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摘要：某AP1000核电厂主泵变频器冷却系统出现出口温度异常高的情况，影响了主泵变频器内隔离变压器和功率单元的冷却效果，可能导致变频器故障，进而造成主泵停运和核电机组跳堆风险，对核电机组的安全稳定运行造成严重挑战。通过对变频器冷却系统内特有的温度调节阀进行结构和动作原理的分析，同时对比了其他3台主泵变频器的参数变化，准确确定了主泵变频器冷却系统出口温度异常高的原因是温度调节阀故障，并成功处理了该故障。通过总结经验，为后续AP1000核电厂主泵变频器出现类似缺陷时的处理提供了借鉴。
关键词：主泵变频器；AP1000；温度；异常处置
Analysis of Abnormal High Temperature Treatment of a Frequency Inverter
Cooling System of Main Pump in Nuclear Power Plant
Shi Lei1,2，Liu Jingting1,3
（1.School of Mechanical Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China;
2.Shandong Nuclear Power Co.,Ltd.,Yantai,Shandong 264000,China;
3.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture,Ministry of Education,Shandong University,Jinan 250061,China）Abstract:The outlet temperature of a frequency inverter cooling system of the main pump in an AP1000 nuclear power plant is abnormally high,and affects the cooling effect of the transformer cabinet and cell cabinet in the inverter,which may cause inverter failure,main pump outage,and even nuclear power unit tripping,these risks pose serious challenges to the safe and stable operation of nuclear power units.By analyzing the structure and action principle of the special temperature regulator valve in the inverter cooling system,and comparing the parameter changes of the other three rows of main pump inverters,the reason for the abnormally high outlet temperature of the main pump inverter cooling system is turned out to be the temperature regulator valve fault,which is resolved successfully.The experience summary in this paper provides a reference for subsequent handling of similar defects in the main pump inverter of the AP1000 nuclear power plant.
Key words:main pump frequency converter;AP1000;temperature;handling of abnormal situations
0引言
AP1000三代先进压水堆核电机组配置4台进口电动屏蔽主泵，每台主泵配置1台主泵变频器。在正常启动过程和功率运行模式下，4台主泵始终由各自主泵变频器独立、持续驱动供电，其运行可靠性对核电厂稳定发电至关重要。主泵变频器能够将厂用电由10 kV、50 Hz转换为主泵需要的6.9 kV，60 Hz，且能减小主泵冷态启动过程中的电机功率需求，从而减小主泵电机尺寸。AP1000核电厂主泵变频器由输入电源、移相隔离变压器、熔断器/预充系统、功率单元、功率输出和冷却系统组成，其中冷却系统采取独立的水冷方式，对变频器隔离变压器（简称隔离变）和功率单元提供必要持续冷却[1]。研究主泵变频器冷却系统各种故障分析和对策，可以提升主泵变频器的安全性和可靠性，进而保障核电站的安全性、可用率和经济效益[17-18]。
目前国内对AP1000核电厂变频器故障分析与对策研究主要涉及控制器非预期切换，功率单元短路和其他电气元器件故障等[2-5]。本文从主泵变频器中冷却系统的温度异常升高缺陷处理过程入手，分析变频器冷却系统各部分温度参数，对影响温度变化的关键设备温度调节阀结构原理和冷却系统整体的运行模式进行深入研究与探讨，锁定了造成冷却系统温度异常升高的机械设备，并成功处置了该类缺陷，对后续AP1000机组主泵变频器冷却系统的故障处理方法提供了参考，对于加强主泵变频器运行维护，提高主泵变频器安全稳定运行都有着重要意义，有力保证了AP1000核电厂的核运行安全。
1故障描述
1.1故障经过
2022年5月，运行人员巡检AP1000核电机组时发现，主泵2B变频器冷却系统泵出口温度为35.2℃,其他1A、1B、2A三台主泵变频器冷却泵出口温度在32℃左右，即主泵2B变频器冷却泵出口温度比其他3台主泵变频器供水温度高3℃。检查主泵2B变频器的功率单元出口温度与冷却泵出口温度温差为3℃,隔离变出水温度与冷却泵出口温度差为6℃,与其他3台主泵变频器的功率单元/隔离变出水温度和冷却泵出口温度差3℃/6℃一致，初步判断功率单元和隔离变内部无堵塞。因主泵变频器冷却系统温度变化可能诱发变频器电气元件温度异常，严重时会导致主泵跳泵，机组跳推，故十分紧急[6]。
1.2变频器冷却剂系统温度调节阀（TRG1）说明
变频器冷却系统介质流向如图1所示。从左下角起，从隔离变压器（Transformer Cabinet）和功率单元（CellCabinet）进来的冷却水在混合后经变频器冷却剂温度调节阀上游三通阀①（TWV1）后进入变频器冷却剂系统温度调节阀②（TRG1），TRG1根据进入流体的温度对进入热交换器和旁路的流量进行分配。进入热交换器的介质通过外置独立的水冷装置得到冷却。冷却系统内设置两台并联的冷却泵，用于对冷却系统内介质提供约0.2 MPa的正压头，两台冷却泵的入口均设置滤网过滤杂质和异物，泵的出口均设置止回阀防止介质回流造成泵倒转。
TRG1型号为一个独立的机械自力式三通调节阀，通过提升阀装置调节流量。提升阀装置有一个锥形活塞，活塞与阀杆相连接，活塞的提升或下降将会改变阀门出口的流量分配。提升阀装置单元内有一个特殊的温感元件（Power Pill），响应冷却剂介质温度的变化并给阀轴和活塞的运行提供动力，使之达到自动分配流量的功能[7]。
如图2所示，当提升阀内流体低温时，提升阀处于高位，连通B和E流道，引导流体通过旁路流道进入泵单元；当提升阀内流体高温时，Power Pill杆伸展迫使提升阀下降，关闭流体流向泵单元的旁路通道，打开流体流向热交换器的通道，即连通E和C流道。Power Pill读数为32℃时，提升阀处于中间行程；在大约36℃时，提升阀处于最低位置，全部的流体流向热交换器；在低于30℃时，提升阀处于最高位置，全部的流体通过旁路流向泵单元[5]。
根据温控阀TRG1结构及工作原理，其可能存在的故障模式为：
（1）TRG1手轮阀位指示拨片偏移，导致当前TRG1阀位未在正常位置；
（2）TRG1内部温控元件Power Pill失效，导致TRG1无法正常工作；
（3）TRG1内部活塞卡涩，导致TRG1无法正常提升或下降；
（4）TRG1内部弹簧断裂，导致TRG1无法正常提升或下降。
2温度异常升高原因分析
2.1趋势分析
查询热交换器设备冷却水侧流量，主泵1A变频器和主泵2B变频器流量基本一致，故对主泵1A变频器和主泵2B变频器进行对比。根据历史数据，建立主泵1A变频器和主泵2B变频器各温度测点温度之差，3月17日后整体主泵变频器冷却水温度上升3℃左右。因主泵1A变频器和主泵2B变频器冷却系统中热交换器水冷侧进、出口温度基本一致，且流量基本一致，故两台变频器被带走的热量保持不变。
3月16~17日为机组调停检修期间，执行完毕主泵变频器系统更换碱性树脂、热交换器A解体检查（充水排气过程中动作过温控阀TRG1）、泵入口滤网解体检查等工作。
观察3月17日投运前后，主泵变频器功率单元/隔离变出水温度均在36℃以上，故理论上主泵变频器冷却水应全部走热交换器流道，但在3月17日后，主泵2B变频器冷却水整体变高3℃。
查询主泵2B变频器功率单元、隔离变冷却水进出口温差，3月17日略有下降（流量上升导致），但在3.6℃/6℃左右，且3月17日~4月14日期间，流量、压力相对稳定，功率单元/隔离变冷却水进出口温差相对稳定。3月10日~22日之间为冷却剂泵A运行，其余为冷却剂泵B运行，温度巡检数据如表1~2所示。
综上所述可知：
（1）主泵2B变频器流量、压力相对稳定，功率单元和隔离变冷却水进出口温差相对稳定，排除功率单元或隔离变压器内部堵塞可能性；
（2）设备冷却水侧带走的热量保持不变前提下，主泵2B变频器冷却水温度上升，则经热交换器的流量降低（温控阀问题）或热交换器存在堵塞（热交换器问题）；
（3）3月17日后压力下降，且流量上升，温度上升，其可能原因为温控阀左右下走旁路流量增多。
（4）3月17日前后设备冷却水侧流量、热交换器进出口温度基本保持不变，但主泵2B变频器冷却系统温度在3月17日机组调停检修后升高，怀疑温控阀存在卡涩等故障。
2.2现场检查情况
2.2.1温度测量
5月20日采用接触式测温仪现场测量的结果如表3所示。
2.2.2流量测量
5月20日使用超声波流量计现场测量，测得主泵2B变频器热交换器出口流量约为420 L/min，测量相同位置的主泵1A变频器流量为720 L/min。理论上主泵1A变频器冷却系统流量全走热交换器，即旁路流量占比为1-420/720=42%。
综合上述数据，故主泵2B变频器冷却水温度偏高的原因为温控阀存在故障，导致旁路流量增大。至此，主泵变频器冷却系统温度高的问题消除缺陷的方向定位至温控调节阀TRG1[11]。
3处理过程及效果分析
3.1处理过程
现场检查发现，主泵2B变频器温控调节阀TRG1手轮阀位指示片（如图3，件①)与1A、1B、2A另外3台主泵变频器手轮阀位指示片位置不一致，主泵2B变频器温控调节阀的指示片距离手轮光杆较近约为8 mm，其他3台约为14 mm，导致提升阀位置偏高，流量通过旁路直接流向冷却泵入口，流入热交换器流量减少，热交换器冷却效果变差，因此变频器冷却单元泵出口温度升高。
10月1日执行检修，对主泵2B变频器温控调节阀的指示片进行调整[12]，参考其他阀位指示片位置，将2B变频器温控调节阀阀位指示片位置调整至距手轮光杆端部14 mm左右，锁紧背母，总调整距离共约6 mm，即朝向CLOSE BYPASS方向移动，以使冷却系统流量分配与其他变频器冷却系统一致，更多地流经热交换器。使用超声波流量计测量阀位调整前后主回路流量和热交换器支路总流量，在流经TRG1冷却水温度大约为36℃时，调整后流量几乎全走热交换器。
3.2效果分析
在调节温控调节阀前后，对变频器冷却单元内在线流量计和温度计进行连续在线检测，得到下列流量和温度测量值表4：在机组解列停堆后，因4台主泵都停运，变频器停运，因此冷却单元内冷却泵侧的温度正常下降，下降至30℃后趋于稳定。在调整温控阀TRG1后，冷却泵侧温度再次下降，温降约为3℃。当机组重新启动，主泵和变频器恢复正常运行后，冷却单元内冷却泵侧温度为37℃。同步测量冷却单元内介质流量也随温度变化趋势相同，即调整温控阀后，更多的介质流通至热交换器被冷却[13]。
维修人员在后续的核电机组换料大修窗口中，对主泵2B变频器温控调节阀进行了解体检查，重点检查内部温控元件Power Pill是否失效、内部活塞是否存在卡涩、内部活塞是否卡涩，并通过改变内部通流介质的温度，验证阀门的调节效果是否良好。最终验证结果为阀门自身调节性能优秀，上述调节问题的发生就是阀门阀位指示片位置变化导致[14-15]。
调节温控阀阀位指示片位置后，主泵2B变频器热交换器冷却泵出口温度与其他3台一致，符合冷却功率单元和隔离变功能要求，主泵2B变频器各项运行参数均恢复正常[16]。
4结束语
本文在分析了某AP1000核电主泵变频器系统冷却单元温度异常升高现象的基础上，对可能造成该现象的原因进行逐一排除和现场验证，并通过对主泵变频器各状态下运行数据对比和掌握关键调温设备的结构原理，准确锁定消除缺陷的方向并成功消缺，主泵变频器冷却系统温度恢复正常，保障主泵变频器及核电厂关键设备主泵安全稳定运行。
本文对AP1000三代核电机组主泵变频器由冷却系统内部机械设备失效导致的温度异常问题处理提供了解决方案，并对主泵变频器冷却系统运行模式进行了分析和研究，对同类缺陷的处理提供了借鉴，减少了因主泵变频器故障进而造成主泵停运、核电机组跳堆事故风险，具有现实经济和安全意义。
参考文献：
[1]张美娇.AP1000主泵变频器安全可靠性分析[C]//中国核能行业协会,中国科学院金属研究所.第四届核电站材料与可靠性国际研讨会)论文集.沈阳:中国科学院金属研究所,2015.
[2]冯雪,王佳承.变频器在第三代AP1000核电站反应堆冷却剂泵变频系统上的应用[J].工业控制计算机,2012,25(9):133-134.
[3]张美娇,李永刚.AP1000主泵变频器安全可靠性分析[J].2015(15):84-84.
[4]陈睿.三门核电主泵变频器运行风险分析及应对策略[J].中国高新技术企业,2015(24):56-58.
[5]刘新利.AP1000核电厂主泵变频器故障分析与对策[J].核科学与工程,2022,42(5):1158-1163.
[6]林茂盛,吕风臣,潘博闻,等.AP1000主泵变频器对电厂的影响[J].电子技术与软件工程,2015(7):149.
[7]郑海龙,宋光耀,田士蒙.某核电厂主泵变频器故障分析与可靠性提升[J].核安全,2022,21(1):26-30.
[8]林茂盛,吕风臣,潘博闻,等.AP1000主泵变频器对电厂的影响[J].电子技术与软件工程,2015(7):149.
[9]金毅,钟建兵.AP1000屏蔽式主泵的供电及变频器特点[J].核电工程与技术,2009,22(4):1-8
[10]张卢翼.核电机组主泵变频器整流回路结构与原理解析[J].百科论坛电子杂志,2019.
[11]杜贤国,郭培彬,韩文昭.高压变频器在冷却水循环泵上的应用[J].2005(7):50-51,63.
[12]代续续,刘奇,宋昊明.变频器冷却系统改造[J].机械研究与应用,2013,26(1):109-111.
[13]杜现.提高了高低压变频器冷却效率的设备及提高冷却效率方法:CN202211519524.2[P].2023-10-17.
[14]王开厦.应用变频器和温度控制器实现窑炉温度的自动控制[J].低压电器,2000(5):50-51.
[15]张良浩,花峰海,于安波,等.变频器的温度处理系统及方法:CN202011608206.4[P].2023-10-17.
[16]吴田.变频器及所述变频器的温度的控制方法:CN104035459A[P].2014-09-10.
[17]庞博.通用变频器的温度场仿真计算及试验[D].江苏:东南大学,2014.
[18]张萌初.浅谈高压变频器冷却方式改造[J].福建冶金,2019,48(5):39-42.
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