核电厂压缩空气生产系统露点高故障原因分析和纠正措施研究

摘 要：本文针对秦山核电二厂四台机组频繁触发压缩空气生产系统露点高的问题，系统性的分析了可能引起露点高的潜在因素，建立了“压缩空气露点高故障诊断和纠正措施”体系。一方面,提高了系统整体可靠性，保证下游用户的合格稳定气源供应。另一方面，报警触发后需运行人员切换备用设备，聘请外包人员对相关仪表标定，减少故障次数，能够降低维护费用和人工成本。

关键词：压缩空气生产系统；报警分析；可靠性；

1  背景介绍

2023年10月16日，主压缩空气生产系统（5SAP）切换到三号干燥器（5SAP403ZR）运行后，主控开始频繁闪触发干燥器故障综合报警（5SAP903AA），严重影响操纵员监盘工作。现场查看5SAP403ZR露点频繁在-5℃波动，对比一、二号干燥器运行时出口露点为-73℃左右，说明干燥效果明显差很多。

5SAP干燥器露点高在秦山核电二厂四台机组频繁发生，一直困扰着运行人员，本文从解决此次露点高问题为切入口，以期建立一个系统性的“压缩空气生产系统露点高故障诊断和纠正措施体系”。

2  压缩空气生产系统概述

秦山核电二期扩建两台机组所有气动设施、仪表所需要的压缩空气均由压缩空气系统（SAP）生产，并经空气管网输送至各个用户。主要由三台空气压缩机组（CO）、三套无热再生式压缩空气干燥器（ZR）和缓冲罐等组成。

压缩空气机从周围环境吸收空气，经过滤、低压转子压缩、中间冷却器冷却后，送到高压转子，高压转子出口经消音器，逆止阀后送至后冷却器冷却，后经压缩机出口母管汇入出口缓冲罐（5SAP412BA）。缓冲罐经母管分别通往三台干燥器组，经干燥器组除油、干燥、除尘后汇入母管，经两个压缩空气缓冲罐5SAP410BA、5SAT411BA向下游管网供气。

图1  主压缩空气生产系统简图

双列无热再生式干燥机，一列再生，一列干燥，每10分钟为一循环周期，其中干燥5分钟，再生4分20秒，升压30秒，降压10秒钟。升降压、换塔和再生通过电磁阀控制，再生气流由由手动调节阀来控制，干燥空气流经再生塔，带走干燥剂颗粒上的水份，达到再生的目标。

3  干燥器(5SAP403ZR)露点高报警原因分析与验证

3.1  露点检测故障

3.1.1  露点监测仪（5SAP403MZ）漂表

露点监测仪是否故障应作为首要排查原因，影响测量准确性的主要因素是振动和温度。通过对5SAP403MZ现场振动测量,约1mm/s，明显低于仪表振动限值3.5mm/s，所以振动影响可能性较小。

压空厂房的与外界通风良好，露点仪环境温度与室外气温相同。调取全年环境温度的历史数据，电厂环境温度在-5.0-40.4℃之间，在露点仪设计的正常温度范围内（温度0-60℃），且该每年要对仪表进行校验一次，所以环境温度影响的可能性较小。

保守起见，更换了露点仪探头，露点数值和之前相比变化不大，报警仍然频繁闪发。因此可以排除5SAP403MZ故障漂表。

3.1.2  露点监测仪的供气流量不足

露点监测仪本身没有故障的前提下，取样代表性则是重点排查原因。为判断供气流量对监测准确性的影响，现场验证露点仪排气阀(5SAP315VA)在不同的开度下露点值的变化。

实验结果表明，随着开度从10% 逐渐开大到50%，露点从-5℃降至约-15℃，继续开大，维持约-15℃不变。由此可知，供气流量对仪表监测准确性有着较大影响。

3.2  5SAP403CO-403ZR相关管路疏水量不足

3.2.1  5SAR403CO疏水阀开度过小

5SAP系统采用的是低压缸和高压缸两级压缩,螺杆型空气压缩机组。每级压缩机后配备有一台汽水分离器，每个汽水分离器配备有手动疏水阀。经现场排查对比，发现5SAP403CO的两个手动疏水阀的开度约10%，小于另两台的手动疏水阀开度（约50%）。为判断疏水阀开度对干燥器出口露点的影响，改变5SAP403CO的疏水阀开度并持续跟踪干露点。

实验结果表明，随着疏水阀开度从10%逐渐开大到60%，露点逐渐从-15℃降至约-23℃后稳定。通过将5SAP403CO的手动疏水阀开大到60%，疏水问题虽然得到解决，但仍远高于正常露点值范围-60-80℃。

3.2.2  干燥器入口除油过滤器疏水对干燥器露点的影响

每个干燥器入口均有一个除油过滤器，对来压缩空气中的油气进行去除，液体混合物通过两个电磁阀5SAP437/438VA根据液位自动开启进行排放。如果自动排水功能丧失，则会导致入口压缩空气湿度高，可能会导致干燥器下游压缩空气露点高。

图2  干燥器流程简图

经现场排查，发现疏水阀5SAP438VA一直保持带电开启状态，电磁阀明显发热，下游排放口无液体排出，也无吹气。联系机械人员解体串联的手动阀5SAP309VA、过滤器5SAP406FF、电磁阀5SAP438VA，发现过滤器内部也有黑色油泥，清理后重新回装。再次启动，露点由检修前的-23℃缓慢下降至-30℃。虽然露点高报警得以解决，但仍然远高于正常值-60-80℃。

3.3  干燥本身故障的影响

3.3.1  干燥剂失效

5SAP干燥器内是活性氧化铝，长期运行会因系统中油泥（压缩机出来空气中夹杂有油气）、吸附杂质等覆盖，最终导致氧化铝吸附能力变差或者失效，干燥器的预防性检查是6年，经查询历史工单，5SAP403ZR在2023年6月份进行解体并更换了干燥剂，干燥剂失效的可能性较低。

保守起见，更换了新的干燥剂。重新启动后，露点仍然维持-30℃左右，基本没有降低。因此，干燥器失效不是本次露点高的原因。

3.3.2  进入“再生状态”干燥塔的干燥压空供气量不足

以5SAP403ZR干燥器A塔干燥、B塔再生状态为例，从吸附的干燥塔A出口引出高压干燥的压空，充入再生的干燥塔B，经泄压后将再生塔B中的水分带出，使其再生。

现场发现再生流量调节阀门5SAP307VA阀门开度为20%开度，明显小于另外两台再生调节阀50%的开度，为判断开度的影响，每次开大10%运行1h，记录露点情况。

图3  A塔干燥、B塔再生简图                   

由实验可知，由20%开大到50%过程中，露点由-30℃逐渐降低到-50℃，继续开大，维持-50℃左右不变。可见再生阀开度小是5SAP403ZR露点低的一个主要原因。

3.3.3  湿空气进入“再生状态”的干燥塔

如图3，以干燥器B塔处于“再生状态”为例，在充压阶时候，此时进出口阀5SAP302/304VA关闭，通过5SAP307VA向B塔充入气，如5SAP302VA内漏，则会导致湿空气进入B塔，导致再生效果变差，就可能会使下游露点升高。

联系机械拆除入口阀5SAP301/302VA，进行打压试验，确认密封满足要求，进一步解体检查，未发现阀有划痕或者损伤，回装前进行蓝油试验，确认密封完好。

综上所述，干燥塔的入口阀密封完好，湿空气未进入“再生状态”的干燥塔中。

3.3.4  湿空气未经干燥器进入下游管道

如图2，入口油过滤器5SAP403ZE与出口除尘过滤器5SAP403FI之间有一根连接管线，该管线的作用是当5SAP403ZR备用状态时（此时入口电动阀5SAP433VA关闭），将下游的干燥空气引入，对干燥塔保持充压状态。

如果引压管线上的逆止阀5SAP993VA内漏，在运行状态时，湿空气会直接经过5SAP403ZE进入5SAP403FI，导致露点升高。

为排查5SAP993VA是否内漏，联系机械解体该阀，发现阀腔内部存在较多锈蚀杂质，对杂质清理后回装。启动5SAP403ZR，运行4个小时后，干燥器露点由-50℃缓慢降到-67℃，降幅约-17℃。   

综上所述，5SAP993VA内漏导致湿空气直接进入干燥器下游，是露点高的一个主要原因。

对比5SAP401/402ZR的干燥器出口露点为-73℃，5SAP403ZR干燥器出口露点仍然偏高约-6℃。下文继续分析该差异的原因。

3.4   运行方式差异的分析

压缩机与干燥器的一般是一一对应，联合运行，5SAP403ZR与5SAP403CO联合运行。为了防止压缩机耦合运行、频繁加卸载，每台压缩机的加载定值不同（5SAP401为7.8 bar，5SAP402CO为7.9 bar，5SAP403CO为8.0 bar），粉。

5SAP403CO的加载定值最高，所以加载运行比两外两台压缩机更频繁，这就导致5SAP403ZR负荷大导致干燥效果较差。为了判断不同压缩机运行对5SAP403ZR露点的影响，临时改变联合运行方式，分别启动5SAP401CO-403ZR和5SAP402CO-403ZR，记录露点情况。实验验证了分析的正确性，5SAP403CO-403ZR联合运行时，出口露点更高，高-6℃左右。

目前还存在一个问题，为何三个干燥器的干燥效果均达不到设计的最佳露点值-80℃，下文对这个共性问题进行分析。

3.5   影响露点基础值的其他共性问题

3.5.1  三个干燥器共用缓冲罐的疏水阀开度过小

缓冲罐5SAP412BA底部有两个串联的排污阀5SAP468/568VA，日常运行期间保持该约10%开度，以排放罐内冷凝水。

现场检查发现该排污阀下游对空处有连续水流，说明阀门开度不足以排空罐内冷凝水。为验证缓冲罐排污阀的开度对干燥器露点的影响，通过实验改变疏水阀开度并持续跟踪5SAP402ZR（为验证共性问题，此次不以5SAP403ZR为试验对象）干燥器出口露点变化

从实验发现，当5SAP568VA由10%开大到50%过程中，5SAP402ZR出口露点由-73℃逐渐降低到-77℃，继续开大5SAP568VA，出口露点由维持-77℃基本不变。

由此可知，干燥器入口缓冲罐疏水阀开度过小，是露点低于设计最佳值的一个重要的共性原因。

3.5.2  环境条件对干燥器出口露点的影响

压缩机由水强制冷却，冷却水将热量带出至冷却塔，冷却塔的冷却方式是强迫空气对流方式，最终热阱为空气。因此，压缩机出口压缩空气温度与环境气温相关。

通过查询2022年度一整年的环境气象温度，并对比巡检记录，绘制成5SAP压缩空气露点与环境温度的折线图： 

图4 环境温度与露点折线图

由上图可知，随着气温上升，露点会上升。环境温度与露点折线图并非完全的平滑曲线，原因是降雨量期间，湿度增高，5月份是夏初降雨高峰期，7月份是梅雨季节，9月则是因为台风“梅花”导致的连续一周多的降雨，从而使干燥器下游的露点响应增加，露点最佳的季节是冬季和春季。

综上分析，环境温度和湿度对的影响是露点低于设计最佳值的一个重要的共性原因。

4 消除5SAP403ZR露点高报警的措施

通过理论分析和现场验证，确认了此次露点高频繁报警的原因，采取了如下措施解决该问题。

[1]  增加5SAP403CO的疏水量

对三台压缩机的手动疏水阀统一调整为60%开度，在保证疏水的情况下，将排气量控制在合理范围，将阀门下游调整为水气混合物，同时在压缩机手动疏水阀处张贴提示信息，提示巡检时持续跟踪阀门开度和排水效果。

[2]  增加进入“再生状态”干燥塔的干燥压空供气量

5SAP307VA阀门开度由20%开大到50%开度，向5SAP403ZR的“再生状态”的干燥塔提供足够的干燥压缩空气，以保证再生效果。

[3]  解体检修充压管线逆止阀5SAP993VA

通过解体检修5SAP993VA，清理阀腔内杂质，解决逆止阀内漏的缺陷，消除了湿空气直接进入5SAP403ZR下游的问题。

[4]  增大三个干燥器共用缓冲罐的疏水量

将当5SAP568VA由10%开大到50%，使疏水阀持续有少量气流，并间断伴有少量来水，达到了充分疏水的目标。 

[5] 缩短 5SAP403ZR保养周期

5SAP403CO-403ZR联合运行方式情况下，5SAP403ZR的干燥负荷较大，与维修机械讨论后，在原先6年定期检查基础上，增加3年干燥剂及罐体检查的检修项目。

5 总结

本文针系统性的分析可能引起露点高的潜在因素，建立了“5SAP压缩空气露点高故障诊断和纠正措施”体系：

            图5 压缩空气露点高故障诊断和纠正措施体系

该体系的建立，具体来说，可获得以下收益：

[1] 提高系统可靠性

该体系包含了所有可能导致5SAP压缩空气露点高的缺陷原因和纠正措施，可快速定位缺陷，及时恢复系统正常运行。另外，根据5SAP403ZR干燥器的运行特性，优化了预防性维修计划，保证了5SAP403ZR的干燥效果。从而提高了系统整体可靠性，减少了故障报警触发的次数。

[2] 改善经济效益

报警触发后需要运行人员切换压缩机和干燥器，并需各专业根据分析可能的缺陷原因，逐个解体或者更换备件，往往因分析不精准导致人力物力的浪费（类似工作，曾多次发生），该体系有助于快速排查和定位缺陷，精准维修，降低设备维护费用和人工成本。

参考文献：

《压缩空气生产系统手册》，秦山核电