核电机组应急冷冻机组跳闸原因分析

方吉赢，胡亦磊

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

秦山核电30万千瓦机组应急冷冻系统为01#、02#、05#厂房空气冷却循环机组和05#厂房的事故送风机组提供冷冻水，应急冷冻水系统在电厂各种模式下始终保持运行状态，作为核岛厂房可靠冷源向用户供应冷冻水。应急冷冻水系统控制电厂重要场所保持一定的温、湿度，并在事故工况下及时将专设泵电机发出的热量从室内带出，以缓解事故产生的严重后果。秦山核电30万千瓦应急冷冻机组采用2×100%容量的一用一备的运行方式，单台冷冻机不可用时，另一台应急冷冻机组进入临时SPV设备。冷冻机组可靠性降低，专设安全设施丧失冷却的风险增加，严重时将迫使电厂降功率或停机停堆。

1 设备特点

秦山核电厂冷冻水系统有两台100%容量的冷冻机，每台冷冻机由离心式压缩机、润滑油系统、冷凝器、蒸发器、自动控制装置等设备组成。

离心式冷冻机采用蒸汽压缩式制冷方式，其制冷原理是通过压缩机压缩制冷剂蒸汽，使其压力、温度提高，然后通过冷却水放热后冷凝为高温高压制冷剂液体，再通过膨胀阀（或节流孔）节流，使之变为低压、低温的制冷剂液体，在蒸发器内蒸发为蒸汽，同时从冷冻水中获取热量使冷冻水温度降低，从而达到制冷的目的。一个制冷循环包括压缩、冷凝、节流、蒸发4个必不可少的过程。

制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收冷冻水的热量后，沿吸入口经导叶进入压缩机。被压缩机加压后，制冷剂温度升高，沿出口管线进入冷凝器，被冷却水冷却为液态后流入蒸发器，如此形成循环（图1）。冷冻机组现运行方式采用不连续间断运行，冷冻机组根据冷冻机出水温度启停，应急冷冻机组冷冻水出口温度大于15℃时启动冷冻机组，当应急冷冻机组冷冻水出口温度下降至接近8℃（应急冷冻机组跳闸定值3℃，复位值7℃），停运应急冷冻机组。冷冻机组没有油分，如引射器装置。

图1 冷冻机工作原理

离心式压缩机由电机、叶轮、扩压器、入口导叶组成，冷媒由入口导叶进入高速旋转的叶轮，加大动能后沿叶轮半径方向甩出，进入扩压器，动能转化为压力能从而提高冷媒压力。

机组会根据负荷大小调整入口导叶的开度，导叶容量控制的液压系统包括4个电磁阀，有压力的油经过过滤器后直接由电磁阀操纵。根据控制信号的显示为有负荷或无负荷决定油的流向。开放叶片（使压缩机负荷）则1号、3号电磁阀通电，2号、4号电磁阀断开，使油从A方向流向活塞的另一方。关闭叶片（使压缩机无负荷），则1号、3号电磁阀断开，2号、4号电磁阀通电，将活塞和叶片移向无负荷的位置。当1号、2号电磁阀通电；3号、4号电磁阀断开时油压会直接冲击活塞A接口和B接口，导叶控制原理如图2所示。

图2 导叶控制原理

2 跳闸事件描述和原因分析

2.1 跳闸事件描述

在启动应急冷冻机组的过程中，机组启动约15 s之后跳闸，同时在现场报警盘发出压缩机故障报警，经过检查现场参数没有其他异常。

2.2 跳闸事件原因分析

根据制造厂运维手册和机组运行规程提示，“压缩机电机故障”可能的原因有三相电压不平衡、电压下降大、电气保护继电器误动、电机过载等。应急冷冻机组在启动信号发出后，应急冷却水泵和机组油泵随即自动联锁启动，相关仪表参数显示正常，15 s后机组压缩机自动启动，2～3 s后就地控制屏上触发“压缩机电机故障报警”，冷冻机组自动跳闸停机。

根据故障分析，导叶控制故障可能会造成电流大的现象。将能量调节装置调整至手动状态，试验启动油泵，手动调节导叶开度，现场观察导叶开度变化与手动能量调节趋势一致，排除导叶故障的可能。

从逻辑控制分析，故障可能出现在容量控制系统的负荷设置上。此冷冻机组是定频压缩机，容量控制只有通过控制进气口导叶来调整进气量来实现，手段单一。而秦山地区冬夏气候温差大，单位体积水负荷差别大，冷却水冷冻水温在各个季节也会出现升降。关于容量控制设置负荷参数方面，符合冬季低水温的参数就不一定符合夏季情况，会出现负荷设置值所需的导叶开度过大，导致导叶打开时出现电流增加过快，可能会出现过电流跳机。

近年曾出现应急冷冻机压缩机启动20 min后发压缩机电机故障报警，故障原因为本体上的控制能量电磁阀故障。根据故障现象和历史情况分析，本次启动后跳闸可能是相同原因导致。检查相关电磁阀功能正常，排除因电磁阀造成的电流过大、压缩机电机故障报警的可能。

根据故障分析，检查压缩机电机的电气控制回路中可能存在的故障。对3E-ry继电器（压缩机故障报警是由于该继电器动作后引起的跳闸）进行校验，并校验整流器SET-3A，校验结果均为合格，排除了由于电气控制回路中某些元器件误动作导致跳闸的可能。同时可得出跳机是因为压缩机电机过负荷所致，不是电源相电压不平衡等原因。

查阅全自动启动程序。当打开启动开关时，油泵开始运行，油压上升，开始给轴承和其他部件供油；油压上升后约30 s内，且关闭气流调节器后，冷水机组开始启动；启动后15 s内，冷水机组自动开始正常运行；达到正常运行时，流量调节阀自动打开，制冷能力增加，冷水开始冷却。是冷水机组启动后约30 s发生的跳闸（此处因果关系不明，且与前文“2.1跳闸事件描述”中15 s发生跳闸的描述不符，需查实确认）。查找历史状态报告，发现本燃料循环（C20）1#机由于油位低曾经加油3次，且未发现有外漏现象，说明润滑油随机组运转进入蒸发器等设备。离心式冷冻机采用迷宫密封，充分利用离心式压缩机高速转动的特性，有效发挥迷宫高速转动后的热力学性能保证密封，同时迷宫的金属材料不受高温的影响。迷宫式密封比较依赖于两端压差，当冬季环境温度过低和冷水出口温度太高时导致冷凝压力小于油压，如果压差时间过长，就很有可能会跑油。

另外，冬季负荷较小的情况下，冷媒压缩比增大，冷媒气体过热度增大、压力变低，不利于压缩机迅速建立压差，在这样的情况下更容易发生压缩机进液和跑油。通过压缩机迷宫式机械密封跑油，润滑油跟随氟利昂进入冷冻机各个位置，导致油箱油位下降。发生故障的冷冻机技术较陈旧，没有设置专门的在线油回收装置，混入氟利昂系统里面的润滑油不能自动回收。混入的润滑油以一种游离态存在氟利昂系统里，导致氟利昂不完全气化。当冷冻水温较高时，机组启动导叶迅速打开至全开，压缩机内液化的氟利昂和混入的润滑油产生泡沫，大量气泡状吸入压缩机产生液压缩，因此压缩机负荷加重，运转电流上升，导致压缩机电机过电流停机。

3 预防措施

（1）负荷运行导致润滑油供应过多而导致油位下降时，避免补充额外的润滑油。

（2）调节油过滤器上部阀门以及电机轴承供油阀门使油供应和回收顺畅。

（3）在正常负载下运行并且压力稳定，则具备了润滑油回收正常运行的条件。按国标及728院核级冷冻机设计规范书及厂家使用说明书要求，冷却水进水温度32℃，出水温度37℃，冷冻水进水温度12℃，出水温度7℃。目前冷却水进水温度设定在26.5℃，设定值过低。设备调试必须在额定（标准工况）工况下进行，否则所有参数误差太大，对设备稳定运行不利。尤其在冬季，冷却水水温过低将会增加设备及跑油风险。

4 结语

经处理后至今没有再出现因类似原因造成的跳机。查寻历史工单发现油箱油位低出现次数较高，尤其是在冬季，压缩机电机润滑油经常跑油至制冷剂中，导致电机过负荷跳机问题。应该避免补充额外的油并使冷却水温在合理区间内。