核电厂热交换器污垢清理方案规划与应用

2021-03-16刘晓龙汤利专吴明星

中国新技术新产品 2021年24期

刘晓龙汤利专吴明星

（海南核电有限公司，海南昌江 572700）

0 引言

国内核电厂在生产期间，会生成一定数量的废弃物，对废弃物进行的处理与净化工作，成为环保战略的重要项目。为顺应社会环保发展需求，围绕核电厂生产体系，侧重研究热交换器的清洁管理方法，有效去除污垢，减少污垢堆积问题，具有重要的研究意义。其中，在换热器表面发生腐蚀时，以电化学反应为主。假设酸碱值介于4～10，金属F 的腐蚀反应为M →M2++ze-，（z表示化合价，e-表示电子）在金属表层形成氧化物腐蚀，需要对其进行清污处理，维持换热器性能。

1 热交换器污垢

在热交换器生产运行时，设备表面生成的物质，称为污垢[1]。污垢形成后，会逐渐堆积，堆积到一定厚度后，会削弱设备的热量传输能力。一般情况下，核电厂在生产中运行的热交换设备，每生成0.015mm 污垢层，会降低热量传输能力50%。与此同时，污垢生成量的增加，会明显改变流体流动幅值。因此，核电厂生产管理人员，需要高度重视热交换器的除污工作，根据污垢形成、物质属性等因素，进行污垢分类。其一，沉淀污垢。在分解化学物质时，在设备表面形成的沉淀物。其二，颗粒污垢。在地球应力条件下，在设备表层堆积的灰尘。其三，腐蚀污垢。在化学反应期间生成的污垢，具有一定腐蚀性。其四，生物污垢。由有机物堆积形成的物质。污垢形成的数学模型如下。

式中：K1表示常数，算法为K1=4Mg×zM1。K1算法中，Mg表示换热器产生的污垢摩尔质量，单位是kg/kmol；M1表示氧气的摩尔质量。mg表示单位区域的污垢质量，单位kg/m2；m1表示单位区域的氧气含量，单位kg/m2；o表示时间，单位s；d表示污垢层中氧气的散失速度，单位为m2/s。do表示在某一个时刻o时的氧气散失速度，单位m2/s。

2 污垢管理的有效措施

2.1 控制污垢生成量

2.1.1 合理选择设备用料

热交换设备在实际生产期间，侧重选用耐腐蚀材料，例如金钛合金、不锈钢等，能够降低腐蚀污垢形成的影响，控制腐蚀污垢的生成量，合理规划污垢清除周期。例如S32168不锈钢材料，具有较强的耐腐蚀能力，可用于动力设备生产，减少污垢生成量。该材料固溶态延伸能力为25%，韧性值超过100J，具有较强的可焊性。

2.1.2 加强设备设计

在搭建热交换器结构时，在设备结构管道位置添加截污设施，例如断层、碳钢内管，以增强设备整体去污能力，积极截去污垢。在设备设计时，在管程一侧添加蒸汽，控制气体经过壳程时形成的流量，增加壳程入口数量，形成压力缓冲效应。同时，添加防冲板，规避高速流体形成的设备腐蚀问题。例如设备与部件设计时，需要加强部件性能控制。RPV 筒体材料标准为，耐蚀层容量为308L，过滤层容量为390L。封头性能标准：过滤层容量309L、耐蚀层容量308L。

2.1.3 规范使用缓蚀剂

在腐蚀性物质生产期间，添加部分缓蚀剂，能够降低生产形成的腐蚀污垢，甚至不产生腐蚀污垢。缓蚀剂在使用时，应保证工艺流程完整、产品质量良好。例如盐酸缓蚀剂在使用时，加药量控制在1‰～3‰，腐蚀速度不大于1g/m·h。将配好的缓蚀剂添加在酸液中，进行循环清洗，能够减少腐蚀污垢的生成[2]。

2.2 加强设备监测力度

使用设备监测技术，动态监控热交换设备的运行性能，便于核电厂生产管理人员及时排查设备中的污垢问题。核电厂管理层，可借助设备温度、热传输能力、温度差值、压力差值各类参数，判断设备污垢形成情况。因此，在热交换器进行清洁管理时，采取各项参数的定期监测方式，准确给出设备性能，排查污垢问题。

例如在检测设备压差性能时，检测人员可使用压差计量器，将风量设成最大值，借助风扇、风阀的调节方法，促使室内管线静压趋近于0，测定静压状态的压差计量结果。在测试期间，压差计量计读数达到1/100 时，检测人员需要读取计量结果。如果计量数据显示有较大浮动时，可操作节流装置，尽可能地减少波动。同时记录客观环境的相关参数，例如温度、湿度等。

例如某单位以PCA 为视角，构建了热交换器运行状态的监测模型，以实测资料为基础，完成相关模型的创设，以数据驱动为基础，动态采集设备数据资料。在传感器帮助下，获取热交换器的运行情况，确保设备监测效果。案例单位使用水循环监测设备，对热交换器内部的水循环装置状态，进行有效监控。监测主体有：装置腐蚀程度、装置内的结垢量、污垢影响等。该设备操作简单，可联合“线性极化”、“腐蚀挂片”等理论，确保监测结果可用。监测结果可用于污垢管理，具有较强的清污指导性。

2.3 清污信息管理方法

2.3.1 建立设备运行资料库

在污垢清洁前后，分别进行一次设备性能参数采集，用作污垢清洁的参考。在日常检测设备性能时，将性能参数与清洁完成的资料进行对比，判断发生污垢堆积的可能性。进行设备周期性污垢检查，确定污垢类型，完善污垢积存时设备运行性能的资料，逐步形成热交换器运行数据库，为智能检测污垢奠定基础条件。例如2019 年10 月3 日，检查板式换热器发现混合型污垢，含有2mm 水垢、5mm 油垢。在4日进行清污处理。清理前传热系数为2188，清污后传热系数为3500。预计在次月4 日再次进行污垢清洗。

2.3.2 生成清污日志

在污垢清洗前期，进行污垢去除方案的制定，合理验证污垢类型与设备运行状态之间的关联性，确定污垢对设备运行产生的影响。在有效去除污垢后，将清污方案进行导入，完善除污管理体系，形成案例指导，为后续清污工作给出参考依据。与此同时，以资料管理视角，对各类污垢进行建档管理，补充日常工作监测的设备性能资料、污垢类型判断依据、污垢清除方案、污垢清除后设备性能等资料，生成清污日志见表1，提升污垢清洁管理的系统性。

表1 清污日志

2.4 有序进行污垢处理

在制定除污方案、梳理除污体系时，清洁管理人员需要确定污垢生成量控制、污垢堆积检测各项工作的重要性。由于污垢生成形式有多种情况，污垢属性与除污方法具有差异性[3]。例如在水垢清除时，酸碱值控制在1～1.5，每小时进行药液酸碱值与温度的记录，温度控制在65℃～70℃。清洁管理人员在测定污垢后，准确分析污垢类型，给予针对性除污处理，确保清洗流程准确。现阶段，国内进行污垢清洗时，以机械除污、化学清洗为主。机械除污具有操作的简便性，对清洗人员技术专业性的要求不高。化学清洗具有操作难度，要求清洗人员学习相关的化学知识。

例如某环保单位研发出电子除垢仪，可有效清除各类水垢。经实践发现：2021 年3 月，某核电厂对运行3 个月的热交换器进行清垢处理，清垢用时为10min，缩短了设备清垢的时间，获得核电厂的高度认可；2020 年12 月，广西某核电厂，清洗运行6 个月的热交换器，成功清除2mm 颗粒污垢、3mm 沉淀污垢，清洗效果优异；2020 年4 月，湖南某核电厂反馈，电子除垢仪使用效果较好，高效清洗6 个热交换器，已作为热交换器清垢的重要设备。

如图1 所示，是电子除垢仪的运行原理。该设备在电磁模仿污垢的作用下，以交变电磁场为技术视角，形成多种电流，对污垢进行干扰，改变污垢原有结构与属性，成功去除污垢，具有较强的除污能力。

图1 电子除垢仪的清洗原理

2.5 制定运维清洗方案

对热交换器进行清洁管理时，需要制定相关的除污机制、清洗制度等，对清洗与除污工作给出参考依据。以化学清洗为例，在制定清洗管理方案时，需要从分析污垢属性、准备除污药剂、规范清洗流程、清洗后防锈处理等环节，逐一制定清洗方案。

在分析污垢属性时，能够准确判断污垢形成的原因，便于从根源上控制生产污垢的材料用料，减少后续生产的污垢生成问题。以油垢为例，清洗人员进行化学清洗，清洗流程见图2，提升除污有效性，防止方法选用不恰当导致除污失败。在明确除污方法时，准备相应的除污药剂，为清洗工作奠定基础条件。在清洗除污期间，清洗人员需要遵循操作规范，合理配置药剂用量，确保污垢去除效果。药量添加如公式（2）所示。

图2 热交换器化学清洗示意图

式中：Q表示药剂添加质量，单位为kg；V表示热交换器的容积，单位为m³；n%表示药液比例。

药剂酸碱度控制在9～11，温度取值为49℃～60℃。在运水时，及时清除浮油杂质。清洗人员应规范佩戴防护用具，确保清洗安全。在清洗完成时，对除污位置进行防锈处理，以增强设备自身的防污能力，减少污垢堆积问题。

3 实例分析

3.1 清洗

为有效控制热交换器的热传导能力，提升流动阻力，使用集中供热系统，选取核电厂的10 台热交换器，进行热交换器清洗，进行清洗前后对比，测定热交换器的运行能力。研究发现：热交换器清洗后，热量传导能力增长了10.03%，热效值升高，能耗与压降降低。

3.2 清洗测试

使用核电厂生产运行的热交换器，进行清洗测试，对比污垢管理效果。在测试期间，测试区面积为2300 m2，以城市供热干线用作热量供给，热量供给负荷最大值为10MW，蒸汽温度最大值为180℃，首次流量为400m³/h，二次流量最大值为800m³/h，管路系统运行压力设计为1.6MPa，以此进行热交换性能检测。

图3为检测平台设计的示意图。图中测试平台包括冷、热、冷却多个回路。蒸汽路线，能够以加热方式，对热线路的工质形成影响。在交换器温度达到目标值时，进行首次管网工况的试运行。冷却线路，在冷却装置的作用下，形成温度控制。在交换器温度调整至要求值时，进行第二次工况试运行。