李懷洲，陸海榮

(1.福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355209；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

寧德核電站循環(huán)水過濾系統(tǒng)(CFI系統(tǒng))主要用于給廠用水系統(tǒng)提供過濾后的海水，部分具備核安全相關(guān)的功能(主要用于提供三回路以及核島核安全系統(tǒng)、常規(guī)島設(shè)備的冷卻用水等)。但自正式投運(yùn)以來，該系統(tǒng)缺陷多發(fā)，且現(xiàn)場(chǎng)維修無法從根本上解決問題，只能頻繁重復(fù)性維修，暫時(shí)維持系統(tǒng)功能。這對(duì)保障電站冷源的可靠性不利，甚至曾出現(xiàn)過因CFI系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)組降功率的事件。

因此，需對(duì)系統(tǒng)缺陷進(jìn)行梳理，做出技術(shù)改進(jìn)以緩解或根治系統(tǒng)問題，保障冷源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而提升核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 循環(huán)水過濾系統(tǒng)功能存在的問題

寧德核電站循環(huán)水過濾系統(tǒng)主要為機(jī)組三回路用水、設(shè)備冷卻用水以及海水淡化系統(tǒng)水源提供過濾功能，防止直徑大于3 mm的海生物和廢棄物等經(jīng)由海水夾帶進(jìn)入電站泵站。

循環(huán)水過濾系統(tǒng)主要由粗格柵、細(xì)格柵、格柵清污機(jī)、鼓型濾網(wǎng)、反沖洗設(shè)備等組成。

在設(shè)計(jì)循環(huán)水過濾系統(tǒng)時(shí)，由于引用的是寧德核電站《廠址有關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)》以及海生物調(diào)查報(bào)告中的相關(guān)資料，且資料中未涉及或未考慮當(dāng)?shù)睾Ｉ?如海地瓜、棕囊藻等)的入侵，因此在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)中未考慮大量海生物入侵以及應(yīng)對(duì)預(yù)案；同時(shí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)未將寧德核電站海水水域中的泥沙含量作為關(guān)注點(diǎn)。

其中，格柵清污機(jī)主要用于刮除攔截在細(xì)格柵上的垃圾。原設(shè)計(jì)過于理想化，認(rèn)為竹竿等體積較大的雜物應(yīng)在進(jìn)水明渠前段就被攔污網(wǎng)攔截了，未考慮竹竿等雜物漂過攔污網(wǎng)進(jìn)入細(xì)格柵的情況，因此在格柵清污機(jī)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)中未考慮去除竹竿、木頭等較大雜物。此類雜物被攔截在細(xì)格柵處，會(huì)被清污機(jī)打撈，但大型雜物容易卡在清污機(jī)耙齒與墻壁之間，輕則導(dǎo)致清污機(jī)上的鋼絲繩錯(cuò)亂斷絲，重則導(dǎo)致清污機(jī)電機(jī)過載燒毀。

由于上述設(shè)計(jì)基準(zhǔn)未充分考慮寧德核電站的實(shí)際情況，導(dǎo)致格柵清污機(jī)頻繁損壞、鼓型濾網(wǎng)網(wǎng)片變形，甚至循環(huán)水泵脫扣事件發(fā)生。

變更設(shè)計(jì)基準(zhǔn)需要收集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行論證，需要較長(zhǎng)時(shí)間。由于現(xiàn)場(chǎng)問題的表象基本均是體現(xiàn)在儀控設(shè)備上，例如鼓型濾網(wǎng)頻繁出現(xiàn)差壓高報(bào)警、監(jiān)測(cè)格柵清污機(jī)前后差壓的水位差計(jì)頻繁報(bào)警等，因此在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行變更之前，需要通過技術(shù)改進(jìn)提升儀控設(shè)備的可靠性，減少因儀控設(shè)備故障導(dǎo)致的循環(huán)水過濾系統(tǒng)可用性下降的概率，這對(duì)收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性非常重要。

2 儀控設(shè)備技術(shù)改進(jìn)

根據(jù)歷史故障記錄，寧德核電站CFI系統(tǒng)儀控設(shè)備的故障主要集中在接近開關(guān)(SM/SX)、超聲波液位計(jì)/靜壓式水位差計(jì)(MN)和壓力開關(guān)(SP)?，F(xiàn)通過對(duì)這幾型開關(guān)故障原因的梳理與分析，進(jìn)行換型改造。

2.1 接近開關(guān)換型

根據(jù)運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，格柵清污機(jī)上的接近開關(guān)在1年期間總故障次數(shù)將近40次，具體故障現(xiàn)象表現(xiàn)為：耙斗與柵條嚙合/脫離到位開關(guān)出現(xiàn)故障，開關(guān)無法觸發(fā)時(shí)，耙斗嚙合電機(jī)對(duì)應(yīng)絲桿將其端蓋頂出，無法自動(dòng)復(fù)位，需要機(jī)械、電氣、儀控3個(gè)專業(yè)同時(shí)配合處理，耗時(shí)約15天；耙斗搭在攔污擋板上，無法脫離；嚙合電機(jī)與其對(duì)應(yīng)絲桿脫扣，需要機(jī)械、電氣、儀控3個(gè)專業(yè)相繼處理，耗時(shí)約15天；松繩開關(guān)無法正常觸發(fā)，導(dǎo)致耙斗位置偏移，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致格柵清污機(jī)損毀；設(shè)備過載開關(guān)故障產(chǎn)生誤報(bào)警，導(dǎo)致“提升減速電機(jī)”誤動(dòng)作。

格柵清污機(jī)使用的接近開關(guān)為電感型，型號(hào)為XS630B1NAM12，安裝于CFI系統(tǒng)格柵清污機(jī)本體上，用于監(jiān)測(cè)格柵清污機(jī)的松繩或耙斗狀態(tài)。其中松繩開關(guān)用于監(jiān)測(cè)松繩狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到1根或2根鋼絲繩出現(xiàn)松弛狀態(tài)時(shí)，將觸發(fā)報(bào)警，且聯(lián)動(dòng)停運(yùn)下游設(shè)備“提升減速電機(jī)”；耙斗與柵條嚙合/脫離到位開關(guān)用于監(jiān)測(cè)耙斗狀態(tài)，其邏輯信號(hào)參與控制下游設(shè)備“電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的投運(yùn)動(dòng)作。

設(shè)備接近開關(guān)用于監(jiān)測(cè)格柵清污機(jī)的耙斗是否過載，其邏輯信號(hào)參與控制下游設(shè)備“提升減速電機(jī)”的動(dòng)作，一旦過載報(bào)警，則停運(yùn)電機(jī)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和歷次維修經(jīng)驗(yàn)反饋，由于上述接近開關(guān)的電氣連接為防護(hù)等級(jí)較低的小型航空插頭，易受外部雨水、空氣濕度和空氣中鹽分的影響，長(zhǎng)期使用后航空插頭接口處生銹腐蝕，導(dǎo)致接觸不良，進(jìn)而使得接近開關(guān)無法正常動(dòng)作?，F(xiàn)場(chǎng)航空插頭更換前3個(gè)月故障率明顯低于其他時(shí)段，進(jìn)一步印證了故障引發(fā)的原因。

因此，技術(shù)改進(jìn)方案擬定為更換防護(hù)等級(jí)更高的航空插頭或者去除電纜的航空插頭，變?yōu)橐惑w式接近開關(guān)。基于航空插頭的不穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)通過重新設(shè)計(jì)并與廠家定制了去除航空插頭的一體式接近開關(guān)XS630B1NAL10/XS8D1A1NAL5，分別替代原物項(xiàng)XS630B1NAM12/XS8D1A1NAM12，具體情況如表1所示。替代物項(xiàng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)2年多時(shí)間，接近開關(guān)的故障率下降至2次/年，有效解決了格柵清污機(jī)上儀控設(shè)備故障率高的問題。

2.2 超聲波液位計(jì)換型

寧德核電站格柵清污機(jī)、鼓型濾網(wǎng)處均安裝有液位計(jì)，用于測(cè)量細(xì)格柵、鼓型濾網(wǎng)上下游的液位差，以監(jiān)測(cè)是否存在堵塞，并產(chǎn)生細(xì)格柵清污機(jī)和鼓型濾網(wǎng)的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作及報(bào)警信號(hào)。考慮監(jiān)測(cè)形式的多樣性，現(xiàn)場(chǎng)初始設(shè)計(jì)的液位測(cè)量?jī)x表有靜壓式水位差計(jì)和超聲波液位計(jì)2種類型。

正常運(yùn)行時(shí)細(xì)格柵必須保持干凈，2臺(tái)格柵清污機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，并且不在同一高度上運(yùn)行；與水頭損失傳感器的指令同步，并保持半個(gè)循環(huán)的距離運(yùn)行。鼓型濾網(wǎng)由水頭損失傳感器控制其運(yùn)行狀態(tài)，其中1列沖洗回路運(yùn)行(每臺(tái)鼓型濾網(wǎng)1列)。如果液位計(jì)檢測(cè)出水頭損失超過第1正常值，格柵清污機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)水頭損失回落至正常值時(shí)，將自動(dòng)關(guān)閉。如果檢測(cè)水頭損失超過第2閾值，向控制室發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)3套液位計(jì)中的任意2個(gè)檢測(cè)到鼓型濾網(wǎng)進(jìn)出口的水位差持續(xù)升高達(dá)到0.3 m時(shí)，向控制室輸出第1次報(bào)警信號(hào)。當(dāng)3套水位差計(jì)中的任意2個(gè)檢測(cè)到鼓型濾網(wǎng)進(jìn)出口的水位差繼續(xù)增大并達(dá)到0.8 m時(shí)，向控制室輸出第2次報(bào)警信號(hào)，同時(shí)該鼓型濾網(wǎng)對(duì)應(yīng)的循環(huán)水泵停止運(yùn)行，該列退出運(yùn)行。

表1 格柵清污機(jī)上儀控設(shè)備技術(shù)改進(jìn)統(tǒng)計(jì)

超聲波液位計(jì)經(jīng)常誤發(fā)液位差高信號(hào)，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際液位差在正常范圍內(nèi)。超聲波液位計(jì)發(fā)射脈沖波到被測(cè)介質(zhì)表面上，同時(shí)接收由被測(cè)介質(zhì)表面反射回來的回波，由發(fā)射波和回波的時(shí)間差，也就是用聲波在空間中的往返穿行時(shí)間來測(cè)出探頭與被測(cè)介質(zhì)表面的距離。對(duì)超聲波液位計(jì)誤發(fā)液位差高信號(hào)的原因分析如下：使用高濃度的次氯酸鈉對(duì)進(jìn)入粗格柵內(nèi)的海生物進(jìn)行消殺，海生物及雜物與次氯酸鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后在流道內(nèi)產(chǎn)生大量泡沫。當(dāng)距離恒定時(shí)，超聲波液位計(jì)回波強(qiáng)度比率取決于被測(cè)介質(zhì)反射面的特性。海水表面的泡沫及漂浮物會(huì)吸收或擴(kuò)散超聲波，導(dǎo)致回波減弱或不穩(wěn)定。當(dāng)泡沫比較黏稠、濃厚時(shí)，超聲波液位計(jì)測(cè)量誤差較大，易產(chǎn)生液位差高信號(hào)。

靜壓式水位差計(jì)利用液位高度與液體靜壓成正比的原理，將測(cè)量單元浸入海水之中，海水壓力使測(cè)量單元發(fā)生形變，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，輸出4—20 mA電流信號(hào)。靜壓式水位差計(jì)測(cè)量不受海水表面泡沫和漂浮物的影響，歷史數(shù)據(jù)表明其故障率和誤報(bào)率明顯低于超聲波液位計(jì)，因此可使用靜壓式水位差計(jì)替代超聲波液位計(jì)。原設(shè)計(jì)采用2套靜壓式水位差計(jì)及1套超聲波液位計(jì)，組成“3取2”邏輯來控制鼓型濾網(wǎng)的轉(zhuǎn)速。靜壓式水位差計(jì)型號(hào)選用WELL72 XX-AGA-P-2-2.5bar-H-T/FEP25，控制器型號(hào)選用VEGA MET625。

原設(shè)計(jì)采用超聲波液位計(jì)和靜壓式水位差計(jì)，側(cè)重于測(cè)量多樣性，避免單一故障。經(jīng)分析，這些液位計(jì)均為非安全相關(guān)設(shè)計(jì)，沒有單一故障準(zhǔn)則的要求。在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，3個(gè)液位計(jì)任一動(dòng)作或任2個(gè)動(dòng)作會(huì)引起邏輯聯(lián)動(dòng)，沒有必須3個(gè)液位計(jì)同時(shí)動(dòng)作聯(lián)動(dòng)設(shè)備的要求，所以液位計(jì)可以選型一致。因?qū)幍潞穗娝蛩|(zhì)差，靜壓式水位差計(jì)的測(cè)量筒長(zhǎng)期浸沒在海水中，底部容易積累泥沙，測(cè)量筒內(nèi)壁易附著海生物。為保證靜壓式水位差計(jì)可靠使用，制定了每半年清洗1次測(cè)量筒的預(yù)防性維修策略。

通過以上技術(shù)改進(jìn)和預(yù)防性維修措施，水位差計(jì)誤發(fā)報(bào)警的問題得以解決。

2.3 壓力/差壓開關(guān)技術(shù)改進(jìn)

懸浮泥沙觀測(cè)站的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表明：寧德核電站海域海水懸沙的平均含沙量為0.076 6 kg/m3，其中夏季懸浮泥沙的平均含沙量為0.056 6 kg/m3，冬季平均懸浮含沙量為0.096 6 kg/m3。實(shí)測(cè)含沙量最大值為0.275 4 kg/m3，實(shí)測(cè)含沙量最小值為0.012 3 kg/m3。

寧德核電站近海區(qū)海水水體懸沙含量較低，但是在水體底下分布大量由粘土質(zhì)粉砂組成的淤泥，平均中值粒徑為0.007 6 mm，粒徑偏細(xì)。隨著漲潮落潮及海浪的影響，海域底部淤泥被攪渾后進(jìn)入水體，海水混合運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，水體懸沙含量增大。

由于漲潮、落潮時(shí)海水中泥沙含量大，壓力/差壓開關(guān)的取樣管長(zhǎng)期直接與海水接觸，海水內(nèi)的泥沙逐漸積累在儀表管內(nèi)，導(dǎo)致壓力/差壓開關(guān)故障，堵塞頻次平均高達(dá)每2個(gè)月1次。每臺(tái)機(jī)組共計(jì)4個(gè)壓力開關(guān)、8個(gè)差壓開關(guān)。壓力開關(guān)用于測(cè)量過濾器沖洗水出口壓力，差壓開關(guān)用于測(cè)量過濾器水頭損失。由于這些儀表為核級(jí)儀表，而市場(chǎng)上滿足核級(jí)要求的壓力/差壓開關(guān)均為接觸式。因此，使用非接觸式儀表進(jìn)行換型的設(shè)想無法實(shí)施。

由于壓力/差壓開關(guān)的取樣管堵塞后需要拆卸儀表管進(jìn)行排污，不便維修。從方便維修的角度，在原有取樣管最底部增加了三通和排污閥。同時(shí)，增加沖洗取樣管的預(yù)防性維修策略(每2個(gè)月1次)，定期打開排污閥排出取樣管內(nèi)的淤泥。當(dāng)淤泥將取樣管堵死不能排出時(shí)，才需要拆卸儀表管沖洗，從而減少了儀表維修工作量。

3 結(jié)束語

通過對(duì)寧德核電站循環(huán)水過濾系統(tǒng)儀控設(shè)備(接近開關(guān)、超聲波液位計(jì)、壓力/差壓開關(guān))存在的問題進(jìn)行梳理與分析，并提出了技術(shù)改進(jìn)方案，有效降低了設(shè)備故障頻次，緩解了因系統(tǒng)故障隔離導(dǎo)致電站冷源可靠性下降的問題，提升了機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。上述方案簡(jiǎn)單易實(shí)施，效果明顯，為同類電站技術(shù)的改進(jìn)工作提供了參考。