中核核电运行管理有限公司 浙江海盐 314300
摘要：本文主要阐述了某核电厂辅助电锅炉的型号、原理及主要的转速控制方式、电导率控制方式、水位控制方式，在原有的蒸汽不能满足用户需求的情况下提供辅助蒸汽。该核电厂辅助锅炉系统采用HVJ型高电压电极射流式电锅炉，它具有零负荷到满负荷之间的无极调节，响应速度快，自动化程度高，安全可靠性强等优点。本文同时还对现有的运行情况进行了收集及分析，提出了一些合理性的建议。
关键词：高电压电极式；电锅炉；锅炉控制方式；缺陷；建议
1.辅助电锅炉的类型
1.1辅助电锅炉工作原理
该核电厂辅助电锅炉是由美国“PRECISION（精工）”生产的HVJ444-C210高电压电极型蒸汽锅炉。
图1：HVJ高电压电极蒸汽锅炉示意图[1]
HVJ型锅炉为高电压射流式，水由内置的循环泵，从锅炉的下方送至中心集水箱，靠重力和循环泵提供的压力从中心集水箱的喷嘴流出并冲击电极，从而形成电流通路。水在高电压的作用下作为导体产生热量而瞬间蒸发，未蒸发的那部分水从电极流至反电极时，又形成了第二电流通路。高压电直接与电极端子相连，当电导率在最大额定值的时候，约有3%的水被蒸发。锅炉的出力调节只要是通过变频循环泵的转速来实现的。循环泵的转速取决于锅炉的压力和负荷控制系统。从而使蒸汽压力保持恒定或使功率消耗量限制在可调节范围。
锅炉出力可在零负荷与满负荷之间无级调节，而且有比较迅速的变化速率，因此可以满足用户的需求变化。从零功率到满功率需要约5秒钟。其性能特点有：
（1）投资成本低；（2）效率高：100%输出时为 99.5%，且不会随着时间而衰，不需做性能评估或试验；（3）占地面积小；（4）备品备件少；（5）维护费用低；（6）启动速度快、对负荷变动的反应快；（7）可靠性高（负荷从 0 到 100%只要 5 秒）；（8）输出 0-100%全程可调（9）水处理要求低；（10）蒸汽品质高（纯度达 99.95%）；（11）误操作宽容度大；（12）没有低水位危险；（13）没有整机失效的可能（如火焰侧爆炸）；（14）环保性能好，没有烟气排放；（15）没有“冷水”冲击损坏的可能
1.3辅助电锅炉的供电方式
辅助电锅炉的供电电压[2]为13.8kV，通过一个6.6kV/13.8kV升压变压器供电。6.6kV电源由电厂的辅助变压器（220kV/6.6kV）提供。高压侧接线方式如下：
图2：典型的高电压接线原理图
2辅助电锅炉的启动与停止
2.1锅炉的启动 [3]
辅助电锅炉的常用启动方式主要分为两类：冷启动与热启动
（1）热启动是指锅炉在热态状态下启动，锅炉热态是指锅炉压力达到350KPa以上，温度大于110℃。热态启动操作（在线完成）只需要一键启动就可以完成操作，在15分钟之内锅炉压力达到1.2MPa，温度达到188℃。若需要更快的速度达到目标值可以手动启动，但是电功率变化不能超过7MW/min。
（2）冷启动是指锅炉压力和温度都在常温常压下，锅炉的可以直接接通高压电，手动控制循环泵转速给锅炉内部升温加压。当压力到达热态压力350KPa时可以转为自动启动。第二种升压方式是通过压缩空气使锅炉内压力达到350KPa。然后通过自动程序启动。
2.2锅炉的停止
典型的停机如下：关闭蒸汽出口背压控制阀（001VV、002VV），最终把蒸汽需求降为零，（或者通过关关闭蒸汽管道上的手动阀门（010VV、013VV），将蒸汽需求量逐渐减为0）；循环泵转速降为0%；循环泵（004PO或005PO、006PO或007PO）切换到“OFF”位置；断路器控制开关（021CC、022CC）将高压断路器断开；触摸屏关闭化学加药泵（010PO），电解质加药泵（009PO、008PO）和锅炉给水泵（001PO，002PO、003PO），关闭排污电磁阀（065/075VL）；自动给水控制阀（001VL、002VL）已关闭（以防过量的水注入锅炉）此阀应是自动关闭的。
3辅助电锅炉的主要控制
3.1 输出控制
锅炉的出力是由锅炉内置循环泵的转速控制的，转速越快集水盘中水的流量越大，流到电极板上的水越多。电极板上能蒸发的水量是固定值约是3%水转化为蒸汽，所以提高给水量可以提高蒸汽的产生量。下图为锅炉出力与循环泵的转速关系曲线。
图3：锅炉出力与循环泵的转速关系曲线
（注：图表横坐标为循环泵转速，左坐标为锅炉电导率，右坐标为锅炉出力）
每台锅炉有两个循环泵，分别在锅炉对称的两侧，上图的两个曲线一个为2台循环泵同时运行，一个为一台循环泵运行。根据曲线我们可以看出锅炉的输出和循环泵的转速之间基本成一个正比曲线，在频率达到1200r/min的时候锅炉的出力接近最大值24MW。循环泵转速达到450r/min之前炉水无法从集水管中喷射到电极板上。这个设定是为了在调解电导率的时候，能使炉水的电导率在泵的搅拌下更加均匀。
通过2条曲线对比可以看出一台循环泵和两台循环泵之间输出相差很大，无法满足输出要求，所以在控制设计中设置了若一台循环泵因故障停运，第二台循环泵将在10秒钟后随之停运。这样是对循环泵的保护原则，锅炉的出力是跟踪用户的需求，而循环泵是对应输出去调整循环泵转速，当需要输出超过65%时单台泵转速达到额定值最大值，当输出再提高时循环泵会超速而损坏电机。
3.2 电导率控制
图4：锅炉出力与炉水电导率的关系
水的电导率对锅炉运行非常重要，补水里的任何盐份都会加到炉水里（除非补水是完全除盐水），留在锅炉里，因为蒸汽里盐份的携芾是可忽略的。为了消除这一电导率的增加趋势，一台电导率分析仪（001MR、002MR）能自动测定水的电导率，如果太高，就发信号给自动排污阀（065VL、075VL）使少量高电导率的水从锅炉排出去，随后这部分水由低电导率的补水来补充。相反，当电导率过低，则电导率控制回路会启动电解质加药泵（009PO、008PO）来加入电解质提高炉水的电导率。
3.3 水位控制
电锅炉的补水主要来自于除盐水系统，先经过除氧器，由给水泵通过水位自动控制阀进入锅炉。锅炉的给水由自动控制阀控制。正常水位在45-55CM水位。若给水控制失去控制。锅炉有自己高水位与低水位保护。锅炉的低水位保护主要是为了保护循环泵，当水位达到32cm时循环泵自动停运。锅炉水位高会淹没电极，使电极之间短路。这个是锅炉使用中最大的风险。所以在锅炉水位达到65CM的时候，锅炉会自动跳开高压电，使电极失电避免被击穿。除氧器的压力过高也会导致锅炉的循环泵停运，原因是是在于压力过高会使水在进入给水泵的时候发生闪蒸，蒸汽会对管道造成冲击。
3.4 给水泵控制
给水泵（001PO /002PO /003PO）般都在自动模式下运行，也可以由操作员在控制柜上切换到手动运行模式。当所有逻辑条件全满足时，1号、2号给水泵（001 PO /002PO）梅连续运行。为了让适量的水进入锅炉，控制阀（001VL、002VL）会按所需的比例打开。如果存在低压情况（两台给水泵不能满足给水要求），那么第三台给水泵会自动投入运行，以提供所需的压力。
三台给水泵（001PO /002PO /003PO）之间将每隔100个累计运行小时后自动切换。
3.5 除氧器控制
除氧器（XCA001DZ）般都在自动模式下运行，除氧器储水容器里的水位由差压水位变送器（003MN）进行测量，然后由水位控制器进行控制，控制器再控制水位控制阀（001VD）。除氧器储水容器里的压力通过压力控制器控制，控制器根据来自于压力变送器（003MP）的输入信号来控制压力控制阀（003VV）。水位控制阀（001VD）和压力控制阀（003VV）可以由操作员在控制柜上执行自动运行模式。水位控制和压力控制可以通过人机界面进行操作。
4辅助电锅炉缺陷和处理建议
4.1液位计
电锅炉的两个液位计现场无法准确读取液位，且液位计非磁翻板式液位计，较难看清液位。在PLC断电的情况下，只能通过现场可视液位计看到液位，然而该液位计量程较窄，在执行锅炉排空等操作下，当水位排到量程以下后，锅炉内还有很多水，此时水位无法检测。如图所示：
图5：锅炉水位计现场指示
建议：更换磁翻板式液位计，同时增加就地液位计的量程。
4.2 0XCA001VV关不严（以1号锅炉为例）
当汽水分离器检修完毕、解除隔离后，由于气动阀0XCA001VV关闭不严，锅炉热备用时，汽水分离器内温度压力将与SVA管道内的气体温度压力一致。解除隔离时，由于汽水分离器温度较低，如果隔离阀0XCA012VV开启过快，将大量高温高压蒸汽（188℃，1150kPa）通入汽水分离器内，就会在管道和附件上产生很大的热应力，这时若膨胀又受到阻力的话将造成汽水分离器破坏。蒸汽进入冷管道时，还会产生凝结水，如果凝结水不能及时通畅地排出，将会造成强烈的水击现象而使汽水分离器损坏。因此，在解除隔离时，应进行暖管。
建议：解除隔离单上增加建议指令。在开启0XCA012VV之前，保持0XCA131VL、0XCA133VL微开，然后缓慢开启0XCA012VV，当听到蒸汽流声音后停止开启，持续观察0XCA008LP。当0XCA008LP压力指示到1100kPa后，关闭0XCA131VL、0XCA133VL，最后全开0XCA012VV。
4.3 电锅炉电导率骤升导致断路器跳闸[4]
在该核电厂调试、机组启动以前，发生过数次因电导率高而锅炉停运的事故，通过电气检修人员检查电导表接线，问题还是未解决。之后对锅炉电导表回路进行清洗，最后的方法是对锅炉底部进行清洗排污，消除可能是底部磷酸盐锅炉水垢沉积物导致偶发性电导率骤升。
建议：将电导率高断路器跳闸的逻辑改为延迟30秒跳闸，且定期对锅炉电导表回路和锅炉底部进行清洗。
4.4 变频循环泵支撑
电厂每台电锅炉所使用的变频循环泵为水平布置，它是依靠电机联轴器处的法兰与锅炉本体连接。如图所示，由于缺少支撑，随着运行时间的增加，循环泵的振动会造成轴封漏水，影响循环泵的使用寿命，增加了锅炉运行的危险性。
图6：锅炉循环泵现场照片
建议：在每台电锅炉的两台循环泵下方增加基座，并通过支撑座架将循环泵支撑起来并固定，将循环泵的重力传递给基座，减少法兰面的受力，从而提高了循环泵的可靠性。
4.5 三台给水泵的隔离
锅炉三台给水泵电源均来自于锅炉除氧器电控箱，如果一台泵需要隔离，则需要把整个004AR箱的电源（011CC）断开，为了保持给水泵的可用性，在未变更前，电厂采取的措施是先把004AR箱的电源（011CC）断开，然后把对应需隔离给水泵的保险拔掉，做一个临时变更，最后重新对004AR送电。这项工作执行中需要检修人员配合，增加了工作的复杂性。
目前电厂已经执行了变更改造，在004AR下游对应每台给水泵增加隔离开关，使其能够单独控制每台给水泵，增加了锅炉运行的灵活性，提高了工作效率，同时也增加了设备的可靠性。
5结论
本文通过对某核电厂辅助电锅炉的原理及控制分析可知，选择该类型的电锅炉是经过充分考虑及论证的，安全系数高，操作简便，运行稳定，能够快速跟踪用户符合需求，同时本文还对该电锅炉目前存在的问题进行了分析，给出了合理的建议，能够充分保障该核电厂的长远运行。
参考文献
[1] 美国“精工” — HVJ 高电压电极式蒸汽锅炉-技术培训，实力国际公司
[2] 中国核电工程有限公司，XCA辅助蒸汽生产系统系统手册
[3] S0XCA001辅助蒸汽生产系统运行规程，中核运行管理有限公司
[4] 中国核电工程有限公司，XCA辅助蒸汽生产系统报警规程
论文作者:丁言锋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/29
标签：锅炉论文; 电锅炉论文; 循环泵论文; 电导率论文; 水位论文; 蒸汽论文; 电极论文; 《建筑学研究前沿》2018年第3期论文;