通风系统中电加热器的应用与故障分析

竹俊涛，李成钿，何 欧，余镇江，王宏业

（中国核动力研究设计院，成都 610213）

0 引言

电加热器是通风系统的重要组成设备，保证了放射性气体排放达标，保障了系统安全高效运行。在异常工况和事故工况下，可触发保护动作，保护人员、反应堆和系统设备的安全，避免环境受到放射性污染[1-3]。因此，通风系统电加热器可靠稳定运行对反应堆的安全运行起着非常重要的作用。

反应堆长时间运行发现，通风系统电加热器出现了无法自动投入、自动停止以及机组未启动，电加热器自动启动等一系列故障[4,5]。目前，不具备对通风系统电加热器故障情况的全面总结与分析，技术人员对其进行维修，但排查过程复杂且盲目，耗时久，致使维修成本高、维修时间长[6]。以下将介绍电加热器的控制原理，建立故障知识树，并在此基础上给出故障维修措施与设计建议。

1 电加热器控制原理

电加热器联锁控制功能是保证放射性气体达到排放标准的重要设备，对反应堆通风系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。电加热器自动控制的基本构成包括控制室、控制柜、就地设备和工艺过程。根据工艺要求，单列机组配备1组或3组电加热器。它的控制逻辑图如图1所示。运行过程中，在控制柜将电加热器投入自动运行工况，当差压开关检测到通风管中压力达到200Pa，同时温度低于45℃时，触发电加热器启动信号；反之，当压力低于200Pa或温度高于70℃时，触发停止信号。电加热器未投入自动运行工况，控制柜就地启动按钮，电加热启动；控制柜就地停止按钮，电加热停止。

图1 电加热器控制逻辑图Fig.1 Electric heater control logic diagram

2 建立电加热器故障知识树

反应堆通风系统运行过程中，电加热器出现了无法自动投入、自动停止、机组未启动，以及电加热器自动启动等故障情况。以上问题的出现，严重影响了通风系统的稳定运行，影响放射性气体正常排放，拖延了反应堆试验进度。为提高后续故障诊断率，给用户进行故障诊断提供指导性依据，基于电加热器控制组成及逻辑，分析联锁信号触发情况、差压开关故障情况，以及对电加热器自身情况进行分析研究，结合长时间运行积累和调研结果，建立反应堆通风系统电加热器故障树，如图2所示。

图2 电加热器故障树Fig.2 Electric heater fault tree

由图2可知，电加热器故障主要由温度开关、差压开关以及电加热自身引起。为进一步细化故障原因，为用户进行故障诊断提供针对性指导，分别从温度开关、差压开关以及电加热自身3个方面展开分析。

2.1 差压开关

差压开关也包括微差压开关，分为核级与非安全级，根据工艺需求可选择防爆型差压开关。通风系统中常用的差压开关如图3所示，具有常开（NO）与常闭（NC）两种状态，工作时，将NC端子接入电路中，控制电加热器的联锁启动。由于排风管道内为负压，用引压管将气体引入负压腔，另一端与大气相连，当压力达到设定值时，机械式弹簧片发生位移，驱动开关翻转，接通线路。简而言之，即管道内空气压力达到设定值时，差压开关动作，发出电信号，电加热器启动。

图3 差压开关Fig.3 Differential pressure switch

基于差压开关工作原理，结合运行实际情况，分析发现自动控制状态下差压开关引发电加热器误启动（故障）主要为以下几种情况：

1）差压开关设定值过小

管道上电动密闭阀密封不严，风机停止后管道内仍存在使差压开关动作的压力，使其始终处于常闭状态，电加热器收到启动信号误启动。

2）差压开关安装位置

差压开关安装位置不合理致使差压开关动作，电加热器误启动。图4为某一系统的系统流程图，两列机组互为备用。

图4 某系统局部系统流程图Fig.4 A partial system flow chart of a certain system

表1注明了各系统运行和停运时差压开关引压管所受压力。表1中，序号①③⑤系统差压开关安装位置于图4位置1。机组运行时防火阀处于常开状态，差压开关引压口压力值受另一列机组风量的影响。当另一列机组风量值使得压力达到本列差压开关动作设定值，差压开关误动作。例如，当应急控制室通风系统1#机组运行时，测得差压开关引压管所受压力为1700Pa，此时，测得应急控制室通风系统2#机组（停运状态）差压开关引压管所受压力为1690Pa，2#机组差压开关误动作；当应急控制室通风系统2#机组运行时，测得差压开关引压管所受压力为1720Pa，此时，测得该系统1#机组（停运状态）差压开关引压管所受压力1680Pa，1#机组差压开关误动作。

表1 各系统差压开关相关压力Table 1 Relative pressure of differential pressure switch of each system

表1中序号②④⑥系统差压开关安装位置于图4位置2所示。机组停运后密封阀关闭，当密封阀密封不严或存在泄漏时，另一机组风量会窜到本列机组导致差压开关动作从而启动电加热器。例如，当通风系统1#机组运行时，测得差压开关引压管所受压力为1560Pa，此时，测得通风系统2#机组（停运状态）差压开关引压管所受压力为230Pa，2#机组差压开关误动作；当通风系统2#机组运行时，测得差压开关引压管所受压力为1580Pa，此时，测得该系统1#机组（停运状态）差压开关引压管所受压力为210Pa，1#机组差压开关误动作。

3）差压开关引压管过长、过细、拐角过多，系统停运后差压开关无法泄压，导致电加热器不会自动停运。在排查过程中，将引压口一侧接口取下，差压开关未恢复到常开状态。当取下差压开关一侧接口时，开关恢复到常开状态。由此可见，引压管的长度、曲折度会影响到差压开关的正常泄压，进而导致电加热器启停异常。除此之外，引压管堵塞也会导致差压开关无法正常工作。

4）差压开关接线松动。如图5所示，在差压开关回装过程中，发现插针插入公插座，塑料反扣卡在插针凹槽中，以固定插针。在插拔过程中，由于塑料扣不牢固，导致插针后退，未插入母插座中。因此，无论差压开关是否动作，电加热器都不能正常启动。

图5 航插接头Fig.5 Aerial plug connector

5）差压开关自身损坏。在对差压开关调试检查时，发现VVS101SD无论压力为多大都无法动作。经厂家检查，确定为处理模块损坏。

2.2 温度开关

温度开关在核安全级系统中，起到触发电加热器自动控制的作用。在非安全级系统中，将温度信号和报警信号传送至运行保障控制室，起监控作用。经排查发现，温度开关航插接头松动，无论温度开关是否动作，电加热器都不能正常启动。

2.3 电加热器

电加热器具有自保护功能，其在内部安装了高温传感器、熔断器等。当风道空气温度超过设定值或出现短路时，熔断器自动熔断，并将高温信号传入控制回路中，电加热器无法自动和手动启动。

3 解决措施与建议

根据调研结果以及长时间运行经验积累，在针对电加热器问题的排查与维修中，问题主要锁定在温度开关和差压开关异常。现分别从温度开关和差压开关两个维度，给出故障解决措施与相关建议。

3.1 温度开关

首先，对接线端子进行检查，保证接线牢固。将温度开关内部两根接线短接，继电器动作，控制回路线路正常；否则线路松动，检查航插接头以及相关线路。将温度开关的金属杆放入大于45℃低于75℃的水中，开关动作，常开变为常闭，温度开关正常，否则温度开关损害，更换温度开关。

3.2 差压开关

根据上节排查结果，基于差压开关自身仪表角度提出以下故障解决措施：

1） 通过标准表对差压开关动作值进行校验，观察开关动作值是否与设定值200Pa一致。若不一致，开关内部弹簧发生弹性形变，调节差压开关调值螺母将开关动作设定值调整到200Pa并送检定单位检定。

2）针对有源型差压开关故障，排查仪表电压是否满足额定电压要求，排除保险丝熔断造成的断电以及失压问题。

3）对差压开关正压腔进行打压，逐渐升高压力直至达到仪表最大工作压力。差压开关始终未动作，则内部处理模块损害，更换处理模块。

4）确保航插连接到位，电路稳定牢靠。

除差压开关自身仪表故障外，受外部因素影响致使差压开关引压管两端压差达到动作值，差压开关误动作。电加热器异常启动，对通风系统的稳定运行具有巨大威胁。为避免错误信号误启动电加热器，从设计与维修角度提出以下措施与建议：

a）对系统管路上的电动密闭阀进行密封性试验，保证其密封效果良好，避免已启动的机组管道中的风量串到备用机组中，致使更换机组后差压开关误启动。

b）为避免差压开关误启动，在电动密封阀密封效果优良的前提下，对引压管的引压口位置做调整，将其设置在排风机上游，保证引压口与大气相通，如图4中差压开关理想位置所示。

c）在设计阶段，建议将机组风机的启动与停止信号加入到电加热器的启动信号。目前，只有机组风机启动信号参与到电加热器启动控制中，若风机出现异常，启动信号未丢失，电加热器继续运行，存在安全风险。

4 结语

反应堆通风系统中，电加热器的稳定应用直接关系到通风系统的正常工作以及机组的联锁启动，关乎到反应堆的安全运行以及放射性气体的排放。为提高电加热器维修效率，保障反应堆通风系统的安全稳定运行，从电加热器控制原理入手，结合运行经验与调研结果，建立了通风系统电加热器故障知识库，并详细分析了造成电加热器故障的相关因素。基于长期运行积累的实践经验，给出了通风系统电加热器的故障排查方法以及相关设计建议，可为后续通风系统电加热器的设计、维保维修提供技术性指导。