鈉冷快堆電加熱系統運行分析與改進建議

羅鳴 串皓皓 陳雨翔

中核霞浦核電有限公司 福建霞浦 355100

1 電加熱系統概述

池式鈉冷快堆采用鈉—鈉—水的三回路設計，一、二回路采用液態金屬鈉作為冷卻劑，因此需要為一、二回路的管道、閥門及設備配置電加熱系統。電加熱系統不僅起加熱或保溫的作用，當有鈉在系統內冷凍時，還要將涉鈉管道、閥門和設備內的固態鈉熔化，防止堵塞管道，影響正常運行。另外在進行與鈉相關操作時，還要對涉鈉系統進行預熱，防止高溫鈉對管道、閥門和設備造成熱沖擊[1]。

典型的電加熱系統由電加熱絲、測溫熱電偶、配電柜、處理機柜等設備組成，如圖1 所示。熱電偶將實測溫度轉換為電壓信號反饋給處理機柜，然后根據設置好的加熱參數，控制電加熱絲的加熱速率或啟停。

圖1 電加熱系統控制原理圖

Fig1Control system schematic of electric heating system

電加熱系統隨著使用年限的增長，各類故障也逐漸突顯出來。典型的故障主要有以下三類，供電及控制故障、設計缺陷及施工問題、涉鈉系統運行問題。

2 電加熱系統故障分析

2.1 電氣故障

電氣設備及控制系統隨使用年限增長而逐漸顯露出來的典型故障有電加熱區段配電柜無電壓電流輸出、電加熱絲熔斷、控制系統中間繼電器故障、信號端子松動等問題。

2.1.1 無電壓電流輸出

（1）調壓模塊故障。調壓模塊中起調壓作用的關鍵部件是晶閘管，通過改變晶閘管的導通角[2]，便可改變調壓模塊的輸出電壓，從而實現對電加熱絲加熱電壓的控制。晶閘管作為主要發熱元件，長期高溫運行，會導致調壓模塊內部電子器件老化和損壞，其中最普遍的現象便是電容的損壞。晶閘管電路中設置有RC 緩沖電路，用以吸收晶閘管關斷時產生的大電流[3]。電路中的電容因老化問題被擊穿后，RC 緩沖電路便喪失其功能，晶閘管極易被大電流損壞。

另外，晶閘管的導通角由其碳膜電阻的阻值決定，由于長時間處于高溫工作環境，碳膜電阻的阻值隨溫度發生漂移，導致調壓模塊輸出電壓偏離設定值。這就導致實際加熱電壓小于額定電壓，電加熱溫度無法達到設定值。

（2）快速熔斷器熔斷。調壓模塊前設置有快速熔斷器，由于電加熱元件啟動瞬間，啟動電流大于額定電流，導致快速熔斷器熔斷，形成開路，調壓模塊無電壓輸出。

（3）其它電氣設備故障。若AC220V 母線上游電氣設備出現故障，或是出現母線進線變壓器、進線開關故障或隔離的情況，必然導致該段母線上全部電加熱絲失電。

2.1.2 控制回路故障

電加熱絲控制原理圖如圖2 所示，可以通過配電間的“SA”按鈕，切換主控室與配電間的控制權限。選擇“PLC”檔位后，便能在主控室DCS 畫面上設置加熱溫度、加熱速率等參數。然后DCS 通過控制“加熱”繼電器的通斷，來實現對加熱區間的溫度控制。控制系統主要出現的故障有：①配電柜上的模式轉換開關“SA”故障導致配電柜工作模式不能切換；②中間繼電器“KM”故障導致控制指令不能送達至電加熱配電系統；③測溫熱電偶故障導致溫度報警或無溫度反饋，DCS 失去對電加熱絲的控制；⑤信號線接頭氧化或是接觸不良，導致控制信號不能發出。

2.2 設計及施工問題

2.2.1 設計問題

電加熱系統中并不是所有電加熱絲供電都采用三相星型接線，部分采用兩相運行的方式。這會增大設備對絕緣性能的要求，導致設備上游母線進線變壓器中性點的偏移[4]，增大對變壓器絕緣性能的要求。實際運行過程中，配電柜頻繁出現了絕緣報警。

設計上只用一根熱電偶反饋整個加熱區間的溫度，實際情況是管道、設備、閥門的溫升不是一致的。這就導致處理機柜收到的溫度反饋只代表測點附近的溫度，整個加熱區間并未達到設定值，但處理機柜卻發出停止加熱的指令。

2.2.2 現場布置

管道上的電加熱絲布置采取平鋪的方式，鈉閥采取纏繞的方式。而對于容器，則會根據其體積大小采取纏繞或平鋪的方式。為保證加熱效果，會在管道、設備、閥門上包裹保溫材料。但實際施工時由于條件所限，電加熱絲的布置方位和保溫材料的包裹水平達不到設計要求。另外，在鈉管道穿墻處及部分鈉閥閥桿處，不僅無法布置電加熱絲，也不易包裹保溫材料，液態鈉極易在此處凝固，造成堵塞。

圖2 電加熱段控制原理圖

2.3 鈉系統運行問題

涉鈉系統排鈉操作后，可以停運電加熱系統，但必然有一小部分的鈉在溫度降下來之后在管道、閥門處凝固。所以系統充鈉之前，整個系統的管道、設備、閥門被加熱至250℃左右。但仍有以下原因導致管道被堵塞。

由于穿墻處沒有電加熱絲，凝固在此處的鈉，僅靠電加熱系統無法將其解凍；

鈉閥內部結構復雜，加熱時無法將所有部位都加熱到設定溫度，特別是閥桿處。一旦有鈉在這些部位凝固，導致鈉閥無法打開；

因加熱分布、管道走向、保溫層等原因，加熱過程是不均勻的。尤其在鈉管道轉彎處也容易出現液態鈉在此聚集，凝固后堵塞管道；

3 運行經驗及改進措施

3.1 日常檢查與維護

3.1.1 配電間的巡檢

電加熱系統運行期間出現問題最多的是電氣類故障，因此值班期間建立良好的巡檢制度非常有必要。

配電間的巡查，至少一班一次；

查看配電柜保護裝置顯示屏的報警情況；

可以通過電路燒焦的味道，確認調壓模塊損壞的配電柜；

檢查配電柜接線端子是否出現斷路的情況；

檢查配電間的溫度、通風情況。

3.1.2 DCS 電加熱界面檢查

主控室操縱員在值班期間對所有電加熱的系統DCS 畫面上的溫度測點進行檢查。若出現異常測點，即可派人去電氣間進行檢查，步驟如下：①主控室操縱員確認溫度異常的電加熱絲編號，查找該電加熱絲所在的配電間、配電柜編號、基本工作參數等信息；②現場操作員做好防護后，攜帶工具去該配電間。找到所屬配電柜后。先確認電氣接線和調壓模塊的狀態，出現異常及時報告主控室；③用鉗形電流表對該加熱段進行三相電壓和電流的測量，并記錄數據；④現場操作員返回主控室將信息反饋給主控室操縱員，然后對照相關文件，判斷異常電加熱段出現的問題。

測點溫度異常還包括熱電偶斷偶，DCS 畫面上顯示一個異常的數值。但處理機柜會因異常值遠遠偏離設定值范圍，不會向配電柜發出繼電器閉合指令。對于上述問題，及時上報維修部門，使故障區間及時恢復運行。

3.2 鈉系統堵塞處理

涉鈉系統進行充鈉操作時，容易出現管道堵塞的情況。可以根據管道上的流量計和壓力儀表讀數判斷是否堵塞，根據DCS 畫面上電加熱溫度反饋分布情況，大致確認堵塞段位置。然后檢查阻塞段管道、閥門上電加熱工作情況，一般情況是溫度未達到要求，閥門、管道里的鈉未完全解凍，造成整個系統鈉流量很小。只需等待一段時間后，系統內的液態鈉便恢復正常流動。

對于沒有布置電加熱絲的鈉閥，在日常運行中不會完全關死。當其被堵住無法開啟時，可以利用高溫鈉流的沖擊和溫度將堵塞處的鈉解凍。這時可以提高電磁泵出力或提高儲鈉罐內氬氣壓力，從而提升充鈉流量，加速系統的疏通。為了及時反映溫度變化情況，可以派人去現場找到被堵塞的鈉閥，用點溫計測量閥體溫度。每隔一段時間，向主控室報告閥體的溫度變化情況，為主控操縱員的疏通操作提供信息。

3.3 電加熱系統改進建議

3.3.1 電氣及控制系統改進

一是電加熱絲的接線方式都采用三相星型接線，避免出現兩相接線方式。二是保證配電間的通風系統、配電柜的風扇工作正常。三是與核安全相關的涉鈉系統的電加熱區間上，應設置多支熱電偶，取該區間內加熱溫度的平均值作為DCS 的控制依據。

3.3.2 監測方式改進

增設電加熱系統運行狀態監測和報警模塊，與核安全相關的電加熱系統的調壓模塊加裝故障報警裝置，方便運行人員隨時掌握電加熱區段的工作情況，及時調整電加熱系統的運行狀態。

3.3.3 數據庫系統的建立

一段加熱絲會涉及到電加熱絲編號、位置、溫度測點編號、配電柜房間等信息。可以建立電加熱區段的數據庫系統，并設計相應搜索功能。一旦電加熱區段出現問題，可以使運行人員能快速、準確地找到問題電加熱區段的信息，及時采取措施，防止問題擴大。