秦山二期REA系统自动补给跳闸问题原因分析与解决

苑景凯，邱　波，王友森，张伟强

秦山二期REA系统自动补给跳闸问题原因分析与解决

苑景凯，邱波，王友森，张伟强

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

秦山二期1号机组自2018年9月以来，反应堆硼和水补给系统（REA）存在自动补给因硼酸流量不一致延时30s跳闸的故障。自动补给故障不能运行将导致容积控制箱液位低时无法得到自动补给进而影响反应堆一回路水装量。文章通过故障树分析法结合REA系统设备运行控制原理及电磁流量计的原理，通过现场一系列数据分析、试验，最终确定导致REA系统自动补给因硼酸流量不一致跳闸的根本原因是气动蝶阀1REA015VD开启时间设置不合理导致硼酸回路被抢流。通过适当调节延长1REA015VD开启时间有效解决了该疑难问题，确保了核电机组安全稳定运行，值得在同类电站相似问题中进行推广。

REA系统；自动补给；跳闸；解决

1　概述

1.1　REA系统功能介绍

核电厂反应堆硼和水补给系统（REA）如图1所示，主要功能是制备、贮存和供应反应性控制、容积控制和化学控制所需要的各种流体，为化学和容积控制系统主要功能的实现起辅助作用，具体如下所示：

（1）容积控制：REA系统为化学和容积

控制系统（RCV）提供所需的除氧除盐的含硼水，以补偿反应堆冷却剂系统的泄漏或补偿瞬态冷却引起的反应堆冷却剂的收缩。

图1　REA系统功能图示

注：9REA005BA是硼酸配料箱，用于配置各种硼浓度硼酸的容器；RIS021BA是安全注射系统（RIS系统）用的浓硼酸波动箱；PTR001BA是反应堆换料水箱，装有约2 200 ppm硼浓度的硼酸溶液；RCVOO2BA是RCV系统容积控制箱，装有与反应堆一回路相同硼浓度的硼酸溶液。

（2）化学控制：REA为反应堆冷却剂系统（RCP）制备和注入联氨（N2H4）、氢氧化锂等化学药剂，以便调节反应堆冷却剂的含氧量和pH。

（3）反应性控制：为改变RCP系统含硼水浓度，REA系统可提供硼酸溶液或除氧除盐水，从而调节反应堆冷却剂的硼浓度、控制反应性的慢变化。同时，REA系统还有多项辅助功能。

1.2　REA系统自动补给方式运行原理

REA系统运行包含了五种补给操作方式：慢稀释、快稀释、硼化、自动补给和手动补给。其中自动补给方式如图2所示。

图2　自动补给示意图

操纵员根据当时反应堆一回路硼酸浓度和REA系统浓硼酸贮存箱（REA004BA）的硼浓度，计算出需要注入的硼酸流量，以便得到与一回路浓度相等的补给浓度，当RCV002BA液位计RCV012MN测得的容控箱位

低到量程的23%时，下列动作自动而且同时地进行：（1）启动一台除盐水泵（REA001或002PO）；（2）启动一台硼酸输送泵（REA003或004PO）；（3）打开REA015VD、018VB和RCV154VP；（4）发出允许打开REA065VB的指令，其调节器比较流量整定值和059MD测得的实际流量值，调节其开度；（5）REA015VD达到全开位置后，发出允许打开REA016VD指令，其调节器比较流量整定值和010MD测得的实际流量值，调节其开度。

当RCV012MN测得的容控箱RCV002BA水位高到量程的35.5%时，水泵和硼泵都自动停运。自动补给方式详细的流程如图3所示。

图3　自动补给详细流程

2　故障现象

2.1　故障描述

2018年某日，主控执行反应堆一回路除锂操作，由于阳床1RCV003DE属于新更换树脂，因此需对其冲洗20 min，冲洗期间RCV系统要求自动补给启动，出现硼酸流量不一致（硼酸流量实测值低于设定值）并延时30 s，触发报警1REA500AA并跳闸现象。跳闸时一回路硼浓度大于500 ppm，自动补给需求的水流量设定值为20 m3/h，自动补给需求的硼酸流量设定值为3.6 m3/h。

主控操作改变自动补给方式至手动补给方式，依然出现硼酸流量不一致并延时30 s报警而跳闸。

主控尝试适当降低除盐水流量设定值至10 m3/h，此状态下不会触发硼酸流量不一致报警。

2.2　故障趋势图

如图4所示，自动补给启动后25s自动跳闸。硼酸流量059MD达到最大值4.2 m3/h（硼酸流量设定值为：6.3 m3/h）比水流量010MD达到最大值21 m3/h晚约13 s。

2.3　自动补给硼酸流量不一致跳闸定值

硼酸流量不一致1REA500AA报警及跳闸定值：059MD流量值与流量设定值差异大于0.3m3/h。

自动补给故障不能运行将导致容积控制箱液位低时无法得到自动补给进而影响反应堆一回路水装量，由于缺陷的严重性，该缺陷被列入秦山二期机组运行十大缺陷管理。

图4　自动补给跳闸趋势图

3 故障原因分析

故障顶事件：REA系统自动补给因硼酸流量不一致并延时30 s触发报警并跳闸。

针对本缺陷，从系统工艺、仪表控制、设备本体方面进行全面梳理，同时结合REA系统现场布置，对REA系统自动补给由于硼酸流量不一致延时30 s跳闸的缺陷初步原因进行了分析，如图5故障树所示。

图5　自动补给跳闸故障树

按照上述故障树分析，对所有故障点进行了大量的现场实际确认、试验、排查等工作。结果整理，如表1所示。

表1 自动补给跳闸原因排查

通过对可能故障原因的排除法，将导致REA系统自动补给因硼酸流量不一致并延时30 s触发报警并跳闸的原因锁定在：（1）自动补给启动后硼酸回路被抢流量；（2）REA硼酸流量计059 MD现场安装不符合规范。

4 故障原因确认

4.1　REA硼酸流量计059 MD现场安装不符合规范

1REA059MD为电磁流量计，测量原理是基于法拉第电磁感应定律，导电流体通过磁场作切割磁力线运动时，在垂直于磁场及流速的方向上产生感应电势。当磁感应强度为常数时，感应电势正比于平均流速，由两个与介质接触的电极检测，传送至转换器转换成标准的输出信号。如图6所示。

规范要求电磁流量计MD上游直管段长度不小于5D，下游侧不小于2D。D为传感器的名义直径，以消除流动中的漩涡，改善流速场的分布，提高仪表的测量精度和稳定性。1REA059MD现场安装如图7所示，其上下游直管段安装与规范相反。但根据实际情况（见图4），059MD的读数稳定、测量精度亦满足读取要求，判断该缺陷并非自动补给跳闸的主要原因。

图6　电磁流量计测量原理

图7　1REA059MD现场安装图

4.2　自动补给启动后硼酸回路被抢流量

现场管线的流程布置如图8所示。根据上图4的试验情况，在硼酸回路压力与除盐水回路压力相近的情况下，水回路先建立流量且流量较大，而硼酸回路后建立流量且要求的流量较小情况下，导致硼酸流量达不到要求值而延时30s跳闸。初步判断除盐水回路气动隔离阀1REA015VD开启过快。

图8　现场管线流程布置

为进一步证明硼酸回路流量的建立被除盐水回路流量所干扰，气动隔离阀1REA015VD开启过快，对初期试验数据仔细分析，对自动补给运行启动逻辑及气动阀门设备的可调节性研究后，制定了试验方案：测试并记录1REA015VD实际开启时间，并调节延长气动隔离阀1REA015VD的开启时间以达到延后建立除盐水流量，而使硼酸流量先建立并稳定。试验分两次执行，以使试验结果可囊括反应堆整个燃料循环期间对REA自动补给硼酸流量的需求。

1REA015VD延长开启时间的选取：（1）运行技术规格书、安全相关系统定期试验要求均未对1REA015VD的开启时间有规定和限制；（2）1REA015VD阀门维修后试验规程要求开关时间≤（16±1）s。基于上述分析，试验方案选取1REA015VD开启时间15 s进行试验，允许的误差为±1 s。

第一次试验主要执行步骤及执行结果：

测试并记录1REA015VD阀门的开启时间；实际测试1REA015VD开启时间为1 s。

①气动阀1REA015VD属于失气关型，调节关小阀门的进气速率调节阀延长其开启时间至15 s。

根据一回路当前的硼浓度值1 178 ppm计算自动补给启动所需要的硼酸流量为3.9 m3/h，除盐水流量为20 m3/h。

模拟容控箱1RCV002BA低液位自动补给信号启动自动补给。

②验证自动补给启动后的运行情况，试验结果如图9所示，未发生因硼酸流量低而不一致延时30 s跳闸的故障。

③恢复系统至试验前的状态。试验结论：1REA015VD开启时间调整至15 s后，硼酸流量计059MD先于除盐水010MD有流量显示，且先达到最大流量值（试验现象与故障时的流量现象图4相反），后自动调节稳定。未发生因硼酸流量不一致延时30 s而跳闸故障。解决了在2018年，1REA自动补给在硼酸流量需求为3.6 m3/h时即产生硼酸流量不一致延时30 s触发跳闸的缺陷。第一次试验确认了硼酸流量需求为3.6 m3/h及以下状态，1REA自动补给启动不会因硼酸流量不一致而跳闸。

图9　试验结果趋势

反应堆换料后启动初期硼浓度1 860 ppm，此时自动补给启动所需的硼酸流量为6.7 m3/h。第二次试验验证硼酸流量需求最大为6.7 m3/h时自动补给是否会跳闸。为减少向反应堆一回路实施高硼酸流量自动补给试验带来硼化而引起功率波动影响，重新编制了与自动补给等效的验证方案：向1PTR001BA换料水箱实施手动补给。试验方案风险分析如表2所示。

表2 风险分析数据

续表

运行技术规格书对PTR001BA硼浓度要求2 300～2 500 ppm 风险分析结论：1. 试验对PTR001BA的硼浓度安全无影响；2. 试验对PTR001BA液位影响甚小

第二次试验执行步骤及执行结果：

（1）调节关小气动隔离阀1REA015VD的进气速率调节阀延长其开启时间至15 s。

（2）选取反应堆寿期初硼浓度值1 860 ppm，计算自动补给启动所需要的硼酸流量为6.7 m3/h，除盐水流量为20 m3/h。

（3）按照状态在线流程图，将现场阀门、管线在线至换料水箱1PTR001BA。

（4）主控室启动向换料水箱1PTR001BA的手动补给。

（5）验证手动补给启动后的运行情况，试验结果如图10所示，未发生因硼酸流量低而不一致延时30 s跳闸的故障。

（6）恢复系统至试验前的状态。

试验结论：1REA015VD开启时间调整至15 s后，硼酸流量需求为6.7 m3/h及以下状态，不会发生因硼酸流量低而发生不一致延时30 s跳闸故障。解决了反应堆寿期初高硼酸流量需求状态下自动补给跳闸问题。

图10　试验结果趋势

通过上述两次试验验证，确认了自动补给启动后高流量的除盐水回路会影响低流量硼酸回路流量的建立与稳定。通过调节延长1REA015VD开启时间能够有效抑制除盐水回路对硼酸回路流量的影响，解决自动补给因硼酸流量低而不一致延时30 s跳闸的故障。现场1REA015VD开启时间已经调整，通过实际运行验证，REA系统自动补给启动正常。

5 结束语

2018年至2020年，通过近一年半的分析、查找、试验，最终锁定导致自动补给因硼酸流量低而不一致延时30 s跳闸故障根本原因为除盐水回路对硼酸回路流量影响导致硼酸回路被抢流，用最简便的方法：通过调节延长1REA015VD的开启时间，成功解决了秦山第二核电厂十大缺陷（1REA自动补给时因硼酸流量不一致跳闸）。同时，通过本次故障点的全面梳理和排查，发现了如REA硼酸流量计059 MD现场安装不符合规范等隐蔽问题，值得在同类电站相似问题中进行推广。

［1］ 张涛，薛长江，秦山第二核电厂反应堆硼和水补给系统手册［R］．2005．

［2］ 王池，王自和，流量测量技术全书［M］．北京：化学工业出版社．2012

［3］ 王贞涛，流体力学与流体机械［M］．北京：机械工业出版社．2015

［4］ 蔡武昌，马中元，瞿过芳，等．电磁流量计［M］．北京：中国石化出版社．2004。

Cause Analysis and Solution of Automatic Supply Trip of REA System in Qinshan PhaseⅡ

YUAN Jingkai，QIU Bo，WANG Yousen，ZHANG Weiqiang

（CNNP Nuclear Power Operation Management Co.Ltd，Haiyan of Zhejiang Prov.314300，China）

Since September 2018，No.1 unit of Qinshan Phase II has been in the fault of automatic replenishment of REA system，which is triggered by 30 s delay due to inconsistent boric acid flow.As a result，when the level of volume control tank is low，automatic replenishment cannot be obtained，which affects the water load of primary circuit of the reactor.Through the fault tree analysis method，combined with the operation control principle of REA system equipment and the principle of electromagnetic flowmeter，as well as a series of data query，analysis and field test on site，the paper finally determines the root cause of automatic replenishment of REA system due to inconsistent trip of boric acid flow.The opening time setting of 1rea015vd pneumatic butterfly valve in water circuit is unreasonable，which results in the robbed flow of boric acid circuit.By properly adjusting and prolonging the opening time of 1rea015vd，the difficult problem is effectively solved，and the safe and stable operation of nuclear power units is ensured.It is worth popularizing in the similar problems of similar power plants.

REA system；Automatic supply；Tripping operation；Resolvent

TL48

A

0258-0918（2021）03-0544-08

2020-06-04

苑景凯（1983—），男，河北石家庄人，学士，核电厂高级操纵员，高级工程师，现主要从事系统设备可靠性管理方面研究