废气监测系统故障模式分析及解决策略.pdf

第30卷 第10期2023年10月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.10废气监测系统故障模式分析及解决策略叶伦荣，夏善杰，刘 洋，岳民凯，毕钦思（中核核电运行管理有限公司 维修五处，浙江 嘉兴 314300）摘 要：核电在安全发电的同时也产生了大量的废气，废气监测系统能够对废气排放烟囱的气体排出物进行连续地监测，从而保护公众的健康和保证环境不受污染。秦三厂废气监测系统设备自机组建造期间安装，已经运行 20 多年，由于部件老化，辐射监测系统缺陷量有上升趋势，影响了设备的可靠运行。由于部分设备存在 TS（技术规格书）限制，而且涉及流出物排放，设备缺陷对机组的稳定运行造成了一定的潜在风险，因而有必要做进一步全面潜在故障分析，分层次消除部件可靠性短板，以有效全面地提高设备的可靠性。本文详细介绍了重水堆核电厂废气监测系统，基于近几年的缺陷数据，对此系统的日常维护及故障处理展开详细的分析，以期能够提升秦三厂废气监测系统可靠性，为中国核电高质量发展贡献应有的力量。关键词：放射性；废气监测系统；故障模式中图分类号：X830 文献标志码：ADaily Maintenance and Troubleshooting of Waste Gas Monitoring System in Heavy Water ReactorNuclear Power PlantYe Lunrong，Xia Shanjie，Liu Yang，Yue Minkai，Bi Qinsi（CNNP,Maintenance Department,Zhejiang,Jiaxing,314300,China）Abstract：Nuclear power generates a large amount of exhaust gas while safely generating electricity.The exhaust gas monitoring system can continuously monitor the gas emissions from the exhaust chimney,thereby protecting public health and ensuring that the environment is not polluted.The exhaust gas monitoring system equipment of Qinsan Factory has been installed during the construction period of the unit and has been in operation for more than 20 years.Due to component aging,the number of defects in the radiation monitoring system is increasing,which affects the reliable operation of the equipment.Due to TS limitations on some equipment and the involvement of effluent emissions,equipment defects pose a certain potential risk to the stable operation of the unit.Therefore,it is necessary to conduct further comprehensive potential fault analysis and eliminate component reliability shortcomings in a hierarchical manner to effectively and comprehensively improve the reliability of the equipment.This article pro-vides a detailed introduction to the exhaust gas monitoring system of the heavy water reactor nuclear power plant.Based on defect data in recent years,a detailed analysis is conducted on the daily maintenance and fault handling of this system,with the aim of improving the reliability of the exhaust gas monitoring system at Qinsan Nuclear Power Plant and contributing to the high-quality development of nuclear power in China.Key words：radioactivity；waste gas monitoring system；daily maintenance收稿日期：2023-07-10作者简介：叶伦荣（1997-），男，江西赣州人，本科，检修工程师，从事核电站仪控运维工作。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.10.017文章编号：1671-1041(2023)10-0076-040 引言根据中华人民共和国核安全法第四十四条规定，核设施营运单位应当对其产生的放射性废气进行处理，达到国家放射性污染防治标准后，方可排放。重水堆核电厂叶伦荣废气监测系统故障模式分析及解决策略第10期77为了确保废气达标排放专门设置了废气监测系统，能够对废气进行连续地在线监测。当废气中的放射性水平达到或超过允许排放的限值时，废气监测系统将给出报警信号，并在主控室报警，使运行人员能够马上采取措施停止排放废气。本文通过系统性地梳理近 5 年来的缺陷数量和总类，通过参照 EPRI 设备故障模式，针对废气监测系统故障模式进行分析，探寻解决方法，并梳理出典型缺陷以及处理方法，以期为该系统运维储备经验。1 重水堆核电厂废气监测系统原理及功能重水堆核电厂废气监测系统是全厂辐射监测的重要组成部分，该系统对烟囱气体排出物中的气溶胶、碘、惰性气体进行连续在线监控。当废气中的放射性水平达到或超过允许排放的限值时，废气监测系统将给出报警信号，并在主控室进行报警和显示1。本系统通过 C-14 收集系统和氚收集器为实验室定期分析提供标本，另外该系统在两个机组各新增了一套备用气溶胶、碘、惰性气体、碳-14 和氚取样/收集装置，在原烟囱监测系统停机维修或失效导致无法保证放射性气态流出物的取样监测时投运。C-14 取样器对烟囱废气中的总氚、总 C 和无机氚、无机 C 进行取样，样品在规定时间内送至实验室进行分析，防止异常排放。该系统流程简图如图 1 所示，当采样气体从烟囱取样后分成两路，一路进入气溶胶过滤器、碘采集器，然后进入惰性气体采集器，再通过氚采集器后与另一路（经过 C-14 取样器）汇合一起回到烟囱。2 重水堆核电厂废气监测系统设备组成废气监测系统主要由辐射测量回路、检查源装置、取图1 废气监测系统流程Fig.1 Exhaust gas monitoring system process样泵、流量测量仪表、压力测量仪表、温度测量仪表、气溶胶过滤器、碘过滤器、伴热电缆、阀门等组成。辐射测量回路主要是 CANBERRA 公司的辐射测量仪表2，主要包括显示率表、前置放大器和探头。探头主要是对放射性射线进行响应，将光子转换成光电子并经光电倍增管逐级放大后送前置放大器处理。前置放大器给探头提供高压，并接收探头信号进一步放大脉冲幅度和形状甄别，将处理后的信号送显示率表。显示率表接收前置放大器输出的信号，对信号进行累积、平均和计算，再进行显示。数据经内部I/O 板和电源板输出信号，送用户接口板给主控报警和显示，同时也给前置放大器提供工作电压。显示率表可以进行测试、参数设置和参数检查，可以启动检查源装置和探头内部的 LED 发光二极管测试，确认探头晶体和整个回路电子线路工作正常，是用作系统的人机交互界面。3 设备故障模式确定EPRI（美国电力科学研究院）依据代表设备特别故障模式的故障特征数据库来自动匹配被监测设备的条件，提供一个匹配当前条件的可能故障模式的排名顺序，根据Nuclear Maintenance Application Center 的调查3，确定了废气监测系统如下故障模式：参照 EPRI（美国电力科学研究院）设备故障模式，梳理出最近 5 年内 67883 废气监测系统共有缺陷 49 项，详见表 1 废气监测系统缺陷数量统计表（近 5 年）。按照缺陷原因主要分为 16 类缺陷，每类缺陷数量和百分比见表 1。其中，取样泵故障为频率最高，近 5 年共发生过 8 次，占比 16.33%，其次是高压板故障、管线故障堵塞等，占比10.20%，其余诸如气瓶异常、滤波器故障、计时器故障等第30卷78 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION图2 NMAC调查结果Fig.2 NMAC Survey results表1 废气监测系统缺陷数量统计表Table 1 Statistical table of defects in the exhaust gas monitoring system也偶有发生。4 高频故障的解决方法4.1 取样泵故障处理废气监测系统近 5 年取样泵故障次数为 8 次，占缺陷总数的 16.33%，属于高频缺陷。67883-PL1477 盘台取样泵GAST 公司生产的 1023-101Q-SG608X 真空叶片泵，用于为废气监测系统提供样品输送，如取样泵停运，将影响烟囱废气监测。烟囱废气监测系统有 TS（技术规格书）限制，没有降模式要求，取样泵设备分级为 NC 级（非安全级）。通常缺陷类型有：1）真空泵温度过高1023-101Q-SG608X 真空叶片泵具备过热保护，如过热会自动停运，冷却后会自动重新启动。根据取样泵运行维修手册，取样泵过热的可能原因如下：进口过滤器脏、出口过滤器脏、真空/压力管线变形坍塌，真空释放阀设定过高，取样泵内存在灰尘或粉尘，电机接线错误，真空/压力管线堵塞等。如 2021 年 10 月 19 日，现场巡检发现 1-67883-PL1477出现流量低显示，取样泵处于停运状态。此类缺陷将会导致系统不可运行，由此进入 TS（技术规格书）限制。现场将取样泵拆下后在车间试验，确定为取样泵过热导致取样泵停运。最终定位为取样泵进出口循环阀开度过小，用于防止取样泵入口真空度过高，正常循环阀开度在 1 圈左右，而发生此次故障时循环阀开度在 1/6 圈，循环阀开度偏小会直接导致取样泵温度升高。2）真空泵振动较大正常情况下，取样泵工作正常无异音，电机温度为40左右，使用测振仪测量电机振动量，空转状态振动量为 3.5mm/s，取样状态振动量为 4.6mm/s。判断真空泵是否振动较大的方法：断开泵进出口管线使用测振仪测量电机振动量在 10mm/s 12mm/s 之间波动，即可判断为取样泵运行异常。可能存在的原因：取样泵电机后部轴承处的波纹垫片断裂，导致轴承生锈且转动偏差，最终产生异音和大幅振动。4.2 REMOTE ALARM和LEAK TEST FAIL报警缺陷可能的原因：总 C-14 取样回路干燥剂瓶内部鼓泡砂头堵塞，导致该取样回路真空度过高引发 REMOTE ALARM 和 LEAK TEST FAIL 报警，有时也会伴随出现设备流量报警和泵故障报警等。该鼓泡头是孔隙为 60u 的金属叶伦荣废气监测系统故障模式分析及解决策略第10期79烧结部件，由于长期沉浸在 NaOH 溶液中，鼓泡头孔隙中会存在结晶而堵塞，而且最后一个干燥瓶内装的硅胶颗粒在安装的过程中会被挤碎而堵塞鼓泡头。该取样瓶每周更换，每次都会对鼓泡头进行清洗，因此通过预维并不能解决真空度高的问题，特别是密封垫的缝隙，应避免结晶聚集，在运行过程中堵塞鼓泡头，应当及时更换密封垫并清理。4.3 重水升级塔氚/惰性气体监测仪故障最近 1 年内，重水升级塔氚监测仪高压漂移两次，重水升级塔惰性气体监测仪板卡故障 1 次，占 67883 年度总缺陷的 21.4%。近几年重水升级塔氚监测仪故障率较高，主要是高压板不稳定造成数据漂移，设备为重要设备，没有技术规格书限制。按照 EPRI（美国电力科学研究院）：1007909 区域和工艺放射性监督系统指南4，对于板卡通常一般不维修，直接更换，厂家手册中也没有相关要求。由于设备已经运行将近 20 年，部件日趋老化，后续建议对设备进行变更，确保重水升级塔氚、惰性气体监测仪可靠稳定运行。后续措施：对重水升级塔氚/惰性气体监测仪进行变更，确保设备可靠稳定运行。4.4 C-14取样器故障最近几年内，C-14 取样器出现 3 次故障，分别是取样瓶鼓泡头堵塞，温度控制器老化故障和计时器电池失效，占 67883 年度总缺陷的 21.4%。温度控制器和计时器电池失效均属于老化故障，设备运行将近 20 年才出现 1 次，不需要增加预维，可以考虑更换新的备件，而厂家手册中也没有相关要求5。目前无备件，需要进行采购。2022 年曾出现无机 C 回路干燥剂瓶内部鼓泡头堵塞现象，取样瓶鼓泡头堵塞主要集中在硅胶瓶内的鼓泡头，主要是硅胶粉末进入鼓泡头造成堵塞，对鼓泡头进行清洗后，设备通常能够恢复正常。设备为重要设备，涉及流出物排放，有技术规格书限制。后续措施：目前已对取样瓶进行国产化升级。取样瓶国产化升级实施后，能够有效减少 C-14 取样器故障的缺陷，避免进入技术规格书限制。温度控制器无备件，需要采购，计时器无备件，厂家反馈停产，已进行物项替代，经过物项替代后，设备可靠性明显提升。4.5 烟囱流量传感器扰动故障该系统流量传感器包括霍尼韦尔质量流量传感器和MT86 热扩散式质量流量计。最近 5 年内，67883 烟囱废气监测系统流量传感器故障 3 次，占 67883 年度总缺陷的6.12%。其中，包括废物暂存库氚取样器回路倒吸，导致流量传感器故障。该流量传感器是霍尼韦尔质量流量传感器，一般不会出现故障，但如果传感器内进水和杂质，传感器就不能正常测量，影响到流量计的正常功能。缺陷的原因是回路倒吸造成质量流量传感器进水，从而无法测量。回路倒吸主要是氚取样入口管路负压过大，超出了氚取样泵正常工作压力范围。通过更改氚取样器入口管路，使其不共用管线，从而能够解决回路倒吸的问题，彻底杜绝流量传感器进水。此外，该系统烟囱还有 1 台 FCI 公司生产的 MT86 热扩散式质量流量计6，主要用于废气监测系统监测烟囱流量，流量传感器安装在室外烟囱上，属于户外设备。流量变送器输出信号，用于累积活度计算、报警和取样流量等速控制。烟囱流量波动的可能原因有：烟囱流量计故障、外界环境干扰，如雷电干扰等。如 2021 年 8 月 11 日 23 时，发现烟囱排风流量 AI0551 上下大幅波动，缺陷导致 67883系统读数不可信。缺陷的处理方式：首先是对流量计进行检查，确认无故障，输出偏差在正常范围内；其次是虽然烟囱流量计位于室内房间，环境良好，但由于流量传感器位于室外烟囱高段位置，容易受到环境影响，需确认外界环境干扰。经查询天气，当晚存在雷电，雷电影响不能排除。选取室外雷电天气时间段，经过复现观察到 AI0551 开始波动，持续 15min，可以确定烟囱流量受到雷电影响，雷电影响比较复杂，暂无良好预防手段，需要在雷雨天气格外注意该系统运行状况，提前安排人员响应。5 总结参照 EPRI（美国电力科学研究院）代表设备特别故障模式的故障特征数据库，本文对废气监测系统近 5 年缺陷数据进行了系统性梳理和分析，找到了频繁出现缺陷的薄弱环节，给设备的运维和管控提供了参考依据，有助于系统可靠性提升。针对高频设备缺陷，如真空泵温度过高、真空泵振动较大、REMOTE ALARM 和 LEAK TEST FAIL 报警、重水升级塔氚/惰性气体监测仪故障、C-14 取样器故障、烟囱流量传感器扰动故障等高频故障进行梳理分析，并对应提出了解决对策，对同类型设备的运维具有指导意义。参考文献：郑俊涛,张杨,陈本强.核电站放射性废气取样监测系统:CN202022082438.2P.2023-07-12.江沈伟,卢辉,董建峰,等.核电废气处理系统辐射监测装置:CN201611232573.2P.2023-07-12.甘学英,徐春艳,何玮,等.核电厂废气处理系统双重气体分析仪设置探讨J.核安全,2023,22(02):45-51.伦振明.核电厂反应堆厂房空气污染监测系统及方法:CN202111024682.6P.2023-07-12.谈德清,顾玉珍.秦山核电二期工程废气系统处理能力的论证J.核工程研究与设计,1996(18):3.郭伟,罗传杰.核电站辐射监测系统国产化可行性研究C.中国核学会2009年学术年会论文集,2009.123456