重水堆应急堆芯冷却系统干燥器频繁失效分析及改进

陶伯霖，王 猛，刘 铮，林 熙，祁陆凯

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

秦山三期（重水堆）核电站工程是国家“九五”期间重点建设项目，是中国首座商用重水堆核电站，是中国和加拿大两国政府间迄今最大的贸易项目工程。重水堆是以重水做慢化剂的反应堆，可以直接利用天然铀作为核燃料，采用不停堆更换燃料的技术运行。

应急堆芯冷却系统（EMERGENCY COOLING CORE）简称ECC系统，是重水堆核电站的一个专设安全系统。当出现LOCA事件（堆芯冷却剂大量丧失）时，及时并连续地向主系统中注入大量的常温轻水，使反应堆快速降温冷却，避免事态扩大导致核电厂四道安全屏障完全丧失[1]。

干燥器是一种利用热能降低物料水分的机械设备，用于对物体进行干燥操作，主要是用来收集、去除系统管路中的水分，同时过滤管道中的杂质。在现场实际运行工况中，干燥器时常会出现切换缺陷，会造成进入高压气箱的压缩空气品质下降，从而减少高压气箱的寿命，进而影响ECC系统高压注射逻辑，影响了机组的安全运行。

本文以该缺陷为例，从多角度进行原因分析并加以论证，通过纠正措施提高设备可靠性，以此拓宽今后类似缺陷的检修思路。

1 故障现象

1.1 ECC系统功能介绍

应急堆芯冷却系统的功能是确保在事故工况下，提供足够可靠的堆芯冷却。即在事故工况下，当发生丧失热阱事件时，由冷却剂出口温度过高信号触发反应堆紧急停堆。

应急堆芯冷却系统的功能实现，主要通过下列方式保证堆芯内热量的有效导出，以防止堆芯及主系统管道的损坏：

1）及时并持续地向主系统中注入大量的常温轻水，带走堆芯的热量。

2）关闭环路隔离阀、主热传输系统充水阀、稳压器隔离阀，以防止完整环路的水通过存在破口的环路流失。

3）打开主蒸汽安全阀卸压以便促使PHTS（主热传输系统）降压，缩短ECCS高压安注的投入时间。

4）作为一个长期热阱，将积聚在反应堆厂房底部的水通过应急堆芯冷却泵循环送回堆芯，带走剩余热量。

1.2 干燥器回路原理

干燥器是在压缩机的出口，用于将打入高压气箱的空气除湿、除油并滤除杂质。该设备由PLC控制：压缩机运转过程中，干燥器也一直在运行，两个干燥塔相互切换，压缩机停运时，干燥器转入备用方式。

在秦山三期重水堆ECC中，ECC干燥器3432-DR1负责将来自ECC压缩机3432-CP1的压缩空气进行干燥和过滤，再进入ECC高压储气罐3432-TK2。

高压气箱的空气供给由空气压缩机提供，当主控盘台手动开关在“ON”位置或当高压气箱中压力低于4.14MPa时，手动开关在“AUTO”位置使压缩机启动，同时送出信号给干燥器，干燥器启动。压缩机高压气体通过管道进入干燥器系统中，先通过一个预过滤器，包括一个冷凝水存储罐和两个电磁阀。压缩空气中的水分在重力作用下流经一个常开的电磁阀SV8到储水箱。在程序中，PLC发出命令后关闭电磁阀SV8，同时打开SV9（见图1），收集好的水分在压缩空气的压力下排出，而后恢复。当压缩机启动后，在程序控制下疏水程序每9min运行一次，每次持续5s[2]。其后高压气体进入碳塔，碳塔过滤室包含活性炭用来吸收压缩空气中的油蒸汽，压空从设备顶端进入，经过碳床，从底部排出。高压气体通过一个三通阀流经Tower#1（Tower#2处于隔离状态）吸收高压空气中的水分，含有水分的压空从塔顶进入。水分被吸收，干燥的空气从底部出来，经过一个后置过滤器过滤其中的杂质颗粒，防止堵塞管道，最后高压气体进入高压气罐中。

图1 ECC系统干燥器流程图Fig.1 Flow chart of ECC system dryer

主要部件功能：

1）预过滤器（PRE-FILTER）：主要作用是从压缩空气中分离冷凝水，主要包括一个冷凝水的储藏罐和两个电磁阀。在干燥塔故障时，可以通过旁路管线上的针型阀NV3来进行手动排水。

2）碳塔（CARBON TOWER）：碳塔的过滤室中包含活性炭用来吸收压缩空气中的油蒸气，含油的压空从塔顶进入，经过碳床从底部排出。

3）干燥塔（DRYING TOWER）：吸收压缩空气中的水分，含有水气的压空从塔顶进入，水气被吸收，干燥的空气从底部出来。

4）后置过滤器（AFTER-FILTER）：主要功能是过滤干燥剂和杂质颗粒，防止堵塞管道。

1.3 缺陷情况概述

通过工单查询系统发现，在2021年2月至7月，ECC干燥器失效缺陷记录多达13条，月平均缺陷次数高达2.17次/月。

缺陷情况分布为3类：工艺回路缺陷、控制回路缺陷、报警回路缺陷。经调查后，总结缺陷主要为工艺回路缺陷，且将缺陷锁定为电磁阀。电磁阀主要故障有以下3种：①电磁阀动作不到位；②卡套漏气；③电磁阀线圈烧毁。

该缺陷影响专设安全系统的可用性，若专设安全系统不可用，根据技术规格书，将停机停堆小修。此问题不仅成为班组首要缺陷，而且也引起维修、技术、运行部门的高度重视，成为监督站重点关注项，亟待解决。

2 原因分析

2.1 电磁阀选型不合适

调研其他重水堆电厂发现，秦三厂1号机组ECC干燥器电磁阀与其他电厂型号（1102-300P2AA1）一致。但电磁阀的供电电源有差别，其他重水堆电厂电源电压为120VAC，电源电压频率是60Hz，而国内电厂的电源参数是120VAC，频率是50Hz[3]，现场测量供电电源为126VAC，电压频率是50Hz。由于现场的电源频率与电磁阀型号不一致可能导致电磁阀线圈发热量大，在长时间带电情况下导致线圈的绝缘材质脱落，出现电磁阀线圈短路故障[4]。

为了证明猜想，班组利用实验室搭建了平台，通过变频器模拟电源不同频率如40Hz，45Hz，50Hz，55Hz，60Hz，65Hz，70Hz，电磁阀通电一周后通过绝缘电阻测试仪测试线圈绝缘情况。通过对比实验可以看出，电磁阀线圈绝缘电阻随供电电源频率的减小而减小。所以现场的电源频率对电磁阀线圈故障有影响，现场的电源频率与电磁阀型号不一致是明显不符合项，此因素为要因。

2.2 弹簧长度不足，对电磁阀动作不到位的影响

ECC系统干燥塔在切换增压过程中电磁阀带电，阀芯向下运动压缩弹簧，使电磁阀进气口和出气口导通，排气口关闭。若电磁阀弹簧长度不足，则弹力不足，电磁阀可能阀芯动作不到位。

测量弹簧的初始长度，与更换到现场的新备件弹簧长度进行比对后均为6.51mm左右，从长度上发现无明显异常。

但为进一步确认弹簧的初始长度对电磁阀动作到位情况影响程度，将相同材质、不同长度（6.1mm～6.5mm逐渐递增0.1mm）的弹簧换到电磁阀上并搭建回路进行通电试验，看阀芯是否动作到位。

在经过72h的长时间通电后，试验发现电磁阀动作仍无卡涩的现象，因此弹簧的初始长度发生变化没有导致电磁阀阀芯动作不到位的情况，所以是非要因。

2.3 杂质进入电磁阀阀芯

干燥塔在切换增压过程中电磁阀线圈得电后，阀芯在磁力的作用下提起，电磁阀气路导通，线圈失电后，阀芯在重力和弹簧弹力的作用下回到初始位置上，电磁阀关闭。电磁阀阀芯呈锥面，与底座之间通过切合实现密封。若电磁阀阀芯有杂质，异物导致阀芯锥面密封不严，电磁阀无法实现阻断功能[5]。

对电磁阀进行检查，发现阀芯通常伴有黑色杂质。班组收集了阀芯的杂质，并经化学实验室分析其主要成分为铁的氧化物，即铁锈。

干燥器有两种模式。在正常运行模式下，流经电磁阀的压缩空气经过层层过滤，最终流经的气体中的杂质颗粒应不大于3μm（见图2）。

图2 电磁阀SV7结构图Fig.2 Structure diagram of solenoid valve SV7

干燥器在练习模式下，流经电磁阀的高压气体是通过从高压气箱底部引出的管线经过140过滤器后，到达电磁阀。高压气箱中的气体是经过干燥器处理的气体，理论上高压气箱中的气体中杂质颗粒应不大于3μm（见图3）。

图3 正常模式气流顺序Fig.3 Normal mode air flow sequence

通过查询资料，排查气流管线及相关设备材质发现成分中含有碳钢，推断电磁阀阀芯的杂质来源有两种可能：一种可能为干燥器的管道上的锈蚀，另外一种为高压气箱内部的锈蚀。长期杂质累积造成电磁阀阀芯动作卡涩，使功能失效。

3 改进措施

3.1 管线线路变更

干燥器的后置过滤器本身即可以过滤掉3μm以上的颗粒，因此可以在不改变现有操作规程的基础上，通过修改练习模式的气源管路走向，使到达140过滤器的气体先经过后置过滤器过滤后，再与CV4的出口再生管线相连。

具体实施步骤如下：

1）拆除CV4下端原再生管线，并按原管线规格重新配管，接入到FR2（后置过滤器）的入口三通。

2）在FR2入口管线上加装三通，与CV4的出口再生管线相连接。

3）原再生管线接入口加装堵头。

4）在干燥器运行期间对新增的各个接头进行捡漏，确认接头紧固，无漏气。

图4 练习模式气流顺序Fig.4 Practice mode air flow sequence

图5 修改后的管线修改图Fig.5 Modified pipeline diagram

通过变更优化练习模式下来自高压气箱线，连续6个月对干燥器的缺陷进行跟踪统计，结果如下：通过管线变更，在练习模式下，高压气箱中的气体经过了后置过滤器的对3μm以上颗粒的进行了过滤。统计结果看出在2021年10月～2022年3月中，因电磁阀阀芯卡涩导致的ECC干燥器失效次数为0次，效果显著。

3.2 电磁阀选型变更

秦三厂选用电磁阀为60Hz，但电源频率为50Hz，长期投用可能会导致电磁阀线圈持续发热，绝缘材质脱落，造成内部短路。因此，提出变更使用与电源频率一致（50Hz）的电磁阀进行替换。

通过变更优化练习模式下来自高压气箱气路管线，连续6个月对干燥器的缺陷进行跟踪统计，结果见表1。

表1 电磁阀变更后缺陷统计表Table 1 Statistical table of defects after electromagnetic valve changes

临时变更实施后，可以看出在2021年10月～2022年3月中，因电磁阀线圈缺陷导致的ECC干燥器失效次数为0次，效果显著。

3.3 效果检查

对策实施后，对秦三厂2021年10月～2022年3月的ECC干燥器异常报警的情况进行调查统计。

通过对策实施减少了ECC干燥器异常报警次数，月平均报警次数由活动前的2.17次/月减少至0.5次/月，达到了之前的期望目标（1.5次/月）。

图6 现场实施示意图Fig.6 Schematic diagram of on-site implementation

对策实施后，以运行6个月时间为对比参考，电磁阀动作不到位与电磁线圈损坏的缺陷次数从7次减少至0次，故障得到了有效的解决。

以此可见，电磁阀选型的变更以及前置过滤器管线线路变更效果是十分有效的。本次变更改造有效降低了ECC干燥器异常报警的缺陷率，提高了专设安全系统的可靠性，为机组安全发电运行提供了强有力的支持。

图7 更换后电磁阀示意图Fig.7 Schematic diagram of the solenoid valve after replacement

4 总结

核安全无小事，ECC系统作为重水堆专设安全系统之一其重要性不言而喻，其干燥器异常报警作为工作班组困扰许久的缺陷，通过本次消缺，从前期原因分析到后期对策制定，使用单一变量法抽丝剥茧，通过优化变更消除缺陷点，消除了机组专设安全系统的运行隐患，提高了机组运行可靠性，也为今后类似故障提供了消缺思路。