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摘要：本文介绍了核电站核岛内电伴热系统的应用范围及其特殊性。详细介绍了目前已投运及在建的国内核电站的电伴热系统采取的控制方案，并对各类控制方案进行了对比分析。并在此基础上提出了对今后电伴热系统控制方案设计的改进方向。
关键词：电伴热；温度开关；电控柜；数字温度控制器
中图分类号：TP
核电厂电伴热系统的对象分别布置在核岛及常规岛。常规岛内的电伴热系统主要应用于普通流体的防冻保护，其设计同常规电站设计基本一致；核岛内的电伴热系统由于其环境条件，伴热对象的不同，而有其与常规电站设计的特殊性。本文将就核岛内的电伴热系统进行简要介绍，并着重介绍电伴热系统的控制方案。
1核岛电伴热系统简介及其特殊性
核岛电伴热系统用于提高或维持管道，阀门，储罐（箱等）以及仪表中流体的温度，防止介质结晶。电伴热系统本身不是核安全系统，但它为核安全系统提供伴热保障，以防止流体介质低温结晶，进而影响核电站的正常运行，或不能保证安全功能的有效执行。因此，电伴热的正常运行是核电站安全运行的重要保证。
目前在建和已经投运的核电站中，电伴热的设计过程为：根据工艺需求，统计被伴热的管道数量及设备的工艺参数（管道外径，壁厚，保温层厚度，导热系数，风速，环境温度，温度设定点等），并考虑管道上阀门和支架等设备的热阱效应，将相关热阱折合成一定长度相同管径管道的热损失，根据IEEE Std 515，计算整体管段的热损失，结合不同硼浓度介质的结晶温度，配备相应功率和长度的伴热缆。当介质温度低于设定值时，通过成熟的控制方案及相关控制设备，使伴热缆自动启动加热。整个伴热系统的运行状态可以在主控室或专门的辅控设备上得到实时监视。合理设计电伴热系统有助于提高电站安装，调试效率，减轻电站维修及运行人员工作压力，提高伴热相关系统的运行可靠性。
与普通电站或常规岛相比，核岛电伴热系统具有以下特殊性：
1.1伴热对象。压水堆核电站以含硼水作为冷却剂和慢化剂，随着硼水中硼浓度的升高，硼水易出现结晶现象。硼结晶温度与硼浓度的对应关系，见图1。硼结晶后无法通过再加热使硼酸溶解，核电厂出现过由于硼结晶造成泵，管道及仪表报废的情况。需要考虑硼酸电伴热的系统包括：安全注入系统、反应堆硼和水补给系统、安全壳喷淋系统、硼回收系统、固体和液体废物处理系统等。
图1结晶曲线图
1.2环境条件。电伴热所需的设备，如伴热缆、测温元件、控制设备等，均需考虑厂房内辐射的影响。由于压水堆核电站的硼酸溶液是作为冷却剂使用，因此，被伴热的很多管道都布置在放射区内。其辐照剂量多在0.01mSv/h到100mSv/h不等，甚至个别区域超过100mSv/h。因此对伴热系统的测量设备、伴热设备都有耐辐照要求。
1.3寿命要求。伴热缆和测温元件都是紧贴管壁，埋在管道的保温层内，因此给后续更换带来很大工作量。为了尽量减少维修人员的辐照剂量，伴热设备需要较长寿命和高可靠性。目前国内投运及在建的核电站，均要求电伴热的主要设备寿命不低于20年的要求（电站设计寿命40年或60年）。
1.4冗余设计。M310型核电站为保证硼酸伴热系统能够稳定运行，硼酸伴热系统为冗余设计，分为正常回路和备用回路，正常和备用回路的温度差约为5℃左右，其运行要求详见图2所示的温度控制范围。正常和备用回路选用隔离的应急电源（带有应急柴油机的电源系统）分别供电。
图2冗余设计的温度控制范围
2核岛电伴热系统控制方案简介
电伴热系统的控制方案分为检测、控制和显示（报警）三部分。目前已有的核岛电伴热控制方案有如下几种：
2.1温度开关控制。温度开关是机械式的自动控温设备，在电伴热的设计中，当某个管段的温度低于温度开关的低设定点时，测量该管段的温度开关触点闭合，送出无源信号，加热电路盘中相应的继电器带电，可使得对应该管段的伴热缆供电回路导通，管段因此得到电伴热，当温度达到高设定点时，温度开关触点打开，电伴热暂停。其伴热控制方案详见图3。
该方案采用热电偶作为检测元件，每管段两支热电偶，一支用于远传温度信号至主控室显示和报警，另一支用于将温度信号送到就近的温度显示箱（包含多个管路的温度信号），方便检修人员就地的监测。热电偶信号本身不参与电伴热的控制。
目前已经投运的大亚湾、岭澳一期、岭澳二期、秦山二期，以及在建的福清一期，方家山等M310型核电站，均采用此种伴热控制方案。
图3温度开关控制方案原理图
优点：（1）单个回路分散控制，各回路之间的影响较小。（2）温度开关采用机械原理，控制简单，且不需要供电。
缺点：（1）根据秦山二期核电站反馈，温度开关的温包易产生泄漏。（2）温度开关的设定点不易调节，设定点及回差需要逐台现场标定，工作量大。且随着运行时间加长产生不同程度的定值漂移。（3）设备采购困难。目前国内生产的温度开关在实际使用中并不理想。国外设备价格昂贵，供货周期长，且对解决现场问题，后期调试以及后续维修都存在一定困难。
2.2PLC控制
PLC技术在现代工业中应用相对普遍，且技术成熟度也较高。该伴热设计方案采用热电偶测温，将温度信号传送至PLC控制站完成扫描、数据整定、模/数转换、线性化、热电偶冷端补偿、过程点质量判断的功能。正常回路用双支热电偶测温，一支送PLC控制站用于显示当前温度并通过阈值比较产生启停伴热元件的信号，另一支热备。备用回路同理。
目前已经投运的秦山二期扩建项目，以及在建的海南项目等M310型核电站，采用此种伴热控制方案。控制原理详见图4。
图4PLC控制方案原理图
优点：（1）该方案集中显示，操作员站可对整个伴热系统的状态进行监视和记录。信息更直观。易于整体调试。（2）避免了温度开关的泄漏、漂移、调校和维修的若干问题。（3）盘箱柜及电缆的数量较温度开关方案少了很多。节省了成本。
缺点：（1）该方案采用集中控制，对PLC稳定性要求高，存在软件失效的风险。增大了EMC带来的风险。一旦交换机或PLC机柜失效，将会造成大量管道失去伴热，给电站运行带来一定潜在风险。（2）各回路之间产生共模故障的几率较温度开关方案偏大。（3）就地没有可视化显示、报警，只能在操作员站实现，给后续检修带来一定难度。（4）交换机、PLC机柜、以及操作员站，集中布置在辅控室，给原本紧凑的核岛布置带来困难。
2.3自控温伴热带及电控柜控制方案
该方案为目前在建的三门项目（AP1000堆型）拟采的伴热控制方案。其主要伴热对象为防冻的水管线和一些房间。由于不涉及核安全相关的管线的伴热，因此没有设置冗余的回路。同时其管道大多在非辐照区域内，因此应用了部分自控温伴热带。这些都与上述M310的方案有所不同。
自控温伴热带的控制方案为：采用热电阻测温，电控柜完成热电偶信号采集、启停伴热缆信号输出、就地报警、指示、回路循检、送出报警信号等功能。电控柜同时还集成了M310中配电盘和加热电路盘的功能，该控制方案原理详见图5。
图5电控柜控制方案原理图
优点：（1）系统结构简化，减少了大量盘柜设计，避免了温度开关方案中所列的各项设备问题，简化了安装和调试工作。
缺点：（1）存在软件失效的风险，包括EMC带来的风险。（2）在项目实施过程中还应考虑自控温伴热带的寿命问题。（3）电控柜在行业中应用非常少，其稳定性值得进一步考证。且三门项目尚未投运，目前暂无该方案的使用经验反馈。
关键词：电伴热；温度开关；电控柜；数字温度控制器
中图分类号：TP
核电厂电伴热系统的对象分别布置在核岛及常规岛。常规岛内的电伴热系统主要应用于普通流体的防冻保护，其设计同常规电站设计基本一致；核岛内的电伴热系统由于其环境条件，伴热对象的不同，而有其与常规电站设计的特殊性。本文将就核岛内的电伴热系统进行简要介绍，并着重介绍电伴热系统的控制方案。
1核岛电伴热系统简介及其特殊性
核岛电伴热系统用于提高或维持管道，阀门，储罐（箱等）以及仪表中流体的温度，防止介质结晶。电伴热系统本身不是核安全系统，但它为核安全系统提供伴热保障，以防止流体介质低温结晶，进而影响核电站的正常运行，或不能保证安全功能的有效执行。因此，电伴热的正常运行是核电站安全运行的重要保证。
目前在建和已经投运的核电站中，电伴热的设计过程为：根据工艺需求，统计被伴热的管道数量及设备的工艺参数（管道外径，壁厚，保温层厚度，导热系数，风速，环境温度，温度设定点等），并考虑管道上阀门和支架等设备的热阱效应，将相关热阱折合成一定长度相同管径管道的热损失，根据IEEE Std 515，计算整体管段的热损失，结合不同硼浓度介质的结晶温度，配备相应功率和长度的伴热缆。当介质温度低于设定值时，通过成熟的控制方案及相关控制设备，使伴热缆自动启动加热。整个伴热系统的运行状态可以在主控室或专门的辅控设备上得到实时监视。合理设计电伴热系统有助于提高电站安装，调试效率，减轻电站维修及运行人员工作压力，提高伴热相关系统的运行可靠性。
与普通电站或常规岛相比，核岛电伴热系统具有以下特殊性：
1.1伴热对象。压水堆核电站以含硼水作为冷却剂和慢化剂，随着硼水中硼浓度的升高，硼水易出现结晶现象。硼结晶温度与硼浓度的对应关系，见图1。硼结晶后无法通过再加热使硼酸溶解，核电厂出现过由于硼结晶造成泵，管道及仪表报废的情况。需要考虑硼酸电伴热的系统包括：安全注入系统、反应堆硼和水补给系统、安全壳喷淋系统、硼回收系统、固体和液体废物处理系统等。
图1结晶曲线图
1.2环境条件。电伴热所需的设备，如伴热缆、测温元件、控制设备等，均需考虑厂房内辐射的影响。由于压水堆核电站的硼酸溶液是作为冷却剂使用，因此，被伴热的很多管道都布置在放射区内。其辐照剂量多在0.01mSv/h到100mSv/h不等，甚至个别区域超过100mSv/h。因此对伴热系统的测量设备、伴热设备都有耐辐照要求。
1.3寿命要求。伴热缆和测温元件都是紧贴管壁，埋在管道的保温层内，因此给后续更换带来很大工作量。为了尽量减少维修人员的辐照剂量，伴热设备需要较长寿命和高可靠性。目前国内投运及在建的核电站，均要求电伴热的主要设备寿命不低于20年的要求（电站设计寿命40年或60年）。
1.4冗余设计。M310型核电站为保证硼酸伴热系统能够稳定运行，硼酸伴热系统为冗余设计，分为正常回路和备用回路，正常和备用回路的温度差约为5℃左右，其运行要求详见图2所示的温度控制范围。正常和备用回路选用隔离的应急电源（带有应急柴油机的电源系统）分别供电。
图2冗余设计的温度控制范围
2核岛电伴热系统控制方案简介
电伴热系统的控制方案分为检测、控制和显示（报警）三部分。目前已有的核岛电伴热控制方案有如下几种：
2.1温度开关控制。温度开关是机械式的自动控温设备，在电伴热的设计中，当某个管段的温度低于温度开关的低设定点时，测量该管段的温度开关触点闭合，送出无源信号，加热电路盘中相应的继电器带电，可使得对应该管段的伴热缆供电回路导通，管段因此得到电伴热，当温度达到高设定点时，温度开关触点打开，电伴热暂停。其伴热控制方案详见图3。
该方案采用热电偶作为检测元件，每管段两支热电偶，一支用于远传温度信号至主控室显示和报警，另一支用于将温度信号送到就近的温度显示箱（包含多个管路的温度信号），方便检修人员就地的监测。热电偶信号本身不参与电伴热的控制。
目前已经投运的大亚湾、岭澳一期、岭澳二期、秦山二期，以及在建的福清一期，方家山等M310型核电站，均采用此种伴热控制方案。
图3温度开关控制方案原理图
优点：（1）单个回路分散控制，各回路之间的影响较小。（2）温度开关采用机械原理，控制简单，且不需要供电。
缺点：（1）根据秦山二期核电站反馈，温度开关的温包易产生泄漏。（2）温度开关的设定点不易调节，设定点及回差需要逐台现场标定，工作量大。且随着运行时间加长产生不同程度的定值漂移。（3）设备采购困难。目前国内生产的温度开关在实际使用中并不理想。国外设备价格昂贵，供货周期长，且对解决现场问题，后期调试以及后续维修都存在一定困难。
2.2PLC控制
PLC技术在现代工业中应用相对普遍，且技术成熟度也较高。该伴热设计方案采用热电偶测温，将温度信号传送至PLC控制站完成扫描、数据整定、模/数转换、线性化、热电偶冷端补偿、过程点质量判断的功能。正常回路用双支热电偶测温，一支送PLC控制站用于显示当前温度并通过阈值比较产生启停伴热元件的信号，另一支热备。备用回路同理。
目前已经投运的秦山二期扩建项目，以及在建的海南项目等M310型核电站，采用此种伴热控制方案。控制原理详见图4。
图4PLC控制方案原理图
优点：（1）该方案集中显示，操作员站可对整个伴热系统的状态进行监视和记录。信息更直观。易于整体调试。（2）避免了温度开关的泄漏、漂移、调校和维修的若干问题。（3）盘箱柜及电缆的数量较温度开关方案少了很多。节省了成本。
缺点：（1）该方案采用集中控制，对PLC稳定性要求高，存在软件失效的风险。增大了EMC带来的风险。一旦交换机或PLC机柜失效，将会造成大量管道失去伴热，给电站运行带来一定潜在风险。（2）各回路之间产生共模故障的几率较温度开关方案偏大。（3）就地没有可视化显示、报警，只能在操作员站实现，给后续检修带来一定难度。（4）交换机、PLC机柜、以及操作员站，集中布置在辅控室，给原本紧凑的核岛布置带来困难。
2.3自控温伴热带及电控柜控制方案
该方案为目前在建的三门项目（AP1000堆型）拟采的伴热控制方案。其主要伴热对象为防冻的水管线和一些房间。由于不涉及核安全相关的管线的伴热，因此没有设置冗余的回路。同时其管道大多在非辐照区域内，因此应用了部分自控温伴热带。这些都与上述M310的方案有所不同。
自控温伴热带的控制方案为：采用热电阻测温，电控柜完成热电偶信号采集、启停伴热缆信号输出、就地报警、指示、回路循检、送出报警信号等功能。电控柜同时还集成了M310中配电盘和加热电路盘的功能，该控制方案原理详见图5。
图5电控柜控制方案原理图
优点：（1）系统结构简化，减少了大量盘柜设计，避免了温度开关方案中所列的各项设备问题，简化了安装和调试工作。
缺点：（1）存在软件失效的风险，包括EMC带来的风险。（2）在项目实施过程中还应考虑自控温伴热带的寿命问题。（3）电控柜在行业中应用非常少，其稳定性值得进一步考证。且三门项目尚未投运，目前暂无该方案的使用经验反馈。