張 戎,張志慧,劉 博,黃曉妍
(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)
本文以鍋爐無(wú)法啟動(dòng)這一故障現(xiàn)象作為切入點(diǎn),深入分析鍋爐燃油系統(tǒng)回油壓力高觸發(fā)鍋爐安全聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作的各個(gè)環(huán)節(jié),從保護(hù)邏輯信號(hào)開(kāi)始,通過(guò)反復(fù)試驗(yàn),深入挖掘故障的根本原因,對(duì)目前進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行模式的核電廠,在故障信息數(shù)據(jù)不全以及盡量縮短維修工期的要求下,如何查找故障的根本原因摸索出一條行之有效的解決方法,對(duì)其他電站或同類設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)具有重要的參考價(jià)值。
秦山核電站12#備用供熱站(鍋爐房)是全廠在定期停堆檢修或因意外停堆時(shí),緊急啟動(dòng)向外網(wǎng)供汽的備用供熱站。主要用戶有:除氧器加熱、副控廢液蒸發(fā)、淋浴水系統(tǒng)加熱和夏季09#溴化鋰機(jī)組制冷供汽。鍋爐作為特種設(shè)備,同時(shí)受國(guó)家相關(guān)部門監(jiān)管并安排定期特檢。因此,鍋爐的熱備對(duì)核電廠來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。
圖1 鍋爐程序控制器時(shí)序圖Fig.1 Sequence diagram of boiler program controller
2019 年12 月27 日,運(yùn)行人員在實(shí)施鍋爐定期啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí),鍋爐多次啟動(dòng)失敗,具體現(xiàn)象為:鍋爐手動(dòng)啟動(dòng)按鈕按下后,風(fēng)機(jī)啟動(dòng),約2min 后供油泵啟動(dòng),鍋爐即將點(diǎn)火一瞬間突然停機(jī),同時(shí)鍋爐就地控制柜發(fā)出故障報(bào)警,PLC 控制屏發(fā)出回油壓力高報(bào)警。
秦山核電站12#鍋爐房使用的是雙良WNS 型蒸汽鍋爐[3],采用PLC(可編程邏輯控制器)和程序控制器聯(lián)合控制,以觸摸屏和按鈕為雙重操作界面的控制方式,同時(shí)設(shè)有水位控制器和負(fù)荷控制器等控制、監(jiān)測(cè)和顯示裝置。
其中,水位控制器,用于控制鍋爐比例或位式進(jìn)水,以確保鍋爐水位在正常范圍內(nèi)。
程序控制器,用于控制和監(jiān)測(cè)燃燒器,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)燃燒過(guò)程的全自動(dòng)運(yùn)行。
負(fù)荷控制器,用于不斷檢測(cè)鍋爐壓力,將壓力信號(hào)不斷地傳給燃燒器的程序控制器,以使程序控制器根據(jù)負(fù)荷的變化來(lái)及時(shí)調(diào)整燃燒。
以上各控制元件同時(shí)都有信號(hào)送給PLC,PLC 對(duì)收到的信號(hào)不斷進(jìn)行分析、判斷,對(duì)以上各控制元件有監(jiān)控作用;同時(shí),又將處理信號(hào)送給觸摸屏,通過(guò)觸摸屏將鍋爐運(yùn)行情況及時(shí)顯示出來(lái),并通過(guò)觸摸屏對(duì)鍋爐進(jìn)行控制操作。
表1 秦山核電站鍋爐設(shè)備參數(shù)Table 1 Qinshan Nuclear Power Plant boiler equipment parameters
觸摸屏是鍋爐當(dāng)前所處狀態(tài)的直觀顯示裝置,也是對(duì)鍋爐進(jìn)行控制的操作面板,是判斷本次鍋爐無(wú)法啟動(dòng)故障的重要裝置。
秦山核電站12#鍋爐房的鍋爐使用的燃料是0#柴油,燃油經(jīng)油泵加壓打入燃燒器,通過(guò)機(jī)械霧化、高壓點(diǎn)火后,在爐膽內(nèi)產(chǎn)生火焰并開(kāi)始燃燒,多余的燃油經(jīng)回油管線返回日用油箱。鍋爐程序控制器時(shí)序圖如圖1 所示[1]。
圖2 鍋爐報(bào)警指示電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic diagram of boiler alarm indication
2.2.1 鍋爐安全聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作邏輯[3]
MNS 型蒸汽鍋爐設(shè)有7 個(gè)安全聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào),分別為:油泵電機(jī)過(guò)載(KH3)、風(fēng)機(jī)電機(jī)過(guò)載(KH1)、變頻器故障(ATV)、回油壓力高(KA19)、汽壓極高(KA3)、水位低限(KA4)、水位極高(KA6),其中水位極高為鍋爐允許啟動(dòng)條件之一。鍋爐啟動(dòng)后會(huì)報(bào)警,但不會(huì)觸發(fā)鍋爐停機(jī),其余信號(hào)均會(huì)在鍋爐啟動(dòng)后觸發(fā)保護(hù)停機(jī)。
從鍋爐停機(jī)時(shí),就地控制柜發(fā)出故障報(bào)警及PLC 觸摸屏顯示回油壓力高報(bào)警的現(xiàn)象綜合判斷,鍋爐回油壓力高是導(dǎo)致鍋爐無(wú)法啟動(dòng)的直接原因。
2.2.2 鍋爐無(wú)法啟動(dòng)原因分析
1)回油壓力高,觸發(fā)保護(hù)停機(jī)邏輯
從圖4 可以看出,手動(dòng)按下鍋爐啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后,風(fēng)機(jī)啟動(dòng),KM1.1 觸點(diǎn)閉合,風(fēng)壓開(kāi)關(guān)SP6 進(jìn)行風(fēng)壓檢測(cè),建立待機(jī)汽壓;KA2 繼電器觸點(diǎn)閉合,緊接著油泵啟動(dòng)建立油路,此時(shí)回油壓力開(kāi)關(guān)SP3 已經(jīng)工作,但未參與保護(hù)功能;隨后準(zhǔn)備鍋爐點(diǎn)火,點(diǎn)火一瞬間KA11 繼電器觸點(diǎn)閉合,若回油壓力開(kāi)關(guān)達(dá)到動(dòng)作值,此時(shí)回路接通KA19 繼電器動(dòng)作,觸發(fā)繼電器KA1 故障報(bào)警,同時(shí)斷開(kāi)鍋爐啟動(dòng)回路,導(dǎo)致鍋爐停機(jī)。
該回油壓力開(kāi)關(guān)的主要功能為保護(hù)回油管線,防止回油管線壓力過(guò)高撐爆油管引發(fā)事故。由此可見(jiàn),該壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作是回油壓力高觸發(fā)鍋爐保護(hù)停機(jī)的充分必要條件。導(dǎo)致該壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作的原因可能是:
圖3 鍋爐運(yùn)行電氣原理圖Fig.3 Electrical schematic diagram of boiler operation
圖4 回油壓力高,觸發(fā)保護(hù)停機(jī)邏輯Fig.4 High return pressure triggers protection shutdown logic
① 壓力開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作或設(shè)定值漂移。
② 實(shí)際回油壓力增高。
2)回油壓力開(kāi)關(guān)性能檢查
現(xiàn)使用回油壓力開(kāi)關(guān)量程為0bar ~6bar,設(shè)定動(dòng)作值為5.5bar。使用壓力校驗(yàn)臺(tái)和精密壓力表對(duì)壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行校驗(yàn),得出表2 數(shù)據(jù)。從校驗(yàn)記錄中明顯可以看出,該壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作定值發(fā)生漂移,調(diào)整設(shè)定值后依然不滿足要求,設(shè)備可靠性降低。最終選擇更換新的壓力開(kāi)關(guān),并對(duì)新壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行校驗(yàn),校驗(yàn)后滿足要求。
表2 壓力開(kāi)關(guān)校驗(yàn)記錄表Table 2 Pressure switch calibration record table
回裝回油壓力開(kāi)關(guān)后,嘗試啟動(dòng)鍋爐失敗,故障現(xiàn)象沒(méi)有變化。因此,回油壓力開(kāi)關(guān)定值漂移是導(dǎo)致鍋爐無(wú)法啟動(dòng)的必要不充分條件。
3)回油壓力監(jiān)視試驗(yàn)
由于壓力開(kāi)關(guān)無(wú)法連續(xù)測(cè)量壓力,為了準(zhǔn)確監(jiān)視回油壓力在鍋爐啟動(dòng)、停止階段的變化情況,該試驗(yàn)選擇將原管線壓力開(kāi)關(guān)拆除,屏蔽回油壓力高信號(hào),在原壓力開(kāi)關(guān)管線上重新配接頭,連接壓力變送器(量程0MPa ~2MPa),通過(guò)8841 快速記錄儀監(jiān)視壓力信號(hào)(1V ~5V 電壓)的變化。連續(xù)3 次啟動(dòng)鍋爐,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
連續(xù)三次啟動(dòng)鍋爐,除了第一次啟動(dòng)失敗,第二、三次均啟動(dòng)成功。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),鍋爐第一次啟動(dòng)時(shí),回油壓力有明顯地瞬時(shí)升高,最高壓力達(dá)到了7.49bar,超過(guò)了壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作值5.5bar,持續(xù)約4s 后,壓力恢復(fù)穩(wěn)定。結(jié)合鍋爐的啟動(dòng)時(shí)序分析,該壓力瞬時(shí)升高與油泵啟動(dòng)發(fā)生在同一時(shí)刻,可以判斷回油壓力瞬時(shí)升高是由于油路建立初期,管線中的燃油克服靜摩擦力流動(dòng)而導(dǎo)致的,當(dāng)燃油流動(dòng)起來(lái)后回油壓力恢復(fù)正常。燃油和管壁的摩擦力大小與燃油的粘度成反比,即燃油的粘度越大,對(duì)管壁摩擦力越大。而決定燃油粘度的則是燃油型號(hào)和溫度,同型號(hào)燃油,溫度越高,粘度越小。鍋爐啟動(dòng)時(shí)間是2019 年12月27 日,當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度僅有4℃,該鍋爐使用的是0#柴油[1],雖然達(dá)不到凝結(jié)點(diǎn),但其粘度會(huì)有明顯地增大,由于鍋爐長(zhǎng)期處于備用狀態(tài),0#柴油長(zhǎng)時(shí)間管道靜置,大大增加了與管線附著、粘連的可能性[2]。
以上試驗(yàn)說(shuō)明,實(shí)際回油壓力增高是導(dǎo)致鍋爐無(wú)法啟動(dòng)的直接原因,而導(dǎo)致實(shí)際回油壓力增高并非回油管線堵塞,是由燃油的固有特性和環(huán)境溫度決定的。
表3 鍋爐啟、停時(shí)回油壓力變化曲線Table 3 Variation curve of oil return pressure when the boiler starts and stops
本次鍋爐無(wú)法啟動(dòng)的根本原因是由于當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度低,導(dǎo)致0#柴油粘度過(guò)大,管線中的燃油為克服靜摩擦力流動(dòng),最終導(dǎo)致回油壓力瞬時(shí)升高,超過(guò)回油壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作限值,觸發(fā)鍋爐停機(jī)保護(hù)邏輯。針對(duì)這一問(wèn)題可以通過(guò)以下方法解決:
1)增加回油壓力停爐延時(shí)邏輯,屏蔽瞬時(shí)的回油壓力增大信號(hào)。
2)重新選擇燃油型號(hào),優(yōu)化燃燒控制程序。
3)增大回油管道直徑,降低回油壓力。