精处理旁路阀故障诊断及改造

靳江涛 刘少伟

（中核核电运行管理有限公司三厂 浙江海盐）

2008年12月，2#机组因凝结水精处理混床旁路流量控制阀2-64324-FCV6010定位器故障，导致该阀门关闭，凝结水回路丧失凝结水，2#机组停机。此次2#机组意外停机的直接原因是精处理系统混床旁路流量控制阀2-64324-FCV6010故障关闭，导致机组失去凝结水而被迫停机。

一、凝结水系统介绍

蒸汽在汽机里做功后经CCW冷凝成凝结水，积聚在凝汽器底部（凝汽器热阱），凝汽器热阱里的凝结水经主凝泵送经轴封冷却器（管侧）、除氧器液位控制阀、低加疏水冷却器（管侧）、1#/2#/3#低加（管侧）后，到达除氧器。凝汽器发生泄漏时，凝结水需要通过凝结水精处理系统进行净化处理，确保蒸汽发生器的排污水品质，维持机组满功率或高功率运行。凝结水系统流程示意图见图1。

二、精处理混床旁路流量控制阀故障诊断

1.凝结水精处理系统混床旁路流量控制阀故障及检查

图1 凝结水系统流程示意图

为确认是否由于阀门机械部分卡死导致阀门无法打开，在凝结水管线内部无压力的情况下，对气动执行机构各连杆，传动轴进行了检查。连杆及传动轴动作灵活，无卡涩现象，未发现执行机构卡死导致阀门无法动作的现象。对双作用气动头的气缸进行解体，气缸内壁光滑，气缸密封圈密封较好，未发现漏气现象，并且气缸活塞活动正常，略微用力就可推动气缸活塞带动阀门动作。由此判断阀门、气动执行机构部件和气动头均工作正常，阀门和驱动机构等主要机械设备不会导致此次混床旁路控制阀意外关闭。

2.精处理混床旁路流量控制阀故障原因分析

在排除了气动执行机构及阀门本体机械部分存在故障后，重点对气动头控制回路进行检查。检查确定混床旁路流量控制阀故障是由于气动头定位器故障所致。定位器故障导致定位器内部气源回路输出错误，导致阀门意外关闭。引起定位器故障的原因主要包括3个方面。

（1）定位器仪表压空回路未加装过滤器。仪表压空经母管分配后直接进入定位器，如果气源品质达不到要求，或者仪表压空管道内含有尘埃等粒子，长期积累会堵塞定位器内部的气源管线，由于此管线内径非常细，堵塞后易造成定位器失控，导致阀门状态无法控制。

（2）定位器仪表压空回路未安装减压阀。仪表压空管线从气站至定位器的压空管线上未安装减压阀，气源未经减压直接进入定位器，秦山三期仪表压空压力一般＞800 kPa，由于精处理厂房靠近空机压厂房，经观察，此处的仪表压空压力经常在900 kPa左右。阀门定位器要求的输入压力＜800 kPa（故障定位器铭牌上的气源压力要求），由于定位器供气气站后面没有加装减压阀，未经减压的仪表压空气源直接供气给定位器。造成定位器长期工作在气源输入压力的上限，并且在超压情况下工作。而定位器气源输入压力一般控制在400～800 kPa，最佳的工作压力500 kPa。定位器输入气源压力长期超压，也容易使定位器产生故障。

（3）定位器缺乏预防性维修。由于凝结水系统最初运行模式是通过旁路阀43210-V4625循环，所以凝结水精处理系统作为备用系统而未被重视，凝结水精处理系统未编制预防性维修大纲，精处理系统设备主要以缺陷性检修为主。2003年凝结水回路运行模式改为通过精处理系统混床旁路流量控制阀64324-FCV6010进行循环后，流量控制阀64324-FCV6010阀门、气动执行机构一直未进行过任何检查及预防性维护，定位器等仪控部件也未进行标定及检查，设备的长期服役并缺少预防性维护加大了设备故障的可能性。

故障阀门执行机构使用的是双作用气动头，双作用气动头在工作时始终需要仪表压空气源给气动头提供动力，气缸活塞两侧始终存在平衡性压缩空气，使气缸保持在需要的开度，一旦气源丧失或者定位器失去控制信号，气动头气缸内的压缩空气压力会随时间的延长而逐步减小，而且气动头没有备用仪表压空气源供给，当低于一定压力时，如果阀门管道内流体流速较高，流体流动时产生的流向力会施加于蝶阀的阀板上，使失去气动头控制的阀板开度产生变化，阀门的开度无法得到保证，也有可能会造成阀门的意外关闭。并且由于凝结水系统压力在2～2.5 MPa，高压力下阀门一旦关闭卡死，阀门将很难再打开。根据以上分析确认，目前使用的双作用气缸安全性较低，并且故障阀门驱动机构双作用气动头没有配置备用仪表压空气源，安全性能较差。无法保证阀门驱动机构在失去仪表压空和定位器失去控制信号等情况下将阀门保持在开的位置，以保证凝结水系统运行的安全性。

三、气动执行机构通过变更解决系统存在的安全隐患

为彻底解决混床旁路流量控制阀存在的安全隐患，提高设备可靠性和操作便利性，最终决定通过变更使用弹簧复位式气动头替代目前使用的双作用气动头，提高设备运行的安全性，将运行风险降至最低。并使用智能型定位器替代目前使用的机械式定位器。同时对凝结水系统手动阀43210-V4625进行变更改造，将阀门由手动阀变更为电动阀，提高阀门操作的便利性。

1.使用弹簧复位式气动头替代双作用气动头的变更

使用弹簧复位式气动头替代阀门64324-FCV6010使用的双作用气动头，阀门在弹簧作用下保持常开状态，气动头气缸内没有仪表压空气体作用，这样即使气动头在失去气源的情况下也会由于弹簧力作用的存在，将阀门置于常开位置，只有阀门定位器在收到控制盘来的控制信号时，气动头气缸才会在气源压力的作用下，将阀门置于需要的开度。

弹簧复位式气动头在阀门开启过程中依靠弹簧力的作用将阀门置于打开状态，阀门的开度受定位器输入信号限制，定位器输入4～20 mA电流信号，对应阀门开度是100%～0。气缸在没有仪表压空输入的情况下，依靠弹簧力将阀门置于全开位置（图2）。阀门的开度受定位器输入信号控制，定位器根据开度需要，将电流信号转换成气源压力信号作用于气动头气缸，当阀门开度没有达到控制开度要求时，定位器不断地将压缩空气输入气动头气缸，使气缸气源输入侧压力逐渐增大，以克服弹簧产生的阻力，并推动气缸活塞向弹簧侧移动。当定位器探测到阀门开度已经达到开度要求时，定位器切断输送至气缸的压缩空气。保持气缸内的气压与弹簧产生的压力相平衡，以达到调节的效果（图3）。

（1）阀门扭矩计算。为保证弹簧复位式气动头在系统正常运行期间具有足够的扭矩来控制阀门开度，并具备一定的安全操作裕量，需要确定打开阀门所需要的最大扭矩。阀门所产生的最大扭矩值受到多个运行参数的影响，根据凝结水系统运行主要参数，使用Metso公司气动头选型软件对气动头进行选型，选型软件计算结果阀门打开需要的扭矩为1531 N·m。凝结水系统运行参数，系统压力≤2.5 MPa；系统流量≤1100 m3/h；系统介质为凝结水（除盐水）；系统温度≤40℃；仪表压空压力≤800 kPa（按400 kPa计算）。

图2 无压缩空气输入状态下的气动头

将软件计算结果与制造商JAMESBURY公司提供的阀门维修手册对阀门的扭矩进行校对，维修手册中阀门打开所需扭矩值在系统压力为2.07 MPa时力矩值为1340 N·m；压力为2.76 MPa时扭矩值为1634 N·m。由于精处理系统运行压力＜2.5 MPa，所以在系统运行压力2.5 MPa时，可以估算出阀门打开的扭矩值与选型软件计算出的扭矩值与维修手册中给出的扭矩值一致。

图3 压缩空气输入状态下的气动头

（2）气动头选型。根据阀门开启的最大扭矩（1531 N·m），对气动头进行选型。气动头在能够保证顺利打开阀门的同时，必须考虑一定的安全裕量，以防止系统在极端工况下阀门开启扭矩增大，气动头弹簧扭矩如果安全裕量低，将无法保证阀门的顺利开启。计算软件给出的气动头参考型号为B1JAU32/105。Neles公司提供的气动头安装维修手册中给出的BJA32系列气动头弹簧扭矩值为4745.37 N·m。

BJA32系列气动头弹簧产生的扭矩是阀门打开所需最大扭矩的3.1倍，弹簧的扭矩安全裕量较大，完全可以使阀门在开启扭矩（1531 N·m）时将阀门置于打开位置。这样就可以避免气动头在失去仪表压空气源或定位器失去控制信号的情况下（仪表压空气源丧失或定位器失去控制信号等情况），将精处理系统混床旁路阀64324-FCV6010置于打开位置，不可能因阀门在失去仪表压空和定位器失去控制信号后造成阀门关闭，造成凝结水中断的情况。保证了凝结水运行的稳定性和安全性。

气动头在仪表压空压力为480 kPa时，气缸产生的额定扭矩为7321.428 N·m。阀门在关闭过程中不仅要克服弹簧所产生的扭矩，还需要克服阀门所产生的最大扭矩，阀门关闭所需的最大扭矩值为6276.37 N·m。阀门打开安全裕量力矩为1045.058 N·m。

气缸所产生的关闭扭矩裕量为1045.058 N·m，这个值可以满足阀门关闭的要求，并有充足的安全裕量。通过以上验算，选择型号为B1JAU32/105气动头可以满足精处理混床旁路控制阀运行工况的要求。

（3）阀门定位器变更。故障定位器使用的是Metso公司生产的型号为7 NE 72 en的机械式定位器，鉴于此定位器故障会给系统运行带来比较严重的后果，最终确定使用Fisher公司生产的智能式定位器FISHER DVC 6030替代现场使用的机械定位器。FISHER DVC 6030智能定位器自带减压阀，可对定位器输入气源进行减压、过滤，且性能稳定。智能定位器采用HART通信协议，可通过使用HART通讯协议的通讯器对定位器实现现场调校及修改。现场校验定位器使用的是HART375通信器。HART375通信器是一种便携式的终端，它与采用HART通信协议的仪表一起使用，对其进行设定，更改和显示，它可监控输入、输出值和自诊断结果。

通过对气动头及定位器的变更，可以有效地避免以下情况导致精处理混床旁路阀64324-FCV6010误关闭。①定位器故障。②凝结水PLC控制系统失电或故障，导致PLC输出到阀门定位器的信号消失，定位器失去控制信号。③气源故障或气动头长期失去仪表压空。

2.凝结水系统手动阀1-43210-V4625改为电动阀

将手动阀43210-V4625改为电动阀，并增加就地操作控制盘。在控制盘上控制阀门的开启和关闭，将使得阀门43210-V4625的开关速度大大缩短，原来需要多人操作手动打开阀门43210-V4625约需要30 min，改为电动模式后，阀门开启和关闭时间仅需要90 s，操作时间的大幅度缩短有利于保障系统安全运行。

3.旁路阀和手动阀变更后凝结水回路特点

（1）使用弹簧复位式气动头替代双作用气动头，使凝结水精处理混床旁路流量控制阀64324-FCV6010故障关闭的概率降到最低。

（2）43210-V4625改为电动阀后，阀门操作便利性得到提到，开关速度大大缩短，原来需要多人操作30 min，变更后只需1人90 s即可完成阀门的打开与关闭，有利于保障系统安全运行。

（3）机组正常运行情况下旁路阀43210-V4625和精处理旁路控制阀64324-FCV6010均处于全开位置，即使一个阀门故障，另外一个阀门仍可使凝结水回路正常运行，减少了一个单点失效设备，提供了系统可靠性。

4.混床旁路控制阀变更实施后验证试验

混床旁路流量控制阀相关变更设备现场安装完成后，为了验证阀门在空载情况和正常运行工况下阀门的开启、关闭性能是否满足设计要求，分别对阀门在空载和正常运行工况下做了性能试验，阀门在空载和正常运行工况时，均能够根据PLC输出的行程快速动作。

（1）试验前条件建立。试验前首先需要调整定位器气源减压阀设定值，使气源输出压力为500 kPa。将HART375通信器与定位器连接建立通信，对定位器内部进行初始设定，保证定位器内设定参数与现场气动头驱动形式一致。

（2）阀门空载性能试验。试验条件建立后，将HART375通信器连接至定位器信号输入端，对定位器进行标定。通过HART375给定位器加载模拟输入信号，对阀门在空载状态下进行性能试验，试验结果：阀门由全开至全闭时间为50 s；阀门由全关至全开时间为75 s；阀门由全开至50%开度时间为25 s；阀门关闭时气源需要的最小压力365 kPa；阀门由关闭至打开位置时，气源需要的最小压力为27 kPa。

通过试验，阀门在空载时开启、关闭均正常，阀门由全开至全闭或由全闭至全开整个过程时间基本可以在1 min左右完成，阀门响应较快。

（3）阀门正常运行工况性能试验。为了验证阀门在正常运行工况时能否满足设计要求，专门编制了阀门气动头变更后，试验程序9802-43240-PDMT-01638对精处理混床旁路控制阀变更后性能进行验证。主要验证阀门在正常运行工况下能否顺利开启和关闭，并验证凝结水回路在双路运行模式下当混床旁路流量控制阀43240-FCV6010或变更后旁路阀43210-MV4625任意一路阀门关闭时，凝结水通过另外一路能够正常运行。

试验项目主要包括：气动头正常运行工况下失去仪表压空试验；气动头定位器正常运行工况下失去控制信号模拟试验；43240-FCV6010阀前、阀后带压（2 MPa）性能试验；43240-FCV6010阀前带压（2 MPa）试验；43240-FCV6010阀后带压（2 MPa）性能试验；43240-FCV6010正常运行工况性能试验；凝结水双路模式运行和单路模式运行验证。

根据变更后试验内容，对以上项目进行了验证，当凝结水系统运行压力为2 MPa时，阀门在几种实际运行工况下均可以顺利开启或关闭。阀门性能满足设计要求，变更后试验结果满足系统运行要求。

四、凝结水系统运行模式变更后设备管理改进

通过凝结水精处理系统混床旁路阀43240-FCV6010和凝结水旁路阀43210-V4625运行模式变更，加强了凝结水精处理系统的设备管理和预防性维修，保证了设备的可靠性。同时设备管理处对有可能导致影响机组正常运行的单点失效设备进行了筛选，对单点失效设备专门制定了SPV(单点失效设备)清单，对SPV点进行分析。

通过对此次精处理系统混床旁路流量控制阀2-64324-FCV6010故障关闭事件的处理及分析，精处理系统设备管理得到了有效提升。

（1）混床旁路控制阀64324-FCV6010气动头由双作用气缸改为弹簧复位式气缸，将气动头失气、定位器失去控制信号等特殊情况导致阀门意外关闭的故障完全消除，提高了设备的可靠性。

（2）通过对次精处理系统混床旁路控制阀故障分析，完善了精处理系统的预防性维修大纲，将系统中的重要设备全部纳入预防性维护工作中，保证了设备长期运行的可靠性。

（3）在机组正常运行情况下，旁路阀43210-V4625和精处理旁路控制阀64324-FCV6010均处于全开位置，即使一个阀门故障，另外一个阀门仍可使凝结水回路正常运行，减少了一个单点失效设备（SPV），提高了系统可靠性。

（4）将精处理系统中的混床旁路流量控制阀、混床进出口隔离阀等重要设备纳入SPV点进行管理。

（5）混床旁路控制阀64324-FCV6010气动头由双作用气缸改为弹簧复位式气缸，将气动头失气、定位器失去控制信号等特殊情况导致阀门意外关闭的故障完全消除，提高了设备的可靠性。

（6）旁路阀43210-V4625改为电动阀后，阀门操作便利性得到提到，开关速度大大缩短。为精处理系统的快速投运，保证凝结水水质及电厂化学指标节约了大量时间。旁路阀43210-V4625操作机构从原来的栅格板下面延长至栅格板上面，大大方便了阀门的操作和维修。

（7）通过此次精处理系统混床旁路控制阀气动头变更，消除了系统中原有的潜在隐患，保障了凝结水系统运行的可靠性和安全性。

五、结论

通过混床旁路流量控制阀2-64324-FCV6010故障处理、原因分析和变更实施，精处理系统设备管理水平得到提升，精处理系统重要设备纳入了预防性维修计划中，设备状况做到了可知可控。消除了凝结水系统设备在设备管理、设备维护、设备预防性维修以及凝结水系统运行等方面存在的较多隐患，凝结水系统设备可靠性和系统可靠性提高。