核电通风空调系统故障检测与诊断

核电通风空调系统故障检测与诊断

高顺

中核控制系统工程有限公司  北京市房山区  102400

摘要：近年来，我国的核电厂建设越来越多，在核电厂中，通风空调是非常重要的组成部分。事故后非能动通风技术的研究和应用日益广泛，在系统设计和安全审查方面均面临新的挑战。本文就核电通风空调系统故障检测与诊断进行研究，以达到节约厂用电、降本增效的目的。

关键词：核电；通风空调系统；故障检测；故障诊断；可靠性

引言

核电厂部分通风系统需要在设计基准事故后执行安全功能：控制区域放射性污染物浓度，或保证人员居留和设备运行所需环境条件。

1核电通风空调系统的典型故障

通风空调按照故障程度可以划分为硬故障和软故障2类。硬故障指的是系统部件完全失效无法工作，常见的有传感器完全失效，阀门卡死等。该类故障直接影响到空调的运行，破坏性强，但由于其表征明显，诊断该类故障的难度并不高。而软故障指的是随着时间发展，系统部件出现磨损老化从而使机组性能表现逐渐降低的故障，如传感器的偏差，制冷剂泄漏等。由于初始的故障程度不高且空调机组仍能运行，因此常常被人忽略，导致通风空调能耗增加10%~20%。由于其内部结构比较复杂，因此需要将复杂的系统层层分解为更小的单元。

2通风空调系统故障检测与诊断主要研究方法

2.1通过管道隔离的超压防护设计方法

通过管道隔离的超压防护设计原理是将质能限制在高能管道区域，防止质能释放到周围房间。正常运行时，高能管道区域与其他区域共用集中通风管网，当发生高能管道失效时，将高能管道区域的管网与其他区域的通风管网隔离，将高温高压气体限制在高能管道区域范围内，避免气体通过风管蔓延至安全物项所在区域，从而实现超压防护设计。核电厂通风系统常采用隔离阀执行隔离功能。目前，国内核电厂采用的带快速关闭功能的隔离阀一般采用弹簧复位，根据电动执行机构的型号不同，关闭时间一般在2～9ｓ之间。高能管道失效时，压力迅速上升，在约0.5ｓ时达到峰值，短于隔离阀响应时间，隔离阀不能满足设计要求。结合高能管道区域压力上升速度快的特点，可考虑采用抗冲击波龙卷风阀进行超压防护。某核电厂采用的抗冲击波龙卷风阀需满足的技术要求为：龙卷风阀采用自力式机械驱动，当受到冲击波或龙卷风引起的压力波使阀门两侧压差达到2500Ｐａ时，阀门可自动关闭，且可以两侧动作。当阀门两侧压力低于动作压力时，阀门可以自动复位。当阀门受到设计冲击波压力时，阀门关闭时间不超过10ｍｓ，当阀门受到龙卷风时，阀门关闭时间不超过500ｍｓ，抗冲击波龙卷风阀的响应时间满足高能管道区域压力上升时间的要求。当系统正常运行时，管道内的压力小于阀门动作压力，且阀门可两侧动作、自动复位，采用抗冲击波龙卷风阀不影响系统正常通风功能。需要关注的是，高能管道失效除了考虑高能管道破口在短时间内产生高温高压气体外，同时应考虑设备管道渗漏导致压力缓慢升高的风险。根据抗冲击波龙卷风阀的特性，压力缓慢升高时，阀门无法自动关闭。为满足超压防护要求，可在超压区域边界的送排风干管上增加电动隔离阀，当高能管道渗漏时，通过监测排风温度自动连锁隔离阀关闭。同时，布置设计上，抗冲击波龙卷风阀应嵌墙布置在超压隔间边界，隔离阀布置在抗冲击波龙卷风阀外侧。图３给出了通过管道隔离的超压防护设计方案示意图。在管道设计上，应考虑超压隔间边界的管道承压满足隔间最大压力，保证超压时隔间边界的完整性。

2.2废热能量转化技术

核电厂存在大量低品质热源，如乏池水、温排水、废热等，若将其通过非能动的方式转化为机械能或冷源，将为核电厂事故后特殊场景的环境控制提供多样性和可能性。热冷转换可采用热泵、吸收或吸附式制冷，但仍需要消耗一定电能，且效率较低；热机械能转化可采用斯特林热机或记忆合金转轮，可实现60℃温度下的热机械能转化，但其能量密度和转化效率较低，核岛典型散热房间内尚无法产生百瓦数量级的机械能，无法独立实现基本的换气或冷却需求，但对于某些通风管道无法布置的受限空间可能有特殊用途。

2.3根据季节变化调整通风、空调系统运行方式，减少运行数量

①ＪＸ厂房辅助6ｋＶ配电间多联空调室内机冬季减半运行，过渡季排风扇全年备用，正常不运行；②ＴＣ网控楼４组多联空调冬季减半运行，过渡季排风扇全年备用，正常不运行；③汽轮机厂房380Ｖ配电间及6ｋＶ配电间多联空调室内机冬季减半运行，过渡季排风扇备用，全年不运行。

2.4设置独立通风的超压防护设计方法

设置独立通风的超压防护设计思路是将高能管道区域管网与其他区域的通风管网独立，当发生高能管道失效时，高温高压气体被限制在独立通风管网中，与其他区域通风实体隔离，从而实现超压防护功能。独立通风区域从室外单独取风，经空气处理后送至高能管道区域。独立通风区域的管道设计应考虑如下几个方面。理想情况下，独立通风管网的布置应与其他集中通风管网实体隔离，由于管网不存在交叉，超压隔间区域内的风管按正常通风系统的设计压力即可。然而在核电厂实际设计中，可能受限于布置空间设计，存在集中通风管网穿越高能管道区域或独立通风管网穿越非高能管道区域的情况。对于交叉区域内的风管，其管道设计压力应考虑能承受超压时的最大压力，管道上的设备、阀门等物项也需耐压，以保证超压边界的完整性。当独立通风的排风口与其他区域排风口共用时，相关区域的通风系统也应考虑超压的影响。由于高温高压气体的压力随通风管道逐渐衰减，当超压蒸汽泄漏到排风小室时，蒸汽最高压力约为106ｋＰａ（表压），最高温度约为100℃，与小室相连的通风系统设计应满足该温度和压力要求。

2.5通风空调系统故障诊断方法对比

从方法角度来看，基于数据驱动的方法除监督学习外，可应用全部场景，建模工作不要求专业知识和设计施工信息，因此，模型解释性较差。基于知识驱动的方法通常不依赖于故障数据，可以应用于全部场景，专家规则法和贝叶斯网络法需要使用故障数据或工程经验，其故障数据不一定来自目标系统，而是可能来自其他建筑物的历史数据、实验、专家知识和以前的经验，使该方法更具备解释性和可迁移性，对专业知识和设计施工信息有一定的要求。从数据的角度来看，基于数据驱动的大多数提出的方法对特征数据的数量和训练数据要求较高，训练数据的大小通常在数千到数万的数量级，而所需的特征数据集从几个到20多个，在数据预处理方面，还需要完成通风空调系统运行模式的识别、异常值去除、稳态检测、信号分解和归一化，以提高故障检测中数据驱动方法的算法能力，并确保算法在应用中的鲁棒性。基于知识驱动的方法通常不依赖于故障数据，仅需要无故障数据来建立和校准基线模型，这些模型在随后的过程中与具有阈值的规则相结合。

结语

随着电力行业改革的不断深化，重视并加强节能降耗工作，积极引进、不断加大技术创新和技术改造的力度，降低厂用电率，从而降低发电成本，提高上网电价竞争力，必将成为各发电厂所努力追求的目标。需要强调的是，节约厂用电必须以机组安全稳定运行为前提，不能因为片面追求降低厂用电率而对机组安全运行产生影响。

参考文献

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