钠冷快堆电加热系统运行分析与改进建议

罗鸣 串皓皓 陈雨翔

中核霞浦核电有限公司 福建霞浦 355100

1 电加热系统概述

池式钠冷快堆采用钠—钠—水的三回路设计，一、二回路采用液态金属钠作为冷却剂，因此需要为一、二回路的管道、阀门及设备配置电加热系统。电加热系统不仅起加热或保温的作用，当有钠在系统内冷冻时，还要将涉钠管道、阀门和设备内的固态钠熔化，防止堵塞管道，影响正常运行。另外在进行与钠相关操作时，还要对涉钠系统进行预热，防止高温钠对管道、阀门和设备造成热冲击[1]。

典型的电加热系统由电加热丝、测温热电偶、配电柜、处理机柜等设备组成，如图1 所示。热电偶将实测温度转换为电压信号反馈给处理机柜，然后根据设置好的加热参数，控制电加热丝的加热速率或启停。

图1 电加热系统控制原理图

Fig1Control system schematic of electric heating system

电加热系统随着使用年限的增长，各类故障也逐渐突显出来。典型的故障主要有以下三类，供电及控制故障、设计缺陷及施工问题、涉钠系统运行问题。

2 电加热系统故障分析

2.1 电气故障

电气设备及控制系统随使用年限增长而逐渐显露出来的典型故障有电加热区段配电柜无电压电流输出、电加热丝熔断、控制系统中间继电器故障、信号端子松动等问题。

2.1.1 无电压电流输出

（1）调压模块故障。调压模块中起调压作用的关键部件是晶闸管，通过改变晶闸管的导通角[2]，便可改变调压模块的输出电压，从而实现对电加热丝加热电压的控制。晶闸管作为主要发热元件，长期高温运行，会导致调压模块内部电子器件老化和损坏，其中最普遍的现象便是电容的损坏。晶闸管电路中设置有RC 缓冲电路，用以吸收晶闸管关断时产生的大电流[3]。电路中的电容因老化问题被击穿后，RC 缓冲电路便丧失其功能，晶闸管极易被大电流损坏。

另外，晶闸管的导通角由其碳膜电阻的阻值决定，由于长时间处于高温工作环境，碳膜电阻的阻值随温度发生漂移，导致调压模块输出电压偏离设定值。这就导致实际加热电压小于额定电压，电加热温度无法达到设定值。

（2）快速熔断器熔断。调压模块前设置有快速熔断器，由于电加热元件启动瞬间，启动电流大于额定电流，导致快速熔断器熔断，形成开路，调压模块无电压输出。

（3）其它电气设备故障。若AC220V 母线上游电气设备出现故障，或是出现母线进线变压器、进线开关故障或隔离的情况，必然导致该段母线上全部电加热丝失电。

2.1.2 控制回路故障

电加热丝控制原理图如图2 所示，可以通过配电间的“SA”按钮，切换主控室与配电间的控制权限。选择“PLC”档位后，便能在主控室DCS 画面上设置加热温度、加热速率等参数。然后DCS 通过控制“加热”继电器的通断，来实现对加热区间的温度控制。控制系统主要出现的故障有：①配电柜上的模式转换开关“SA”故障导致配电柜工作模式不能切换；②中间继电器“KM”故障导致控制指令不能送达至电加热配电系统；③测温热电偶故障导致温度报警或无温度反馈，DCS 失去对电加热丝的控制；⑤信号线接头氧化或是接触不良，导致控制信号不能发出。

2.2 设计及施工问题

2.2.1 设计问题

电加热系统中并不是所有电加热丝供电都采用三相星型接线，部分采用两相运行的方式。这会增大设备对绝缘性能的要求，导致设备上游母线进线变压器中性点的偏移[4]，增大对变压器绝缘性能的要求。实际运行过程中，配电柜频繁出现了绝缘报警。

设计上只用一根热电偶反馈整个加热区间的温度，实际情况是管道、设备、阀门的温升不是一致的。这就导致处理机柜收到的温度反馈只代表测点附近的温度，整个加热区间并未达到设定值，但处理机柜却发出停止加热的指令。

2.2.2 现场布置

管道上的电加热丝布置采取平铺的方式，钠阀采取缠绕的方式。而对于容器，则会根据其体积大小采取缠绕或平铺的方式。为保证加热效果，会在管道、设备、阀门上包裹保温材料。但实际施工时由于条件所限，电加热丝的布置方位和保温材料的包裹水平达不到设计要求。另外，在钠管道穿墙处及部分钠阀阀杆处，不仅无法布置电加热丝，也不易包裹保温材料，液态钠极易在此处凝固，造成堵塞。

图2 电加热段控制原理图

2.3 钠系统运行问题

涉钠系统排钠操作后，可以停运电加热系统，但必然有一小部分的钠在温度降下来之后在管道、阀门处凝固。所以系统充钠之前，整个系统的管道、设备、阀门被加热至250℃左右。但仍有以下原因导致管道被堵塞。

由于穿墙处没有电加热丝，凝固在此处的钠，仅靠电加热系统无法将其解冻；

钠阀内部结构复杂，加热时无法将所有部位都加热到设定温度，特别是阀杆处。一旦有钠在这些部位凝固，导致钠阀无法打开；

因加热分布、管道走向、保温层等原因，加热过程是不均匀的。尤其在钠管道转弯处也容易出现液态钠在此聚集，凝固后堵塞管道；

3 运行经验及改进措施

3.1 日常检查与维护

3.1.1 配电间的巡检

电加热系统运行期间出现问题最多的是电气类故障，因此值班期间建立良好的巡检制度非常有必要。

配电间的巡查，至少一班一次；

查看配电柜保护装置显示屏的报警情况；

可以通过电路烧焦的味道，确认调压模块损坏的配电柜；

检查配电柜接线端子是否出现断路的情况；

检查配电间的温度、通风情况。

3.1.2 DCS 电加热界面检查

主控室操纵员在值班期间对所有电加热的系统DCS 画面上的温度测点进行检查。若出现异常测点，即可派人去电气间进行检查，步骤如下：①主控室操纵员确认温度异常的电加热丝编号，查找该电加热丝所在的配电间、配电柜编号、基本工作参数等信息；②现场操作员做好防护后，携带工具去该配电间。找到所属配电柜后。先确认电气接线和调压模块的状态，出现异常及时报告主控室；③用钳形电流表对该加热段进行三相电压和电流的测量，并记录数据；④现场操作员返回主控室将信息反馈给主控室操纵员，然后对照相关文件，判断异常电加热段出现的问题。

测点温度异常还包括热电偶断偶，DCS 画面上显示一个异常的数值。但处理机柜会因异常值远远偏离设定值范围，不会向配电柜发出继电器闭合指令。对于上述问题，及时上报维修部门，使故障区间及时恢复运行。

3.2 钠系统堵塞处理

涉钠系统进行充钠操作时，容易出现管道堵塞的情况。可以根据管道上的流量计和压力仪表读数判断是否堵塞，根据DCS 画面上电加热温度反馈分布情况，大致确认堵塞段位置。然后检查阻塞段管道、阀门上电加热工作情况，一般情况是温度未达到要求，阀门、管道里的钠未完全解冻，造成整个系统钠流量很小。只需等待一段时间后，系统内的液态钠便恢复正常流动。

对于没有布置电加热丝的钠阀，在日常运行中不会完全关死。当其被堵住无法开启时，可以利用高温钠流的冲击和温度将堵塞处的钠解冻。这时可以提高电磁泵出力或提高储钠罐内氩气压力，从而提升充钠流量，加速系统的疏通。为了及时反映温度变化情况，可以派人去现场找到被堵塞的钠阀，用点温计测量阀体温度。每隔一段时间，向主控室报告阀体的温度变化情况，为主控操纵员的疏通操作提供信息。

3.3 电加热系统改进建议

3.3.1 电气及控制系统改进

一是电加热丝的接线方式都采用三相星型接线，避免出现两相接线方式。二是保证配电间的通风系统、配电柜的风扇工作正常。三是与核安全相关的涉钠系统的电加热区间上，应设置多支热电偶，取该区间内加热温度的平均值作为DCS 的控制依据。

3.3.2 监测方式改进

增设电加热系统运行状态监测和报警模块，与核安全相关的电加热系统的调压模块加装故障报警装置，方便运行人员随时掌握电加热区段的工作情况，及时调整电加热系统的运行状态。

3.3.3 数据库系统的建立

一段加热丝会涉及到电加热丝编号、位置、温度测点编号、配电柜房间等信息。可以建立电加热区段的数据库系统，并设计相应搜索功能。一旦电加热区段出现问题，可以使运行人员能快速、准确地找到问题电加热区段的信息，及时采取措施，防止问题扩大。