高濃度硼酸水箱電加熱器改進方案

黃奇峰

（中國核電江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

0 引言

田灣核電站3，4 號機組高濃度硼酸水箱加熱采用套管式加熱器方案，每個水箱配4 個加熱器安裝套管，其中2 個套管安裝功率70 kW 的啟動電加熱器AH001，另外2 個套管安裝功率30 kW 的工作電加熱器AH002。加熱元件為U 形金屬管束狀，包殼材料為奧氏體不銹鋼。加熱器在套管內(nèi)通電發(fā)熱，空氣作為導(dǎo)熱介質(zhì)，把熱量傳導(dǎo)給套管進行加熱（圖1）。電加熱器設(shè)計形式較為常見，M310 型核電站硼酸水箱采用該加熱方式。

圖1 電加熱器結(jié)構(gòu)

在3 號機組調(diào)試階段，對高濃度硼酸水箱進行加熱，試驗過程中發(fā)現(xiàn)電加熱器工作異常，檢查發(fā)現(xiàn)2 個水箱的啟動電加熱器AH001（70 kW）均有不同程度的燒損情況，個別加熱管出現(xiàn)熔化或熔斷現(xiàn)象，部分加熱管表面完好；工作電加熱器AH002（30 kW）加熱管表面完好。分析電加熱器產(chǎn)生缺陷的原因，并進行改進。

1 電加熱器的設(shè)計配置

在VVER-1000 型核電機組中，有2 個直立圓柱型、容積150 m3的高濃度硼酸水箱，用于貯存濃度（39.5～44.5）g/kg 的硼酸。

每個高濃度硼酸水箱各有2 組電加熱器AH001 和AH002，均為管式電加熱器。其中，AH001 為啟動電加熱器，功率2×70 kW，用于預(yù)熱高濃度硼酸水箱中的硼酸至75 ℃；AH002 為工作電加熱器，電功率2×30 kW，用于維持高濃度硼酸水箱中的硼酸為（70～75）℃，以減少在安全系統(tǒng)啟動并向一回路注入硼酸時對壓力容器金屬脆性強度的影響。

2 電加熱器燒損原因分析

初步分析電加熱器損壞的原因：①制造和安裝過程中存在缺陷，導(dǎo)致加熱器在運行過程中燒壞；②加熱元件的表面負(fù)荷偏高，因與套管之間通過靜止空氣導(dǎo)熱，傳熱效果差，導(dǎo)致加熱元件表面溫度過高，造成包殼材料燒毀，金屬管包殼材料不能滿足設(shè)計要求。③該加熱器的超溫保護通過內(nèi)部設(shè)置的溫度開關(guān)實現(xiàn)，但在實際運行中溫度開關(guān)沒有起到超溫斷電的作用，因此不銹鋼包殼材料在高溫下出現(xiàn)熔融現(xiàn)象（如溫控開關(guān)設(shè)置在600 ℃以內(nèi)，且開關(guān)工作正常，不可能出現(xiàn)大面積熔融現(xiàn)象；如元件為電氣短路擊穿，僅會出現(xiàn)個別擊穿點，不可能出現(xiàn)大面積熔融現(xiàn)象）。

為進一步探究及證實電加熱器燒損的原因，相關(guān)廠家制作了1:1 的套管和加熱器，以及1 個0.7 m×0.7 m×2 m 的水箱進行不同功率輸出的試驗測試，并用熱電偶實時監(jiān)測加熱元件表面溫度。水溫維持在75 ℃穩(wěn)態(tài)情況下，當(dāng)電加熱器輸出功率為70 kW 時，套管內(nèi)壁的表面負(fù)荷為9.04 W/cm2，此時加熱元件表面平均溫度＞870 ℃；當(dāng)水溫升高到80 ℃，電加熱器的輸出功率為53 kW 時，套管內(nèi)壁的表面負(fù)荷為6.85 W/cm2，此時加熱元件表面平均溫度652 ℃，加熱器能穩(wěn)定運行。

經(jīng)查詢機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 2379—2016 得知，當(dāng)加熱介質(zhì)為靜止空氣時，不銹鋼材料（06Cr18Ni10）的表面負(fù)荷最高允許值為5 W/cm2，表面溫度最高允許值為550 ℃。根據(jù)試驗情況及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以判定，啟動電電加熱器AH001 燒毀的主要原因是加熱元件表面溫度過高。

3 電加熱器改進方案

3.1 更換耐溫等級更高的包殼材料

電加熱管包殼材料由原來的奧氏體不銹鋼改為耐溫等級更高的鎳基耐熱合金鋼Incoloy800。該材料在（65～1000）℃高溫下具有較高的強度和抗氧化腐蝕能力。JB/T2379—2016 顯示Incoloy800 材料允許的最高溫度達850 ℃，當(dāng)加熱介質(zhì)為靜止空氣時，Incoloy800 材料的表面負(fù)荷最高允許值為10 W/cm2。該材料能滿足電加熱器安全穩(wěn)定運行，并且有利于延長設(shè)備的使用壽命。

3.2 增加導(dǎo)熱介質(zhì)

電加熱管與加熱器外套管之間，原設(shè)計采用靜止空氣作為導(dǎo)熱介質(zhì)，傳熱效率低，導(dǎo)致電加熱器表面溫度高。改進方案采用氧化鎂作為導(dǎo)熱介質(zhì)，在現(xiàn)場用填料機填充，以提高電加熱器的傳熱效率。氧化鎂粉具有較好的絕緣性能及電氣強度，并且具有較好的導(dǎo)熱性，能將電熱管所發(fā)出的熱量及時傳導(dǎo)到金屬套管。

3.3 增加溫度控制裝置

為保證電加熱器能夠持續(xù)穩(wěn)定地運行，并且能夠在出現(xiàn)故障的情況下保證電加熱器不被燒毀，改進方案增加了溫度控制裝置。

每個電加熱器元件表面安裝5 個K 型熱電偶，采集電加熱管包殼的溫度信號，現(xiàn)場選取溫度讀數(shù)最高的熱電偶作為溫度控制，由控制柜內(nèi)的溫控儀（ST1）采集該熱電偶的溫度信號，經(jīng)運算后根據(jù)升溫速率輸出（4～20）mA 信號到可控硅（SCR）元件，自動調(diào)整加熱器輸出功率，使其表面溫度≤700 ℃（如果溫度＞850 ℃，電加熱絲與包殼之間填充的氧化鎂絕緣導(dǎo)熱層將失去絕緣作用，導(dǎo)致加熱器燒毀）。另外4 個熱電偶用于加熱元件的高溫保護功能，采集的溫度信號到控制柜溫控儀（ST2），由控制柜實現(xiàn)加熱器超溫保護連鎖，溫度設(shè)定值在ST2 上給定。

溫度控制裝置還可以實現(xiàn)加熱器自動軟啟動，提高系統(tǒng)可靠性。投用電加熱器時，軟啟動控制柜受電啟動，通過可控硅及溫度控制器，將加熱元件緩慢升溫，通過設(shè)置升溫曲線，在120 min 內(nèi)將元件緩慢升溫到700 ℃（可調(diào)節(jié)）。緩慢升溫可以延長加熱器的使用壽命，確保加熱器穩(wěn)定運行。電加熱器控制裝置見圖2。正常運行情況下加熱元件表面溫度控制在700 ℃以下，既可以滿足用戶的功率要求，又可以保證加熱器的使用壽命

圖2 電加熱器控制裝置

3.4 調(diào)整電加熱器功率分配

通過理論計算及樣件試驗表明，單套電加熱器功率70 kW的情況下加熱元件溫度過高，不能長期安全運行。為保證設(shè)備安全可靠，需降低加熱元件的表面負(fù)荷，經(jīng)試驗驗證及理論計算，將功率由70 kW 降低到≤54 kW 即可滿足長期運行的要求，實際按50 kW 實施。

另外，為了滿足運行過程中高濃度硼酸水箱溫度從室溫升至75 ℃的過程不超過72 h 的要求，電加熱器的總安裝功率需滿足200 kW 的要求，改進方案將啟動電加熱器功率由70 kW改為50 kW；將工作電加熱器功率由30 kW 改為50 kW。具體調(diào)整如表1 所示。

表1 電加熱器的功率調(diào)整方案

現(xiàn)場的4 個套管將安裝4 臺相同功率的電加熱器。原加熱器安裝套管、名稱、啟用邏輯保持不變，同時增加AH003 的控制邏輯。

4 改進試驗驗證

改進后的電加熱器在3 號機組完成安裝后，對2 臺高濃度硼酸水箱分別進行加熱試驗，初始階段啟動AH001/002/003 電加熱器同時進行加熱，水箱溫度到達75 ℃時，加熱時間及速率均滿足要求；通過AH002 的自動啟?？删S持水箱溫度在（70～75）℃。水箱加熱試驗過程中溫度上升平穩(wěn)，熱電偶監(jiān)測的加熱元件表面溫度顯示＜700 ℃，加熱效率較改進前有了較大的提高，控制邏輯驗證正確。整個加熱過程滿足設(shè)計要求，電加熱器工作穩(wěn)定正常。

根據(jù)3 號機組的經(jīng)驗反饋，4 號機組的濃硼酸水箱電加熱器也一并進行改造，經(jīng)驗證，加熱器運行穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語

通過檢查和分析燒損的電加熱器，確定電加熱器損壞的根本原因。改進電加熱器的材料、導(dǎo)熱介質(zhì)，增加溫度控裝置并調(diào)整單機功率，以確保電加熱器的可靠運行。

經(jīng)過試驗驗證，改進后的電加熱器加熱速率由1.1 ℃/h 提高至1.4 ℃/h，提高了27%，長期運行將節(jié)省大量的電能；另外，電加熱器的表面工作溫度由的800 ℃以上降至700 ℃以下，將大大延長設(shè)備的使用壽命。改進后電加熱器運行穩(wěn)定可靠，為同類型核電機組及類似電加熱器提供重要的經(jīng)驗反饋及參考。