valve of 3rd stage compressor

2.2.2 第四级压缩机进排气阀结构

第四级压缩机进排气阀采用的是组合式进排气阀结构，如图11 所示。第三级压缩机排气时，第四级压缩机吸气，压缩空气经过第四级压缩机活塞衬套四周的进气孔进入，在衬套内部导流经衬套顶部气孔进入活塞气腔。

图11 第四级压缩机进排气阀截面示意图Fig.11 Cross section of the 4th stage valve head and valves

吸气过程中，气腔内部压力逐渐减小，当气腔外部压力大于内部压力时，即衬套顶部气孔的气流向上顶起进气阀盘和波浪式簧片，进入气腔时,排气阀盘由排出阀弹簧和排气背压压向排气阀座形成密封。压缩过程活塞在衬套中运动，压缩气腔压力升高，当第四级压缩机气腔内压力与第三级排气压力相等时，进气阀盘被波浪式簧片的变形力压向活塞衬套顶部密封面，形成密封，进气阀关闭。

排气过程中，压缩后的空气使进气阀盘压紧活塞衬套，以防止压缩后的空气回到进气管，当气腔压力大于排气背压与排气阀弹簧压力时，排气阀盘被高压气体顶起离开排气阀座，排气阀打开。

2.2.3 产生排气温度高的主要原因

进气阀盘破裂使四级压缩机排气时进气阀的止逆功能丧失，第三级排气阀执行第四级压缩机排气时回气止逆的功能，导致第四级压缩机排气时第三级压缩机排气阀至第四级压缩机气缸之间管道联通，相当于扩大了第四级压缩机气缸容积，形成一个大气腔。但是活塞从上死点运动到下死点时活塞扫过的容积不变，使四级压缩机余隙容积变大。基于此，第三级和第四级压缩机排气温度高的主要原因如下。

（1）第三级压缩机排气温度高的主要原因

第一，第三级压缩机的排气压力为排气阀弹簧压紧力与背压之和，由于第四级压缩机排气时第三级压缩机排气阀与第四级压缩机气缸之间管道联通，排气背压即为第四级压缩机气缸内压力。由于第四级压缩机做功，压力升高，温度升高，第三级压缩机排气背压升高，即第三级压缩机排气压力升高，第三级压缩机压缩比（排气压力∕进气压力）变大［3］。

式中，T1——进气温度，℃；

T2——排气温度，℃；

P1——进气压力，kPa；

P2——排气压力，kPa；

κ——绝热指数，空气为1.4。

式（1）表示排气温度与压缩比（排气压力∕进气压力）之间的关系。当进气压力和进气温度不变时，空气绝热指数为定值，由于排气压力升高，压缩比升高，导致排气温度升高。由于排气温度的升高，导致第三级压缩机排气阀处润滑油高温碳化。

第二，由于余隙容积增大，第四级压缩机排气后，高温高压气体滞留在扩大后的第四级气缸内，随着第四级活塞不断做功，四级排气背压不断增加，使扩大后的第四级气缸内压力、温度不断升高。由于第四级压缩机排气时第三级压缩机排气阀与四级气缸联通，扩大后的第四级气缸内不断升高的温度同样会作用到第三级压缩机排气阀上，导致第三级压缩机排气阀处润滑油高温碳化［4］。

（2）第四级压缩机排气温度高的主要原因

第一，第四级压缩机排气时，由于余隙容积增大，高温高压气体滞留在扩大后的第四级气缸内。随着第四级活塞不断做功，四级排气背压不断增加，扩大后的第四级气缸内滞留的压缩空气的压力、温度也不断升高。同时活塞环与气缸之间的摩擦产热促使第四级气缸温度的升高［5］。

第二，第四级压缩机吸气时，温度升高的第三级排气和第四级排气后滞留的高温压缩空气作为第四级压缩机进气起源，第三级与第四级压缩机之间的冷却器为盘管式空冷换热器，外界条件未发生变化。由式（1）可以得出结论：入口温度升高后出口温度相应升高，即四级压缩机的进气温度升高会造成压缩后的排气温度升高。

第四级压缩机余隙容积变大和进气温度高是造成第四级压缩机排气温度升高的原因［6］。

2.2.4 压缩机散热结构及对排气温度的影响

通过图12 可以看出，冷却空气通过压缩机组箱壁上进气格栅进入空压机机柜内冷却压缩机主体后，进入冷却风机，随后经由冷却器，带走各级压缩机和各级压缩空气中的热量。

（1）高压压缩机停运后，检查发现第四级压缩机侧风机有一条皮带断裂。整台压缩机组有两台冷却风机，每台风机有两条V 形皮带，皮带由压缩机同轴带动。冷却风机一条皮带断裂造成传递扭矩下降，风量相应下降，压缩机组箱体内通风量减少，造成压缩机组散热不良。

图12 压缩机组三视图Fig.12 Compressor unit three views

（2）图12 中蓝色方框为现场工艺设备电缆桥架，遮挡第四级压缩机处冷却空气流通线路。且第四级压缩机相对皮带罩位置较低，经由第四级压缩机的冷风气流再次被遮挡。双重作用导致第四级压缩机散热不良。而且缺陷发生在温度较高的8月，压缩机厂房内由于其他设备运转发热，厂房环境温度接近40℃，使散热条件更加恶化。

2.3 压缩机组的修复

工作人员通过对第三和第四级压缩机的解体检查，清理修复可用部件，对不可修复部件进行了更换：

（1）第三级压缩机进排气阀组件；

（2）第四级压缩机进排气阀组件；

（3）第四级压缩机活塞衬套组件；

（4）第四级压缩机活塞组件；

（5）两台冷却风机所有V形皮带。

检修完成后，压缩机组进行点动，确认无异常后进行试运行。就地观察显示运行无异常，温度、压力等参数正常，转为正式运行。

3 结论

3.1 停机原因

从图2故障停机时各级压缩机排气温度曲线可以看出，从第7个数据点处开始，第四级压缩机温度有上升趋势，由此推测此时风机皮带断裂，造成通风量下降，处于散热不良位置的第四级压缩机表现明显。

此后散热不良影响逐渐累积，第四级压缩机排气温度持续升高，第三级压缩机排气温度也发生了升高现象。

由于持续的高温和连续运行的疲劳，第四级压缩机的波浪形簧片发生了疲劳形变，失去了弹性。

簧片失去弹性造成第四级压缩机进气阀片的开启和关闭动作失去缓冲，在吸气过程中高速气流的冲击下，进气阀片在一个自由空间内高频率振动，出现裂纹并最终破裂。

于是对应在第58 个数据点处，第三级和第四级压缩机排气温度开始快速升高，当第四级压缩机压缩缸的排气温度不断上升，达到190.5℃时，停机限值时触发停机信号，高压空压机跳停。

3.2 产生高温报警的原因

由高压空压机出厂文件和调试记录可知，压缩机2012年4月出厂；2015年2月完成现场单机调试；2017年2月完成系统的移交。从出厂至运行故障停机这段时间，累积运行约480 h。移交后，高压空压机进行过润滑油更换、油滤芯更换和进气滤网更换，未检查和更换风机皮带。运行维护手册推荐500 h 检查皮带，4 年更换皮带。橡胶制品的皮带寿命一般在3～5年，高温环境下会缩短使用寿命。

因此推断，造成此次高压空压机高温报警停机的原因如下：

（1）直接原因是第四级压缩机进气阀片破碎；

（2）促成原因是厂房环境高温，压缩机组散热结构布置不利于第四级压缩机散热，冷却风机皮带断裂造成冷却风量不足，其中主要原因是皮带断裂；

（3）根本原因是维护保养不到位，未按照运行维护手册推荐时间和检查项目执行，未及时做出预防性皮带更换。

3.3 维护保养建议

（1）严格按照运行维护手册的推荐时间和检查项目制订维护保养计划；

（2）严格执行设备运行要求，不改变运行设备应有的状态；

（3）在不做散热结构和通风格栅改造的情况下，尽量加大厂房通风量，降低厂房内环境温度。