鈉冷快堆電加熱系統(tǒng)運(yùn)行分析與改進(jìn)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(tǒng)概述

池式鈉冷快堆采用鈉—鈉—水的三回路設(shè)計(jì)，一、二回路采用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，因此需要為一、二回路的管道、閥門(mén)及設(shè)備配置電加熱系統(tǒng)。電加熱系統(tǒng)不僅起加熱或保溫的作用，當(dāng)有鈉在系統(tǒng)內(nèi)冷凍時(shí)，還要將涉鈉管道、閥門(mén)和設(shè)備內(nèi)的固態(tài)鈉熔化，防止堵塞管道，影響正常運(yùn)行。另外在進(jìn)行與鈉相關(guān)操作時(shí)，還要對(duì)涉鈉系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，防止高溫鈉對(duì)管道、閥門(mén)和設(shè)備造成熱沖擊[1]。

典型的電加熱系統(tǒng)由電加熱絲、測(cè)溫?zé)犭娕肌⑴潆姽?、處理機(jī)柜等設(shè)備組成，如圖1 所示。熱電偶將實(shí)測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)反饋給處理機(jī)柜，然后根據(jù)設(shè)置好的加熱參數(shù)，控制電加熱絲的加熱速率或啟停。

圖1 電加熱系統(tǒng)控制原理圖

Fig1Control system schematic of electric heating system

電加熱系統(tǒng)隨著使用年限的增長(zhǎng)，各類(lèi)故障也逐漸突顯出來(lái)。典型的故障主要有以下三類(lèi)，供電及控制故障、設(shè)計(jì)缺陷及施工問(wèn)題、涉鈉系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題。

2 電加熱系統(tǒng)故障分析

2.1 電氣故障

電氣設(shè)備及控制系統(tǒng)隨使用年限增長(zhǎng)而逐漸顯露出來(lái)的典型故障有電加熱區(qū)段配電柜無(wú)電壓電流輸出、電加熱絲熔斷、控制系統(tǒng)中間繼電器故障、信號(hào)端子松動(dòng)等問(wèn)題。

2.1.1 無(wú)電壓電流輸出

（1）調(diào)壓模塊故障。調(diào)壓模塊中起調(diào)壓作用的關(guān)鍵部件是晶閘管，通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通角[2]，便可改變調(diào)壓模塊的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱絲加熱電壓的控制。晶閘管作為主要發(fā)熱元件，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致調(diào)壓模塊內(nèi)部電子器件老化和損壞，其中最普遍的現(xiàn)象便是電容的損壞。晶閘管電路中設(shè)置有RC 緩沖電路，用以吸收晶閘管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的大電流[3]。電路中的電容因老化問(wèn)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(dǎo)通角由其碳膜電阻的阻值決定，由于長(zhǎng)時(shí)間處于高溫工作環(huán)境，碳膜電阻的阻值隨溫度發(fā)生漂移，導(dǎo)致調(diào)壓模塊輸出電壓偏離設(shè)定值。這就導(dǎo)致實(shí)際加熱電壓小于額定電壓，電加熱溫度無(wú)法達(dá)到設(shè)定值。

（2）快速熔斷器熔斷。調(diào)壓模塊前設(shè)置有快速熔斷器，由于電加熱元件啟動(dòng)瞬間，啟動(dòng)電流大于額定電流，導(dǎo)致快速熔斷器熔斷，形成開(kāi)路，調(diào)壓模塊無(wú)電壓輸出。

（3）其它電氣設(shè)備故障。若AC220V 母線上游電氣設(shè)備出現(xiàn)故障，或是出現(xiàn)母線進(jìn)線變壓器、進(jìn)線開(kāi)關(guān)故障或隔離的情況，必然導(dǎo)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(guò)配電間的“SA”按鈕，切換主控室與配電間的控制權(quán)限。選擇“PLC”檔位后，便能在主控室DCS 畫(huà)面上設(shè)置加熱溫度、加熱速率等參數(shù)。然后DCS 通過(guò)控制“加熱”繼電器的通斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱區(qū)間的溫度控制。控制系統(tǒng)主要出現(xiàn)的故障有：①配電柜上的模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)“SA”故障導(dǎo)致配電柜工作模式不能切換；②中間繼電器“KM”故障導(dǎo)致控制指令不能送達(dá)至電加熱配電系統(tǒng)；③測(cè)溫?zé)犭娕脊收蠈?dǎo)致溫度報(bào)警或無(wú)溫度反饋，DCS 失去對(duì)電加熱絲的控制；⑤信號(hào)線接頭氧化或是接觸不良，導(dǎo)致控制信號(hào)不能發(fā)出。

2.2 設(shè)計(jì)及施工問(wèn)題

2.2.1 設(shè)計(jì)問(wèn)題

電加熱系統(tǒng)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(yùn)行的方式。這會(huì)增大設(shè)備對(duì)絕緣性能的要求，導(dǎo)致設(shè)備上游母線進(jìn)線變壓器中性點(diǎn)的偏移[4]，增大對(duì)變壓器絕緣性能的要求。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，配電柜頻繁出現(xiàn)了絕緣報(bào)警。

設(shè)計(jì)上只用一根熱電偶反饋整個(gè)加熱區(qū)間的溫度，實(shí)際情況是管道、設(shè)備、閥門(mén)的溫升不是一致的。這就導(dǎo)致處理機(jī)柜收到的溫度反饋只代表測(cè)點(diǎn)附近的溫度，整個(gè)加熱區(qū)間并未達(dá)到設(shè)定值，但處理機(jī)柜卻發(fā)出停止加熱的指令。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于容器，則會(huì)根據(jù)其體積大小采取纏繞或平鋪的方式。為保證加熱效果，會(huì)在管道、設(shè)備、閥門(mén)上包裹保溫材料。但實(shí)際施工時(shí)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(dá)不到設(shè)計(jì)要求。另外，在鈉管道穿墻處及部分鈉閥閥桿處，不僅無(wú)法布置電加熱絲，也不易包裹保溫材料，液態(tài)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(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題

涉鈉系統(tǒng)排鈉操作后，可以停運(yùn)電加熱系統(tǒng)，但必然有一小部分的鈉在溫度降下來(lái)之后在管道、閥門(mén)處凝固。所以系統(tǒng)充鈉之前，整個(gè)系統(tǒng)的管道、設(shè)備、閥門(mén)被加熱至250℃左右。但仍有以下原因?qū)е鹿艿辣欢氯?/p>

由于穿墻處沒(méi)有電加熱絲，凝固在此處的鈉，僅靠電加熱系統(tǒng)無(wú)法將其解凍；

鈉閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加熱時(shí)無(wú)法將所有部位都加熱到設(shè)定溫度，特別是閥桿處。一旦有鈉在這些部位凝固，導(dǎo)致鈉閥無(wú)法打開(kāi)；

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

3 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及改進(jìn)措施

3.1 日常檢查與維護(hù)

3.1.1 配電間的巡檢

電加熱系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)問(wèn)題最多的是電氣類(lèi)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(hù)裝置顯示屏的報(bào)警情況；

可以通過(guò)電路燒焦的味道，確認(rèn)調(diào)壓模塊損壞的配電柜；

檢查配電柜接線端子是否出現(xiàn)斷路的情況；

檢查配電間的溫度、通風(fēng)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(duì)所有電加熱的系統(tǒng)DCS 畫(huà)面上的溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢查。若出現(xiàn)異常測(cè)點(diǎn)，即可派人去電氣間進(jìn)行檢查，步驟如下：①主控室操縱員確認(rèn)溫度異常的電加熱絲編號(hào)，查找該電加熱絲所在的配電間、配電柜編號(hào)、基本工作參數(shù)等信息；②現(xiàn)場(chǎng)操作員做好防護(hù)后，攜帶工具去該配電間。找到所屬配電柜后。先確認(rèn)電氣接線和調(diào)壓模塊的狀態(tài)，出現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)告主控室；③用鉗形電流表對(duì)該加熱段進(jìn)行三相電壓和電流的測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)；④現(xiàn)場(chǎng)操作員返回主控室將信息反饋給主控室操縱員，然后對(duì)照相關(guān)文件，判斷異常電加熱段出現(xiàn)的問(wèn)題。

測(cè)點(diǎn)溫度異常還包括熱電偶斷偶，DCS 畫(huà)面上顯示一個(gè)異常的數(shù)值。但處理機(jī)柜會(huì)因異常值遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)定值范圍，不會(huì)向配電柜發(fā)出繼電器閉合指令。對(duì)于上述問(wèn)題，及時(shí)上報(bào)維修部門(mén)，使故障區(qū)間及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行。

3.2 鈉系統(tǒng)堵塞處理

涉鈉系統(tǒng)進(jìn)行充鈉操作時(shí)，容易出現(xiàn)管道堵塞的情況。可以根據(jù)管道上的流量計(jì)和壓力儀表讀數(shù)判斷是否堵塞，根據(jù)DCS 畫(huà)面上電加熱溫度反饋分布情況，大致確認(rèn)堵塞段位置。然后檢查阻塞段管道、閥門(mén)上電加熱工作情況，一般情況是溫度未達(dá)到要求，閥門(mén)、管道里的鈉未完全解凍，造成整個(gè)系統(tǒng)鈉流量很小。只需等待一段時(shí)間后，系統(tǒng)內(nèi)的液態(tài)鈉便恢復(fù)正常流動(dòng)。

對(duì)于沒(méi)有布置電加熱絲的鈉閥，在日常運(yùn)行中不會(huì)完全關(guān)死。當(dāng)其被堵住無(wú)法開(kāi)啟時(shí)，可以利用高溫鈉流的沖擊和溫度將堵塞處的鈉解凍。這時(shí)可以提高電磁泵出力或提高儲(chǔ)鈉罐內(nèi)氬氣壓力，從而提升充鈉流量，加速系統(tǒng)的疏通。為了及時(shí)反映溫度變化情況，可以派人去現(xiàn)場(chǎng)找到被堵塞的鈉閥，用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量閥體溫度。每隔一段時(shí)間，向主控室報(bào)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(tǒng)改進(jìn)建議

3.3.1 電氣及控制系統(tǒng)改進(jìn)

一是電加熱絲的接線方式都采用三相星型接線，避免出現(xiàn)兩相接線方式。二是保證配電間的通風(fēng)系統(tǒng)、配電柜的風(fēng)扇工作正常。三是與核安全相關(guān)的涉鈉系統(tǒng)的電加熱區(qū)間上，應(yīng)設(shè)置多支熱電偶，取該區(qū)間內(nèi)加熱溫度的平均值作為DCS 的控制依據(jù)。

3.3.2 監(jiān)測(cè)方式改進(jìn)

增設(shè)電加熱系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警模塊，與核安全相關(guān)的電加熱系統(tǒng)的調(diào)壓模塊加裝故障報(bào)警裝置，方便運(yùn)行人員隨時(shí)掌握電加熱區(qū)段的工作情況，及時(shí)調(diào)整電加熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的建立

一段加熱絲會(huì)涉及到電加熱絲編號(hào)、位置、溫度測(cè)點(diǎn)編號(hào)、配電柜房間等信息。可以建立電加熱區(qū)段的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)搜索功能。一旦電加熱區(qū)段出現(xiàn)問(wèn)題，可以使運(yùn)行人員能快速、準(zhǔn)確地找到問(wèn)題電加熱區(qū)段的信息，及時(shí)采取措施，防止問(wèn)題擴(kuò)大。