核电厂热交换器污垢及污垢管理的对策

孙玉

（三门核电有限公司，浙江三门317112）

核电厂热交换器污垢及污垢管理的对策

孙玉

（三门核电有限公司，浙江三门317112）

分析国内外核电厂热交换器因结垢问题出现的事故，论述热交换器污垢的类型以及污垢热阻对热交换器传热性能的影响。从化学控制预防、运行温度和流速等运行参数的选择、设备性能的监测，以及污垢清洗策略的选择等，提出应对措施。

热交换器；污垢及类型；传热性能；对策

0 前言

热交换器是核电厂热力系统中的重要设备，主要功能是实现热量的交换和传递。但是热交换器在运行过程中，随运行时间的增加，传热面污垢会越来越多，不仅会额外增加热量传递的阻力，使热交换器传热性能降低，还会影响电厂运行的经济性。如果热交换器的热量导出涉及到安全等相关系统功能时，则会影响到电厂的核安全。例如，1980年9月3日，美国阿肯色州一期工程2＃机组的安全壳冷却组件，由于蚌、蛤等海生物结垢堵塞，致使厂用水的流量达不到技术规格书的要求，结果致使核电厂关停[1]。2003年9月27日，美国Palo Verde Nuclear Generating Station（PVNGS）的2＃机组中央冷却水B组热交换器，由于换热系数降低到1354.7 W/m2℃的允许值以下78 d后，致使该热交换器停用，调查显示的事故原因是喷淋池系统化学控制不佳，导致热交换器降质严重到设备失效。2005年3月21日，美国BROWN FERRY NUCLEAR PLANT（BFN）2＃机组的余热排出系统换热器的厂用水侧出现放射性物质，事故的根本原因为原水腐蚀了热交换器的软铁垫片，致使冷却剂向厂用水侧泄漏。因此，热交换器的结垢问题一直以来为核电行业所关注，已构成威胁电厂设备安全稳定运行的主要问题之一，也给核电厂带来了极大损失。为此，从热交换器的污垢形成出发，论述运行核电厂热交换器的污垢、污垢热阻对热交换器传热性能的影响，并提出核电厂运行阶段对热交换器污垢的监测和管理对策，期望对运行核电站热交换器的管理提供参考。

1 污垢、污垢热阻对热交换器的影响

1.1 污垢

污垢为热交换器表面上非预想材料的累积，这些材料会阻止热量的传递，研究表明，即使0.015 mm厚的碳酸污垢，也会使设备的总体传热系数降低约50%[2]，同时污垢也会减少冷却流体流动和增加流体流动的压差（DP）。通常根据热交换器污垢的特征和成因，核电厂污垢一般分为4种类型。

（1）沉淀污垢，为溶解性物质沉淀在热交换器表面形成的污垢。相对正常的溶解度，一些溶解性物质与温度成反比关系，例如，在某些热交换器冷却水出口的高温区域存在大量的碳酸钙（CaCO3）沉淀物。

（2）颗粒污垢，是流体介质中一些细小的悬浮颗粒因重力沉积在热交换器表面形成的污垢，例如，泥沙。通常发生在较低流速的通道处，而在较高流速的传热管内部则不会发生。

（3）腐蚀污垢，是热交换器表面自身反应产生的腐蚀产物，这些腐蚀产物促使其他污垢物的依附，例如，传热管表面的铁锈。

（4）生物污垢，是宏观有机物（宏观生物污垢）或微观有机物（微观生物污垢）依附在热交换器表面形成的污垢。例如，依附在热交换器表面的蛤或其他水生物，这些统称为宏观污垢；依附在热交换器表面的微生物、细菌及其产物，这些统称为微观污垢。

1.2 污垢热阻对热交换器传热性能的影响

热阻为传热系数的倒数，即R＝1/K。当换热面积上有了污垢，则会改变总体换热系数，这时总体传热热阻为R＝（1/K）+Rf，将Rf定义为污垢热阻，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构，以及运行时间等因素有关。因此，在实际工程技术应用中，对污垢热阻的控制至关重要。

从核电厂出现的若干热交换器失效案例来看，污垢对电站热交换器的安全运行带来了很大的危害，虽然电厂设备设计、制造阶段已经考虑并留有一定的传热裕量来容纳污垢热阻的增加，但不可否认随着设备的运行，热交换器传热性能的下降是不可避免的。一是由于传热管破损，堵管增多，导致传热面积减少，热性能下降；二是由于传热面上污垢的形成和堆积，致使流道通过介质的流量逐渐下降、热阻增大、传热效率不断降低，设备的传热能力下降。既会导致热交换器的传热性能恶化，也影响了设备预定功能的完成。

2 核电厂热交换器污垢管理的对策

2.1 预防为主，从源头上减少污垢的产生

（1）开发有效的化学控制大纲，从源头上减少系统设备的腐蚀，尽可能地减少因化学杂质的出现、腐蚀产物的产生、转移而导致的热交换器污垢。海水接触的热交换器，首先在电厂设计和设备安装阶段，从热交换器进出口流体的管材选择上入手，采用管道内壁防污涂层、碳钢衬塑、碳钢衬胶、高密度聚乙烯（HDPE）及双相不锈钢等防腐管道材料；其次在与海水直接的系统配置固定式拦污栅、旋转滤网、二次滤网和反冲洗过滤装置等，尽可能的避免或减少将泥沙、浮游物质、鱼类、蛤类和其他水生物引入到热交换器中；第三是定期投放次氯酸钠杀菌剂，抑制微生物的生长，减少生物污垢的产生量。例如，闭式系统的热交换器，可通过控制、定期取样来监测系统回路的PH限值、溶解氧含量、联氨含量，以及添加缓蚀剂的方法来预防、减少腐蚀污垢的产生。

（2）合理选择热交换器的运行参数，运行参数特别是温度和流速对污垢的生成影响较大。一是温度能够影响某些盐类污垢和化学反应污垢的生成速率，因此在满足工艺条件的前提下，可以通过降低传热面的温度来减少污垢的生成；二是改变流体的流速，因为较高的流速有助于减少任何形式的污垢，在满足系统要求的条件下，可通过增加换热管中的流速来增大流体的湍流和流体对壁面的剪切力，从而通过增加对污垢的剥蚀力来降低污垢的生产速率。但是在实际生产中，也不能无限的增加流速，因为增加流速一方面会增加泵的功耗，同时较高的流速也会成为传热管入口端腐蚀的主要原因。因此，核电厂在增加介质流速的过程中，要将流速限定在一定范围内，不能无限制的增加[3]（表1）。

2.2 加强性能监测，及早发现结垢征兆

设备性能监测是指通过对表征设备状态的各种参数和状况进行检查和趋势分析。通常情况下，热交换器换热面积上污垢的累积可以直接或间接反映到热交换器的关键温度、流量、压力、传热系数和污垢热阻的改变。因此，通过热阻、传热系数、温差或压差的试验监测和定期的趋势分析，就可以定量或定性的评价热交换器的热性能状态[4]。根据特定热交换器的热性能状态，再提出针对性的设备清洗、检查等维修策略。

三门核电将全厂的热交换器以专项管理的模式，系统分析了各热交换器的可靠性分级[5]、安全功能、设备失效对电力生产的影响、以及结垢倾向等因素，考虑各热交换器现场可供监测的参数，以是否能评价热交换器的热性能状态为判断准则，设计并开发了基于温差法、换热系数法等多种热交换器性能监测和设备状态的评价体系，可及早识别热交换器结垢的征兆。

表1 传热管流速限值m/s

2.3 选择适合的污垢清洗策略

核电厂热交换器的污垢应以预防、监测管理为主，但在实际的运行及经验反馈中，都不可避免地会出现设备的结垢。若设备出现结垢，在评估后已影响到设备、系统的运行,则需要选取适合的纠正性污垢清洗策略，恢复热交换器的性能状态。

（1）机械清洗。机械清洗是靠流体的流动或机械、声波、热力和光照等的作用，提供一种大于污垢的黏附力，使污垢从换热面上脱落。机械清洗主要针对的是碳化污垢和硬质污垢等强硬度污垢，包括水力清洗、刮刀或刷子、以及超声波清洗等。通常情况下需要分析污垢的类型，根据污垢类型选择合适的机械清洗方法。给出热交换器污垢类型与清洗方法的对应关系，可根据实际情况选择适用的方法（表2）。

表2 热交换器污垢类型与清洗方法的对应关系

机械清洗对设备的机械损害微小，但是机械清洗需要解体热交换器，费用较高。例如，三门核电厂凝汽器传热管的管数多达68 460根，图1。若采用图1所示的高压水射流清洗技术，逐根清洗传热管所需要的时间会很长，但核电厂的停堆大修时间往往是有限的，因此该方法也有其局限性。

（2）化学清洗。化学清洗是指在流体中加入除垢剂、酸或碱等物质，通过减少污垢与换热面的结合力，使污垢在换热面积上剥落。常见的方法有：①浸渍法，通常将清洗液充满设备并静止一段时间；②强制循环法，在清洗液储箱与热交换器之间连接循环泵和管道，通过循环泵的强制清洗液循环来除去除垢。

化学清洗可在非解体设备的状态下进行，清洗全面、无遗留，可避免金属表面的机械损失，同时工作强度也远小于机械清洗，清洗效率较高。但化学清洗液也有很多不足之处，如热交换器传热管在被堵塞时，则无法使用化学清洗；对清洗液处理不当，会造成环境污染；对生物有机物、泥浆和硬壳类污垢的清洗效果不好；清洗工艺过程处理不当或清洗剂选用不当，则会给设备造成不可逆的严重腐蚀后果。

目前，国内各核电厂的热交换器清洗还没有使用过化学清洗技术，最重要的原因是不能准确预测化学清洗方法带来的设备腐蚀风险，但考虑这一方法所具有的优势，若未来在核电厂应用该技术，还需要详细研究热交换器污垢类型、设备材质、清洗剂类型及清洗工艺的匹配问题、模拟验证真实环境状况下化学清洗对设备腐蚀的问题等。

（3）在线清洗。在线清洗是指处于运行状态下对热交换器的清洗。一般有在线污垢监测系统、控制系统和清洗系统3部分组成。

目前，核电厂在线清洗技术主要应用在凝汽器传热管的清洗，三门核电凝汽器清洗系统包括海绵清洗球、球过滤器、差压计、球再循环泵、球收集器、球循环管道以及阀门等，如图2。该系统的主要优势是在凝汽器运行期间，通过海绵球的循环擦洗作用，可连续性地减少或移除沉积及附着在凝汽器钛管内壁的异物及污垢，大大减少传热管停堆期间机械清洗的需求，节约维修费用。

图1 高压水射流污垢清洗技术

图2 凝汽器胶球清洗系统结构组成

而凝汽器在线清洗的劣势是，维护系统设备、替换小球、检查遗失小球等需要成本，小球分配的不均匀可能导致传热管清洗的不均匀，小球可能堵塞在传热管中。因此，在实际应用中，不能单纯依靠在线清洗技术，还要和其他清洗方法配合使用。

3 结束语

热交换器污垢以及因污垢热阻造成热交换器传热性能的下降已成为设备管理人员不可回避的问题，结合多年的核电厂热交换器管理经验，提出从设计制造的选材、关键化学参数的监测和控制、热交换器运行温度和流速的选择等角度，来减少污垢的产生；从热交换器的性能监测和结垢性能状态的评价，以及污垢清洗策略的选择方面，提出具体的管理对策，为运行核电厂的热交换器管理提供了借鉴和参考。

［1］Service Water System Problems Affecting Safety-Related Equipment[J].NRC-GL89-13.

［2］潘逸琼，粱磊，刘世宏，等.管材种类和污垢对凝汽器传热性能的影响[J].汽轮机技术，2014，56（3）.

［3］Condenser Application and Maintenance Guide[M].EPRI-1003088.

［4］Heat Exchanger Performance Monitoring Guidelines[M].EPRI NP-7552.

［5］Equipment Reliability Process Description[M].INPO-AP913.

〔编辑 王永洲〕

TM623

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.08