胡啟帥，雷 超，陳慶旭，魏大明，彭 軍，曹 宇，周金昊，楊 松，高 儉

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

0 引言

逆變電源作為反應(yīng)堆電力系統(tǒng)重要組成部分，承擔(dān)著重要的安全功能，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接關(guān)系到反應(yīng)堆的安全[1]。空調(diào)冷凍水系統(tǒng)(簡稱V系統(tǒng))作為核安全三級(jí)[2](SC-3)系統(tǒng)與逆變電源存在接口關(guān)系，其主要為逆變電源提供符合設(shè)計(jì)要求的冷凍水，保證逆變電源工作溫度在正常范圍內(nèi)，若失去V系統(tǒng)，將導(dǎo)致逆變電源喪失冷源。因此，運(yùn)行期間V系統(tǒng)的喪失是不可接受的，其運(yùn)行可靠性對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行起著非常重要的保障作用。反應(yīng)堆在調(diào)試試驗(yàn)期間，若發(fā)現(xiàn)V系統(tǒng)運(yùn)行過程中異常停運(yùn)，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)重要設(shè)備電子三通閥[3]多次燒毀現(xiàn)象，其運(yùn)行可靠性則不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

為保障反應(yīng)堆逆變電源的正常工作，本文基于V系統(tǒng)的系統(tǒng)特性及工作原理，研究系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，通過分析故障停運(yùn)原因，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)與運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期有效提高V系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

1 V系統(tǒng)

1.1 V系統(tǒng)流程

V系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)制冷機(jī)組，一用一備，每臺(tái)機(jī)組均包含2臺(tái)壓縮機(jī)。V系統(tǒng)通過制冷機(jī)組向逆變電源提供7 ℃的冷凍水，冷凍水進(jìn)入逆變電源冷卻盤管后將工作熱量帶走，保障逆變電源的穩(wěn)定運(yùn)行。溫度升高后的冷凍水通過外部冷卻水系統(tǒng)來帶走熱量，保證整個(gè)V系統(tǒng)高效地工作。同時(shí)V系統(tǒng)在冷卻水回路上設(shè)置1座電子三通調(diào)節(jié)閥，用來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水的流量。

圖1 V系統(tǒng)流程

1.2 電子三通閥

電子三通調(diào)節(jié)閥，是由直行程電子式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和采用圓筒型薄壁窗口形閥芯的三通合流(分流)閥組成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動(dòng)作靈敏、流量特性精確的特點(diǎn)，其直接接受調(diào)節(jié)儀表輸入等控制信號(hào)及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝管路流體介質(zhì)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，廣泛應(yīng)用于精確控制氣體、液體、蒸汽等介質(zhì)的工藝參數(shù)(如壓力、流量、溫度、液位等參數(shù))保持在給定值。

在V系統(tǒng)中，電子三通調(diào)節(jié)閥承擔(dān)著實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水流量的任務(wù)，當(dāng)PLC控制器[4]根據(jù)當(dāng)前用戶的負(fù)荷計(jì)算出所需要的冷卻水，并控制電子三通調(diào)節(jié)閥來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水流量，最大化保證制冷機(jī)組處于良好的工作狀態(tài)。這種調(diào)節(jié)方法能高效、快速地進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于后端用戶的負(fù)荷改變有著很快的響應(yīng)，同時(shí)又能達(dá)到節(jié)約能源的目的。

1.3 PID調(diào)節(jié)

V系統(tǒng)對(duì)冷卻水流量控制的設(shè)計(jì)采用工程上應(yīng)用廣泛的比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)[5]。PID控制器(比例-積分-微分控制器)是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件，是由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎(chǔ)是比例控制；積分控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度以及減弱超調(diào)趨勢(shì)。V系統(tǒng)運(yùn)行期間，根據(jù)功耗的不同，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水流量，保證系統(tǒng)能量守恒以及能耗的最大化利用。

2 V系統(tǒng)運(yùn)行可靠性分析

2.1 影響V系統(tǒng)制冷機(jī)組正常運(yùn)行的因素

V系統(tǒng)制冷機(jī)組工作原理[6]如圖2所示，整個(gè)制冷過程共分4個(gè)階段。制冷機(jī)組蒸發(fā)器中與冷凍水換熱后的低溫低壓冷媒被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)過壓縮后，冷媒由低溫低壓氣體變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，再進(jìn)入冷凝器后與冷卻水發(fā)生熱交換，變?yōu)榈蜏馗邏阂后w。低溫高壓液體通過節(jié)流閥減壓后成為低溫低壓濕蒸汽，最后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)帶走冷凍水的熱量，完成整個(gè)制冷過程。

圖2 V系統(tǒng)制冷機(jī)組工作原理

V系統(tǒng)制冷機(jī)組在制冷過程中，影響機(jī)組正常運(yùn)行的主要因素如表1所示。其中吸氣壓力和排氣壓力作為關(guān)鍵因素直接表征制冷機(jī)組的工作狀態(tài)，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，吸氣壓力和排氣壓力會(huì)逐步升高，當(dāng)冷凍水溫度達(dá)到設(shè)定值后機(jī)組處于正常運(yùn)行時(shí)，吸氣壓力和排氣壓力基本穩(wěn)定。當(dāng)機(jī)組處于異常狀態(tài)時(shí)，吸氣壓力和排氣壓力會(huì)一直上升，為保護(hù)機(jī)組，V系統(tǒng)設(shè)計(jì)聯(lián)鎖停機(jī)功能，當(dāng)排氣壓力大于1 300 kPa時(shí)，機(jī)組將會(huì)聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)。

表1 V系統(tǒng)制冷機(jī)組正常運(yùn)行的主要因素

2.2 V系統(tǒng)制冷機(jī)組故障停運(yùn)分析

V系統(tǒng)制冷機(jī)組啟動(dòng)后約10 min即出現(xiàn)保護(hù)停機(jī)。圖3為機(jī)組10 min內(nèi)重要參數(shù)的變化情況。由圖3可以看出，在10 min內(nèi)，制冷機(jī)組壓縮機(jī)持續(xù)工作，吸氣壓力和排氣壓力持續(xù)上升，直至排氣壓力超過1 300 kPa，達(dá)到機(jī)組的保護(hù)值后聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，從而導(dǎo)致冷凍水無法繼續(xù)降溫。由冷卻水閥開度變化曲線可知，制冷機(jī)組在啟動(dòng)過程中冷卻水閥的開度逐步增大，直至機(jī)組保護(hù)停機(jī)，冷卻水閥開度已增加至100%。

根據(jù)制冷機(jī)組原理可知，因?yàn)槲鼩鈮毫χ饾u升高，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸入冷媒再次壓縮后，排氣壓力也會(huì)隨之升高，那么經(jīng)過多次之后，排氣壓力就會(huì)超過機(jī)組設(shè)置的保護(hù)值，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，故過高的吸氣壓力是導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，進(jìn)而導(dǎo)致V系統(tǒng)失效的直接原因。

圖3 V系統(tǒng)制冷機(jī)組運(yùn)行過程中重要參數(shù)變化曲線

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT[7]，在體積和溫度的量保持不變的情況下，氣體的壓力越大，則氣體的溫度越高，故可判斷冷媒在每次進(jìn)入壓縮機(jī)前溫度逐漸升高。那么根據(jù)理想條件下的制冷機(jī)組工作狀態(tài)，每次進(jìn)入壓縮機(jī)的冷媒溫度應(yīng)當(dāng)保持基本不變。但啟動(dòng)過程中，冷媒溫度并沒有保持基本不變而是逐漸升高，而冷媒的溫度主要通過與冷卻水發(fā)生熱交換來進(jìn)行控制。通過分析制冷機(jī)組故障停機(jī)現(xiàn)象及重要參數(shù)變化趨勢(shì)，可以初步推斷出導(dǎo)致V系統(tǒng)制冷機(jī)組故障停運(yùn)的原因主要有：冷卻冷媒的冷卻水流量供應(yīng)不足；調(diào)節(jié)冷卻水流量的電子三通閥故障，導(dǎo)致冷卻水流量無法調(diào)節(jié)。

通過查閱技術(shù)文件、負(fù)荷計(jì)算，冷卻水流量的供應(yīng)在設(shè)計(jì)上足以滿足冷卻冷媒的要求。結(jié)合機(jī)組啟動(dòng)過程冷卻水閥的變化狀態(tài)，在不考慮電子三通閥故障的前提下，冷卻水流量的供應(yīng)是足夠的。因此排除冷卻水流量供應(yīng)不足導(dǎo)致V系統(tǒng)制冷機(jī)組故障停運(yùn)。由此分析，判定調(diào)節(jié)冷卻水流量的電子三通閥出現(xiàn)故障，雖然冷卻水閥門開度達(dá)到100%，但實(shí)際冷卻水流量不足。

維修電子三通閥過程中，拆除包裹在電子三通閥表面的保溫棉后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場安裝的電子三通閥出現(xiàn)了“倒置”情況，圖4為正常安裝的電子三通閥與倒置安裝的電子三通閥示意。

圖4 正常安裝的電子三通閥與倒置安裝的電子三通閥示意

在V系統(tǒng)制冷機(jī)組啟動(dòng)過程中，冷媒溫度逐漸增大后，需要更多冷卻水進(jìn)行換熱，當(dāng)PLC發(fā)出開閥指令后，電子三通閥執(zhí)行開閥指令，然而隨著冷卻水閥不斷增大，進(jìn)入冷凝器的冷卻水量并未增加，由此導(dǎo)致吸氣壓力逐漸增大，進(jìn)一步導(dǎo)致排氣壓力逐漸增大，最終聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)。

3 V系統(tǒng)運(yùn)行可靠性優(yōu)化

3.1 V系統(tǒng)運(yùn)行可靠性優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)冗余原理[8]，“一個(gè)具有相同設(shè)備功能的備用設(shè)備系統(tǒng)”，指重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間，保證系統(tǒng)更加可靠、安全地工作。V系統(tǒng)作為核安全級(jí)系統(tǒng)，重要性不言而喻，但設(shè)計(jì)只單一考慮到制冷機(jī)組1#和制冷機(jī)組2#兩套獨(dú)立的子系統(tǒng)來組成一個(gè)完整的V系統(tǒng)，在關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)置上并未考慮冗余，忽略了僅在冷卻水總管上設(shè)置1座電子三通閥，一旦電子三通閥故障，則2臺(tái)制冷機(jī)組均失去自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水的能力，V系統(tǒng)運(yùn)行可靠性大大降低。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，保證系統(tǒng)的完整性，設(shè)計(jì)以下優(yōu)化方案：為保證電子三通閥門正常工作，將電子三通閥安裝順序與水流順序保持一致；恢復(fù)V系統(tǒng)的冗余，在每臺(tái)制冷機(jī)組冷卻水管路上單獨(dú)安裝1座電子三通閥，避免因?yàn)?座電子三通閥故障而導(dǎo)致整個(gè)V系統(tǒng)無法運(yùn)行的情況。

優(yōu)化后的V系統(tǒng)冷卻水部分流程如圖5所示。在每一個(gè)V系統(tǒng)的子系列上，均單獨(dú)安裝新的電子三通閥。2個(gè)系列獨(dú)立工作，并相互作為備用，恢復(fù)了系統(tǒng)的冗余性。電子三通閥經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，工作良好，未出現(xiàn)異常。

圖5 優(yōu)化后的V系統(tǒng)冷卻水部分流程

3.2 V系統(tǒng)運(yùn)行可靠性優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的V系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，啟動(dòng)V系統(tǒng)后，觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，圖6為V系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行1 h內(nèi)，吸氣壓力、排氣壓力，供吸壓差和冷卻水閥開度4個(gè)重要參數(shù)的變化曲線。從圖6可以看出，V系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)，制冷機(jī)組啟動(dòng)后，排氣壓力和吸氣壓力緩慢升高，20 min后冷凍水溫度達(dá)到設(shè)定值，吸氣壓力與排氣壓力在正常值范圍微小波動(dòng)，供吸壓差達(dá)到基本穩(wěn)定。同時(shí)冷卻水閥開度呈現(xiàn)先增加后減小，最終機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后在正常范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)，V系統(tǒng)制冷機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)行正常，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性得到有效提高。

圖6 優(yōu)化后的V系統(tǒng)制冷機(jī)組運(yùn)行過程中重要參數(shù)變化曲線

4 結(jié)術(shù)語

基于V系統(tǒng)的系統(tǒng)特性及工作原理，研究系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，通過深入分析故障停運(yùn)原因，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并通過運(yùn)行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的V系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，重要參數(shù)運(yùn)行正常，且系統(tǒng)真正達(dá)到了冗余設(shè)計(jì)，有效提高了V系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，保障了反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。