儀用壓縮空氣ＳＡＲ００１ＭＤ渦輪流量計故障
摘要：反應堆廠房入口儀用壓縮空氣流量計ＳＡＲ００１ＭＤ作為核電站重要監測儀表之一，流量數據的準確性關系到機組的安全運行。一旦出現故障必須予以高度重視，及時解決。某核電站ＣＰＲ１０００機組，在１號機組狀態首次即將進入臨界階段時，出現ＳＡＲ００１ＭＤ流量計大幅度波動現象，導致安全殼泄漏率監測系統不可用，機組狀態停滯。
核電站儀用壓縮空氣系統（ＳＡＲ）分為常規島、ＢＯＰ和核島三部分。核島ＳＡＲ系統分為反應堆廠房ＲＸ外及反應堆廠房內兩部分。每一個反應堆廠房入口各設置一臺流量計ＳＡＲ００１ＭＤ以監測ＲＸ廠房內用氣量。反應堆廠房入口流量監測數據也是安全殼泄漏率監測系統必不可少的一個元素，安全殼泄漏率在線監測系統每２秒采集流量數據，以半小時平均值計算，
通過ＳＥＸＴＥＮ２（安全殼泄漏率監測系統）系統計算出每天安全殼泄漏率ＱＬＤ，公式如下：
從上述公式中不難看出，流量測量誤差會對安全殼泄漏率計算帶來直接影響，流量值的正確性是分析判斷安全殼是否泄漏***基本保證。倘若儀用壓縮空氣ＳＡＲ００１ＭＤ流量計故障測量不到數據或者大幅度波動超出ＳＥＸＴＥＮ２系統所需要的流量數據范圍，則會導致安全殼泄漏率在線監測系統數據點ＱＬＤ偏離原先的擬合曲線，此時監測系統會出現“不可利用的日數據點（泄漏率有輕微的變化）”提示，系統不可用。根據核電廠運行規程要求，機組狀態臨界后５日內必須投運安全殼泄漏率在線監測系統，若不能滿足要求，則機組后撤至冷停堆查找原因。
１、背景：
２０１５年１０月某核電站１號機組即將進入首次臨界，在機組臨界前期根據其他已運行核電站關于安全殼泄漏率在線監測系統故障的經驗反饋，提前投運安全殼泄漏率在線監測系統驗證其監測功能的可靠性。發現安全殼泄漏率在線監測系統因ＳＡＲ００１ＭＤ流量計大幅度波動，采集數據不可利用，導致在線監測系統無法投運。流量***大值可達４０～６０Ｎｍ３／ｈ，***小值出現０Ｎｍ３／ｈ，且流量曲線呈周期性變化，約１２ｍｉｎ，如圖１所示。自２０１５年４月ＳＡＲ００１ＭＤ流量計調試以來，流量值波動大故障一直存在，并未引起高度重視。機組臨界在即，為確保機組安全運行，必須及時查找出ＳＡＲ００１ＭＤ流量計故障原因，并予以解決。
圖１ ＳＡＲ００１ＭＤ異常流量曲線
２、ＳＡＲ００１ＭＤ渦輪流量計工作原理：
流體流經傳感器殼體，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉動力矩，克服摩擦力矩和流體阻力之后葉片旋轉，在力矩平衡后轉速穩定，在一定的條件下，轉速與流速成正比，由于葉片有導磁性，它處于信號檢測器（由磁鋼和線圈組成）的磁場中，旋轉的葉片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應出電脈沖信號，此信號經過放大器的放大整形，形成有一定幅度的連續的矩形脈沖波，可遠傳至ＤＣＳ，顯示出流體的瞬時流量和累計量。在一定的流量范圍內，脈沖頻率ｆ與流經傳感器的流體的瞬６４５時流量ＱＶ成正比，流量方程為ＱＶ＝３ ６００×ｆ／ｋ。經壓力和溫度補償后換算成標準大氣壓下的氣體流量ＱＶＮ，其簡化公式如下：
流體流經傳感器殼體，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉動力矩，克服摩擦力矩和流體阻力之后葉片旋轉，在力矩平衡后轉速穩定，在一定的條件下，轉速與流速成正比，由于葉片有導磁性，它處于信號檢測器（由磁鋼和線圈組成）的磁場中，旋轉的葉片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應出電脈沖信號，此信號經過放大器的放大整形，形成有一定幅度的連續的矩形脈沖波，可遠傳至ＤＣＳ，顯示出流體的瞬時流量和累計量。在一定的流量范圍內，脈沖頻率ｆ與流經傳感器的流體的瞬６４５時流量ＱＶ成正比，流量方程為ＱＶ＝３ ６００×ｆ／ｋ。經壓力和溫度補償后換算成標準大氣壓下的氣體流量ＱＶＮ，其簡化公式如下：
式中：ｆ———脈沖頻率，Ｈｚ；ｋ———傳感器的儀表系數，由校驗單給出；３ ６００———換算系數。
３、故障分析：
通過對比分析防城港核電站１號機組ＳＡＲ００１ＭＤ流量計曲線與其他已運行核電站流量歷史曲線，分別從流量計本體、控制通道、ＤＣＳ組態、安裝質量、空壓機運行方式、壓縮空氣分配系統工藝等多個角度展開分析，采用排除、論證方式一一查找故障的原因。
通過對比分析防城港核電站１號機組ＳＡＲ００１ＭＤ流量計曲線與其他已運行核電站流量歷史曲線，分別從流量計本體、控制通道、ＤＣＳ組態、安裝質量、空壓機運行方式、壓縮空氣分配系統工藝等多個角度展開分析，采用排除、論證方式一一查找故障的原因。
３．１、流量計本體檢查:
初步懷疑ＳＡＲ００１ＭＤ流量計自身存在缺陷，２０１５年４月２５日對ＳＡＲ００１ＭＤ進行解體檢查，發現流量計內部渦輪轉子葉輪軸承偏斜與殼體發生碰撞，出現嚴重卡澀，有時卡死現象，且其中兩片葉輪的磁棒已丟失，如圖２所示。于是更換２號機ＳＡＲ００１ＭＤ流量計至１號機試驗，回裝之前為排除流量計檢測線圈、前置放大器、儀表系數漂移等故障，將流量變送器返廠進行校驗，發現除個別點流量超差，線性不太好以外，并未出現現場使用中波動的情況，流量計儀表系數、度合格。儀表校驗報告如圖３。２０１５年８月２０日將２ＳＡＲ００１ＭＤ流量計回裝并進行驗證試驗，發現流量值及曲線仍然波動較大，相比之前曲線并沒有改善。因此排除流量計本體故障因素所致。
初步懷疑ＳＡＲ００１ＭＤ流量計自身存在缺陷，２０１５年４月２５日對ＳＡＲ００１ＭＤ進行解體檢查，發現流量計內部渦輪轉子葉輪軸承偏斜與殼體發生碰撞，出現嚴重卡澀，有時卡死現象，且其中兩片葉輪的磁棒已丟失，如圖２所示。于是更換２號機ＳＡＲ００１ＭＤ流量計至１號機試驗，回裝之前為排除流量計檢測線圈、前置放大器、儀表系數漂移等故障，將流量變送器返廠進行校驗，發現除個別點流量超差，線性不太好以外，并未出現現場使用中波動的情況，流量計儀表系數、度合格。儀表校驗報告如圖３。２０１５年８月２０日將２ＳＡＲ００１ＭＤ流量計回裝并進行驗證試驗，發現流量值及曲線仍然波動較大，相比之前曲線并沒有改善。因此排除流量計本體故障因素所致。
圖２ ＳＡＲ００１ＭＤ流量計解體圖
３．２、ＤＣＳ組態檢：
查為排除ＤＣＳ組態編程錯誤導致流量計故障的可能性，對ＤＣＳ組態參數、量程、計算公式等進行檢查，對比參考其他已運行核電站ＤＣＳ組態參數設置。發現ＤＣＳ數據庫中儀表的各項參數、量程正常，組態與其他電站基本保持一致，排除因參數、量程設置錯誤導致計算結果成倍放大的可能。各核電站ＤＣＳ組態參數對比如圖４所示。
查為排除ＤＣＳ組態編程錯誤導致流量計故障的可能性，對ＤＣＳ組態參數、量程、計算公式等進行檢查，對比參考其他已運行核電站ＤＣＳ組態參數設置。發現ＤＣＳ數據庫中儀表的各項參數、量程正常，組態與其他電站基本保持一致，排除因參數、量程設置錯誤導致計算結果成倍放大的可能。各核電站ＤＣＳ組態參數對比如圖４所示。
３．３、控制通道：
檢查２０１５年８月２１日對ＳＡＲ００１ＭＤ流量計至ＤＣＳ機柜側、機柜至ＤＣＳ側的測量通道進行檢查。
１）對比其他已運行核電站ＳＡＲ００１ＭＤ現場安裝位置一致，附近無大功率電機、變頻器、強電流設備等外來干擾源。并檢查儀表控制電纜屏蔽線及儀表接地均無異常。
２）對ＳＡＲ００１ＭＤ的通道進行檢查，在機柜側和就地側分別用勁儀模擬不同頻率的脈沖信號，同時模擬管道工作壓力，發現ＤＣＳ輸出平穩，ＤＣＳ顯示值與理論計算值基本一致，排除通道、ＤＣＳ卡件故障的可能性，同時也再次驗證ＤＣＳ數據庫參數設定正確。測量數據如圖５所示。
檢查２０１５年８月２１日對ＳＡＲ００１ＭＤ流量計至ＤＣＳ機柜側、機柜至ＤＣＳ側的測量通道進行檢查。
１）對比其他已運行核電站ＳＡＲ００１ＭＤ現場安裝位置一致，附近無大功率電機、變頻器、強電流設備等外來干擾源。并檢查儀表控制電纜屏蔽線及儀表接地均無異常。
２）對ＳＡＲ００１ＭＤ的通道進行檢查，在機柜側和就地側分別用勁儀模擬不同頻率的脈沖信號，同時模擬管道工作壓力，發現ＤＣＳ輸出平穩，ＤＣＳ顯示值與理論計算值基本一致，排除通道、ＤＣＳ卡件故障的可能性，同時也再次驗證ＤＣＳ數據庫參數設定正確。測量數據如圖５所示。
圖３ ２號機ＳＡＲ００１ＭＤ流量計校驗報告圖４ 各核電站ＤＣＳ組態參數圖５ 模擬脈沖信號測量數據
３）利用示波器在ＤＣＳ機柜側進行示波，檢測ＳＡＲ００１ＭＤ輸出波形。發現ＳＡＲ００１ＭＤ輸出波形正常，符合ＳＡＲ００１ＭＤ輸出高電平大于１５Ｖ，低電平小于４．５Ｖ要求，
排除因ＳＡＲ００１ＭＤ輸出波形不標準造成的波動故障原因。輸出波形如圖６所示。
經上述各項通道檢查試驗驗證表明ＳＡＲ００１ＭＤ流量計控制通道無異常，也無外電磁場干擾。
３．４、空壓機運行方式調整：
通過對空壓機加卸載運行周期、壓縮空氣管網壓力曲線、ＳＡＲ００１ＭＤ流量計測量曲線三者進行比較分析。由圖１可以看出當空壓機處于加載運行時，壓縮空氣管網壓力隨之上升，壓力上升至約８．２ｂａｒ ｇ流量曲線瞬時上升至***大值；當空壓機處于卸載狀態時，管網壓力不斷下降，流量曲線瞬時回零，且呈周期性，約１２ｍｉｎ。尤其是當兩臺空壓機加載運行時波動更加明顯，
通過對空壓機加卸載運行周期、壓縮空氣管網壓力曲線、ＳＡＲ００１ＭＤ流量計測量曲線三者進行比較分析。由圖１可以看出當空壓機處于加載運行時，壓縮空氣管網壓力隨之上升，壓力上升至約８．２ｂａｒ ｇ流量曲線瞬時上升至***大值；當空壓機處于卸載狀態時，管網壓力不斷下降，流量曲線瞬時回零，且呈周期性，約１２ｍｉｎ。尤其是當兩臺空壓機加載運行時波動更加明顯，
由此判斷引起ＳＡＲ００１ＭＤ流量計波動故障的根本原因可能是空壓機加卸載頻繁導致壓縮空氣管網壓力頻繁波動，流量計也隨之波動。產生該現象的原因有兩種：一、調試期間壓縮空氣下游用戶用氣量大，單臺空壓機無法維持管網壓力，兩臺空壓機定期加卸載；二、空壓機加卸載壓力定值、加卸載時間設定值等運行參數與當前工況不匹配。針對這兩方面因素，２０１５年８月３０日至９月２０日對空壓機運行方式作出如下調整試驗：
圖６ ＳＡＲ００１ＭＤ輸出波形
１）調整空壓機加卸載定值區間，由原來的７．６～９．０ｂａｒ ｇ更改為８．２～８．８ｂａｒ ｇ使壓縮空氣管網壓力始終維持在高壓力值范圍；
２）調整空壓機卸載延時由原來的１０ｓ改為３０ｓ，使單臺空壓機保持連續加載，維持管網壓力在一定的壓力值；
３）將空壓機出口干燥器運行方式調整為節能模式，節省再生用氣量；
４）將空壓機退出聯控運行，改為單機運行模式，空壓機根據本體出口壓力定值范圍加卸載，以維持濕貯氣罐壓力，穩定下游管網壓力；
５）為避免廠區內公用壓縮空氣ＳＡＴ及２號機壓縮空氣大量用氣等因素干擾，隔離上游氣源，儀用壓縮空氣改由應急空壓機直接供氣。
２）調整空壓機卸載延時由原來的１０ｓ改為３０ｓ，使單臺空壓機保持連續加載，維持管網壓力在一定的壓力值；
３）將空壓機出口干燥器運行方式調整為節能模式，節省再生用氣量；
４）將空壓機退出聯控運行，改為單機運行模式，空壓機根據本體出口壓力定值范圍加卸載，以維持濕貯氣罐壓力，穩定下游管網壓力；
５）為避免廠區內公用壓縮空氣ＳＡＴ及２號機壓縮空氣大量用氣等因素干擾，隔離上游氣源，儀用壓縮空氣改由應急空壓機直接供氣。
經上述調整試驗驗證后得出結論如下：
１）關于調整空壓機加卸載定值區間、投干燥器節能模式、改變空壓機運行模式、由應急空壓機供氣的試驗方法，只是降低了管網壓力波動幅度，ＳＡＲ００１ＭＤ流量值波動大故障依然存在，效果不明顯，進一步排除了空壓機運行方式、下游用氣量對流量計帶來的影響。壓力曲線及流量曲線如圖７、圖８所示。
２）調整空壓機卸載延時３０ｓ，會出現當一臺空壓機或兩臺空壓機連續加載運行時，產氣量與下游管網耗氣量保持一個平衡狀態，此時壓縮空氣管網壓力穩定，壓力曲線平緩，流量曲線正常。一旦平衡被打破，空壓機就會出現定期加卸載，管網壓力波動，流量波動，不能從根本上解決流量計故障。壓力曲線及流量曲線如圖９所示。
２）調整空壓機卸載延時３０ｓ，會出現當一臺空壓機或兩臺空壓機連續加載運行時，產氣量與下游管網耗氣量保持一個平衡狀態，此時壓縮空氣管網壓力穩定，壓力曲線平緩，流量曲線正常。一旦平衡被打破，空壓機就會出現定期加卸載，管網壓力波動，流量波動，不能從根本上解決流量計故障。壓力曲線及流量曲線如圖９所示。
３．5、壓縮空氣分配系統工藝分析：
１）為排除管道流體介質產生紊流造成流量不穩定因素。根據ＳＡＲ００１ＭＤ流量計維修手冊，對流量計安裝所在直管段是否滿足要求進行檢查，一般要求上游直管段長度大于１０ Ｄ，下游直管段長度大于５Ｄ（Ｄ＝２５ｍｍ）。經現場測得ＳＡＲ００１ＭＤ上下游直管段長度分別為７０ｍｍ，不滿足儀表安裝要求。如圖１０所示。２０１５年９月２１日對流量計安裝所在管線進行改造后繼續驗證流量計測量值，波動現象仍未改善。
１）為排除管道流體介質產生紊流造成流量不穩定因素。根據ＳＡＲ００１ＭＤ流量計維修手冊，對流量計安裝所在直管段是否滿足要求進行檢查，一般要求上游直管段長度大于１０ Ｄ，下游直管段長度大于５Ｄ（Ｄ＝２５ｍｍ）。經現場測得ＳＡＲ００１ＭＤ上下游直管段長度分別為７０ｍｍ，不滿足儀表安裝要求。如圖１０所示。２０１５年９月２１日對流量計安裝所在管線進行改造后繼續驗證流量計測量值，波動現象仍未改善。
圖７ 調整空壓機運行方式后流量曲線圖８ 應急空壓機供氣流量曲線圖９ 調整空壓機卸載延時后流量曲線
圖１０ ＳＡＲ００１ＭＤ流量計上下游直管段長度
２）進一步分析對比陽江核電站管網壓力及流量曲線。機組正常運行工況下，由于ＲＸ廠房內各系統控制閥不斷用氣，流經ＳＡＲ００１ＭＤ的流量一般維持在５～１０Ｎｍ３／ｈ之間波動，而防城港核電站流量***大值可達４０～６０Ｎｍ３／ｈ，***小值出現０Ｎｍ３／ｈ，出現該現象的原因是當空壓機卸載時反應堆廠房內管網壓力下降速度較外圍管網下降慢，導致ＲＸ廠房內壓力高于外圍管網壓力，ＳＡＲ４３３ＶＡ進氣逆止閥關閉，流量計瞬時歸零。當空壓機重新加載時，外管網壓力上升，ＳＡＲ４３３ＶＡ進氣逆止閥開啟，流量計瞬時突增。這一現象與實際的運行工況相矛盾，反應堆廠房內儀用壓縮空氣作為分配系統的***下游，有效體積容量相比于外圍管網要少得多，且所供系統用戶氣動閥不斷耗氣，因此不會出現反應堆廠房內壓力高于外圍管網壓力。除非有一種可能是ＳＡＲ００３ＢＡ貯氣罐進口逆止閥ＳＡＲ６１２ＶＡ內漏，失去其保壓功能，變成整個反應堆廠房緩沖罐反向供氣所致。ＳＡＲ流程簡圖如圖１１所示。
圖１１ ＲＸ廠房ＳＡＲ流程簡圖
２０１５年９月２９日對ＳＡＲ００３ＢＡ貯氣罐壓力進行就地觀察，發現其壓力一直波動，區間范圍在８．２～８．８ｂａｒ ｇ，周期與空壓機加卸載周期、流量曲線波動周期完全重合。于是關閉貯氣罐進口隔離閥ＳＡＲ３０９ＶＡ，將ＳＡＲ００３ＢＡ進行隔離驗證流量計測量值，流量曲線恢復正常，滿足安全殼泄漏率監測系統要求。當開啟ＳＡＲ３０９ＶＡ時，流量曲線再次出現波動故障。由此判斷ＳＡＲ００１ＭＤ流量計波動故障為逆止閥ＳＡＲ６１２ＶＡ內漏所致。試驗驗證曲線如圖１２所示。
圖１２ 試驗驗證曲線
４、解決措施：
４．１、ＳＡＲ００１ＭＤ流量計換型改造：
１）由于ＳＡＲ００１ＭＤ福爾曼渦輪流量計量程為２～１０ｍ３／ｈ，對于０～２ｍ３／ｈ低量程范圍的測量精度無法保證，與該核電站１號機組ＳＡＲ儀用壓縮空氣實際進入反應堆廠房的流量（約為１ｍ３／ｈ）不匹配，可能會造成流量回零測量不準現象。
２）福爾曼渦輪流量計轉子葉輪為塑料材質，在操作不當、高速氣流沖擊、氣體攜帶雜質等情況下，容易造成葉輪軸承偏移、葉片損壞、卡死等現象。其他核電站都曾出現過類似損壞事件。借鑒于大亞灣核電站ＳＡＲ００１ＭＤ流量計運行的良好實踐，防城港核電站１號機將ＦＨ７１０型福爾曼渦輪流量計更換成ＦＴ３型熱式氣體質量流量計。
４．２、增加臨時逆止閥：
由于正常維修逆止閥ＳＡＲ６１２ＶＡ需要隔離反應堆廠房進氣總閥，廠房內下游各系統用戶失去儀用壓縮空氣，機組需退至冷停堆狀態。鑒于１號機組已處于預臨界狀態，這無疑會造成一定的經濟損失。經過現場安裝空間測量、抗震分析計算，決定在進氣隔離閥ＳＡＲ３０９ＶＡ與ＳＡＲ００３ＢＡ貯氣罐之間水平管道上增加一臺與ＳＡＲ６１２ＶＡ同類型的臨時逆止閥。
由于正常維修逆止閥ＳＡＲ６１２ＶＡ需要隔離反應堆廠房進氣總閥，廠房內下游各系統用戶失去儀用壓縮空氣，機組需退至冷停堆狀態。鑒于１號機組已處于預臨界狀態，這無疑會造成一定的經濟損失。經過現場安裝空間測量、抗震分析計算，決定在進氣隔離閥ＳＡＲ３０９ＶＡ與ＳＡＲ００３ＢＡ貯氣罐之間水平管道上增加一臺與ＳＡＲ６１２ＶＡ同類型的臨時逆止閥。
經上述兩項措施實施完成后，ＳＡＲ００１ＭＤ流量計運行穩定，波動大故障得以解決，流量值滿足安全殼泄漏率監測系統，保證了防城港核電站１號機組順利實現臨界這一重大里程碑。流量計正常運行曲線如圖１３所示。
圖１３ 流量計正常運行曲線
5、結束語：
反應堆廠房入口儀用壓縮空氣流量計ＳＡＲ００１ＭＤ作為核電站重要監測儀表之一，流量數據的準確性關系到機組的安全運行。一旦出現故障必須予以高度重視，及時解決。本文通過工程實踐分別從流量計本體、控制通道、ＤＣＳ組態、安裝質量、空壓機運行方式、壓縮空氣分配系統工藝等多方面入手查找到ＳＡＲ００１ＭＤ渦輪流量計波動大故障是因逆止閥ＳＡＲ６１２ＶＡ內漏所致。針對故障原因并結合實際運行工況，采用了流量計換型和增加逆止閥相結合的處理方案。目前流量計及安全殼泄漏率監測系統運行穩定。
反應堆廠房入口儀用壓縮空氣流量計ＳＡＲ００１ＭＤ作為核電站重要監測儀表之一，流量數據的準確性關系到機組的安全運行。一旦出現故障必須予以高度重視，及時解決。本文通過工程實踐分別從流量計本體、控制通道、ＤＣＳ組態、安裝質量、空壓機運行方式、壓縮空氣分配系統工藝等多方面入手查找到ＳＡＲ００１ＭＤ渦輪流量計波動大故障是因逆止閥ＳＡＲ６１２ＶＡ內漏所致。針對故障原因并結合實際運行工況，采用了流量計換型和增加逆止閥相結合的處理方案。目前流量計及安全殼泄漏率監測系統運行穩定。
