黃奇峰

（中國(guó)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(hào)機(jī)組高濃度硼酸水箱加熱采用套管式加熱器方案，每個(gè)水箱配4個(gè)加熱器安裝套管，其中2個(gè)套管安裝功率70 kW的啟動(dòng)電加熱器AH001，另外2個(gè)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(jìn)行加熱（圖1）。電加熱器設(shè)計(jì)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(hào)機(jī)組調(diào)試階段，對(duì)高濃度硼酸水箱進(jìn)行加熱，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電加熱器工作異常，檢查發(fā)現(xiàn)2個(gè)水箱的啟動(dòng)電加熱器AH001（70 kW）均有不同程度的燒損情況，個(gè)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(jìn)行改進(jìn)。

1 電加熱器的設(shè)計(jì)配置

在VVER-1000型核電機(jī)組中，有2個(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)并向一回路注入硼酸時(shí)對(duì)壓力容器金屬脆性強(qiáng)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(guò)程中存在缺陷，導(dǎo)致加熱器在運(yùn)行過(guò)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(guò)靜止空氣導(dǎo)熱，傳熱效果差，導(dǎo)致加熱元件表面溫度過(guò)高，造成包殼材料燒毀，金屬管包殼材料不能滿足設(shè)計(jì)要求。③該加熱器的超溫保護(hù)通過(guò)內(nèi)部設(shè)置的溫度開關(guān)實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際運(yùn)行中溫度開關(guān)沒(méi)有起到超溫?cái)嚯姷淖饔茫虼瞬讳P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(huì)出現(xiàn)個(gè)別擊穿點(diǎn)，不可能出現(xiàn)大面積熔融現(xiàn)象）。

為進(jìn)一步探究及證實(shí)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(gè)0.7 m×0.7 m×2 m的水箱進(jìn)行不同功率輸出的試驗(yàn)測(cè)試，并用熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)，套管內(nèi)壁的表面負(fù)荷為9.04 W/cm2，此時(shí)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(shí)，套管內(nèi)壁的表面負(fù)荷為6.85 W/cm2，此時(shí)加熱元件表面平均溫度652℃，加熱器能穩(wěn)定運(yùn)行。

經(jīng)查詢機(jī)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(shí)，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(yàn)情況及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以判定，啟動(dòng)電電加熱器AH001燒毀的主要原因是加熱元件表面溫度過(guò)高。

3 電加熱器改進(jìn)方案

3.1 更換耐溫等級(jí)更高的包殼材料

電加熱管包殼材料由原來(lái)的奧氏體不銹鋼改為耐溫等級(jí)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(qiáng)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(dá)850℃，當(dāng)加熱介質(zhì)為靜止空氣時(shí)，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(yùn)行，并且有利于延長(zhǎng)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(jì)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(jìn)方案采用氧化鎂作為導(dǎo)熱介質(zhì)，在現(xiàn)場(chǎng)用填料機(jī)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(qiáng)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(shí)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(yùn)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(jìn)方案增加了溫度控制裝置。

每個(gè)電加熱器元件表面安裝5個(gè)K型熱電偶，采集電加熱管包殼的溫度信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)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(hào)，經(jīng)運(yùn)算后根據(jù)升溫速率輸出（4～20）mA信號(hào)到可控硅（SCR）元件，自動(dòng)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(gè)熱電偶用于加熱元件的高溫保護(hù)功能，采集的溫度信號(hào)到控制柜溫控儀（ST2），由控制柜實(shí)現(xiàn)加熱器超溫保護(hù)連鎖，溫度設(shè)定值在ST2上給定。

溫度控制裝置還可以實(shí)現(xiàn)加熱器自動(dòng)軟啟動(dòng)，提高系統(tǒng)可靠性。投用電加熱器時(shí)，軟啟動(dòng)控制柜受電啟動(dòng)，通過(guò)可控硅及溫度控制器，將加熱元件緩慢升溫，通過(guò)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(zhǎng)加熱器的使用壽命，確保加熱器穩(wěn)定運(yùn)行。電加熱器控制裝置見圖2。正常運(yùn)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(guò)理論計(jì)算及樣件試驗(yàn)表明，單套電加熱器功率70 kW的情況下加熱元件溫度過(guò)高，不能長(zhǎng)期安全運(yùn)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(yàn)驗(yàn)證及理論計(jì)算，將功率由70 kW降低到≤54 kW即可滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求，實(shí)際按50 kW實(shí)施。

另外，為了滿足運(yùn)行過(guò)程中高濃度硼酸水箱溫度從室溫升至75℃的過(guò)程不超過(guò)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(jìn)方案將啟動(dòng)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(chǎng)的4個(gè)套管將安裝4臺(tái)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(shí)增加AH003的控制邏輯。

4 改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)后的電加熱器在3號(hào)機(jī)組完成安裝后，對(duì)2臺(tái)高濃度硼酸水箱分別進(jìn)行加熱試驗(yàn)，初始階段啟動(dòng)AH001/002/003電加熱器同時(shí)進(jìn)行加熱，水箱溫度到達(dá)75℃時(shí)，加熱時(shí)間及速率均滿足要求；通過(guò)AH002的自動(dòng)啟停可維持水箱溫度在（70～75）℃。水箱加熱試驗(yàn)過(guò)程中溫度上升平穩(wěn)，熱電偶監(jiān)測(cè)的加熱元件表面溫度顯示＜700℃，加熱效率較改進(jìn)前有了較大的提高，控制邏輯驗(yàn)證正確。整個(gè)加熱過(guò)程滿足設(shè)計(jì)要求，電加熱器工作穩(wěn)定正常。

根據(jù)3號(hào)機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)反饋，4號(hào)機(jī)組的濃硼酸水箱電加熱器也一并進(jìn)行改造，經(jīng)驗(yàn)證，加熱器運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(jìn)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(jī)功率，以確保電加熱器的可靠運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)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(zhǎng)期運(yùn)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(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。改進(jìn)后電加熱器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為同類型核電機(jī)組及類似電加熱器提供重要的經(jīng)驗(yàn)反饋及參考。