劉曉龍 湯利專 吳明星

（海南核電有限公司，海南 昌江 572700）

0 引言

國內(nèi)核電廠在生產(chǎn)期間，會生成一定數(shù)量的廢棄物，對廢棄物進(jìn)行的處理與凈化工作，成為環(huán)保戰(zhàn)略的重要項(xiàng)目。為順應(yīng)社會環(huán)保發(fā)展需求，圍繞核電廠生產(chǎn)體系，側(cè)重研究熱交換器的清潔管理方法，有效去除污垢，減少污垢堆積問題，具有重要的研究意義。其中，在換熱器表面發(fā)生腐蝕時，以電化學(xué)反應(yīng)為主。假設(shè)酸堿值介于4～10，金屬F 的腐蝕反應(yīng)為M →M2++ze-，（z表示化合價，e-表示電子）在金屬表層形成氧化物腐蝕，需要對其進(jìn)行清污處理，維持換熱器性能。

1 熱交換器污垢

在熱交換器生產(chǎn)運(yùn)行時，設(shè)備表面生成的物質(zhì)，稱為污垢[1]。污垢形成后，會逐漸堆積，堆積到一定厚度后，會削弱設(shè)備的熱量傳輸能力。一般情況下，核電廠在生產(chǎn)中運(yùn)行的熱交換設(shè)備，每生成0.015mm 污垢層，會降低熱量傳輸能力50%。與此同時，污垢生成量的增加，會明顯改變流體流動幅值。因此，核電廠生產(chǎn)管理人員，需要高度重視熱交換器的除污工作，根據(jù)污垢形成、物質(zhì)屬性等因素，進(jìn)行污垢分類。其一，沉淀污垢。在分解化學(xué)物質(zhì)時，在設(shè)備表面形成的沉淀物。其二，顆粒污垢。在地球應(yīng)力條件下，在設(shè)備表層堆積的灰塵。其三，腐蝕污垢。在化學(xué)反應(yīng)期間生成的污垢，具有一定腐蝕性。其四，生物污垢。由有機(jī)物堆積形成的物質(zhì)。污垢形成的數(shù)學(xué)模型如下。

式中：K1表示常數(shù)，算法為K1=4Mg×zM1。K1算法中，Mg表示換熱器產(chǎn)生的污垢摩爾質(zhì)量，單位是kg/kmol；M1表示氧氣的摩爾質(zhì)量。mg表示單位區(qū)域的污垢質(zhì)量，單位kg/m2；m1表示單位區(qū)域的氧氣含量，單位kg/m2；o表示時間，單位s；d表示污垢層中氧氣的散失速度，單位為m2/s。do表示在某一個時刻o時的氧氣散失速度，單位m2/s。

2 污垢管理的有效措施

2.1 控制污垢生成量

2.1.1 合理選擇設(shè)備用料

熱交換設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)期間，側(cè)重選用耐腐蝕材料，例如金鈦合金、不銹鋼等，能夠降低腐蝕污垢形成的影響，控制腐蝕污垢的生成量，合理規(guī)劃污垢清除周期。例如S32168不銹鋼材料，具有較強(qiáng)的耐腐蝕能力，可用于動力設(shè)備生產(chǎn)，減少污垢生成量。該材料固溶態(tài)延伸能力為25%，韌性值超過100J，具有較強(qiáng)的可焊性。

2.1.2 加強(qiáng)設(shè)備設(shè)計

在搭建熱交換器結(jié)構(gòu)時，在設(shè)備結(jié)構(gòu)管道位置添加截污設(shè)施，例如斷層、碳鋼內(nèi)管，以增強(qiáng)設(shè)備整體去污能力，積極截去污垢。在設(shè)備設(shè)計時，在管程一側(cè)添加蒸汽，控制氣體經(jīng)過殼程時形成的流量，增加殼程入口數(shù)量，形成壓力緩沖效應(yīng)。同時，添加防沖板，規(guī)避高速流體形成的設(shè)備腐蝕問題。例如設(shè)備與部件設(shè)計時，需要加強(qiáng)部件性能控制。RPV 筒體材料標(biāo)準(zhǔn)為，耐蝕層容量為308L，過濾層容量為390L。封頭性能標(biāo)準(zhǔn)：過濾層容量309L、耐蝕層容量308L。

2.1.3 規(guī)范使用緩蝕劑

在腐蝕性物質(zhì)生產(chǎn)期間，添加部分緩蝕劑，能夠降低生產(chǎn)形成的腐蝕污垢，甚至不產(chǎn)生腐蝕污垢。緩蝕劑在使用時，應(yīng)保證工藝流程完整、產(chǎn)品質(zhì)量良好。例如鹽酸緩蝕劑在使用時，加藥量控制在1‰～3‰，腐蝕速度不大于1g/m·h。將配好的緩蝕劑添加在酸液中，進(jìn)行循環(huán)清洗，能夠減少腐蝕污垢的生成[2]。

2.2 加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)測力度

使用設(shè)備監(jiān)測技術(shù)，動態(tài)監(jiān)控?zé)峤粨Q設(shè)備的運(yùn)行性能，便于核電廠生產(chǎn)管理人員及時排查設(shè)備中的污垢問題。核電廠管理層，可借助設(shè)備溫度、熱傳輸能力、溫度差值、壓力差值各類參數(shù)，判斷設(shè)備污垢形成情況。因此，在熱交換器進(jìn)行清潔管理時，采取各項(xiàng)參數(shù)的定期監(jiān)測方式，準(zhǔn)確給出設(shè)備性能，排查污垢問題。

例如在檢測設(shè)備壓差性能時，檢測人員可使用壓差計量器，將風(fēng)量設(shè)成最大值，借助風(fēng)扇、風(fēng)閥的調(diào)節(jié)方法，促使室內(nèi)管線靜壓趨近于0，測定靜壓狀態(tài)的壓差計量結(jié)果。在測試期間，壓差計量計讀數(shù)達(dá)到1/100 時，檢測人員需要讀取計量結(jié)果。如果計量數(shù)據(jù)顯示有較大浮動時，可操作節(jié)流裝置，盡可能地減少波動。同時記錄客觀環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，例如溫度、濕度等。

例如某單位以PCA 為視角，構(gòu)建了熱交換器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測模型，以實(shí)測資料為基礎(chǔ)，完成相關(guān)模型的創(chuàng)設(shè)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動為基礎(chǔ)，動態(tài)采集設(shè)備數(shù)據(jù)資料。在傳感器幫助下，獲取熱交換器的運(yùn)行情況，確保設(shè)備監(jiān)測效果。案例單位使用水循環(huán)監(jiān)測設(shè)備，對熱交換器內(nèi)部的水循環(huán)裝置狀態(tài)，進(jìn)行有效監(jiān)控。監(jiān)測主體有：裝置腐蝕程度、裝置內(nèi)的結(jié)垢量、污垢影響等。該設(shè)備操作簡單，可聯(lián)合“線性極化”、“腐蝕掛片”等理論，確保監(jiān)測結(jié)果可用。監(jiān)測結(jié)果可用于污垢管理，具有較強(qiáng)的清污指導(dǎo)性。

2.3 清污信息管理方法

2.3.1 建立設(shè)備運(yùn)行資料庫

在污垢清潔前后，分別進(jìn)行一次設(shè)備性能參數(shù)采集，用作污垢清潔的參考。在日常檢測設(shè)備性能時，將性能參數(shù)與清潔完成的資料進(jìn)行對比，判斷發(fā)生污垢堆積的可能性。進(jìn)行設(shè)備周期性污垢檢查，確定污垢類型，完善污垢積存時設(shè)備運(yùn)行性能的資料，逐步形成熱交換器運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，為智能檢測污垢奠定基礎(chǔ)條件。例如2019 年10 月3 日，檢查板式換熱器發(fā)現(xiàn)混合型污垢，含有2mm 水垢、5mm 油垢。在4日進(jìn)行清污處理。清理前傳熱系數(shù)為2188，清污后傳熱系數(shù)為3500。預(yù)計在次月4 日再次進(jìn)行污垢清洗。

2.3.2 生成清污日志

在污垢清洗前期，進(jìn)行污垢去除方案的制定，合理驗(yàn)證污垢類型與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性，確定污垢對設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的影響。在有效去除污垢后，將清污方案進(jìn)行導(dǎo)入，完善除污管理體系，形成案例指導(dǎo)，為后續(xù)清污工作給出參考依據(jù)。與此同時，以資料管理視角，對各類污垢進(jìn)行建檔管理，補(bǔ)充日常工作監(jiān)測的設(shè)備性能資料、污垢類型判斷依據(jù)、污垢清除方案、污垢清除后設(shè)備性能等資料，生成清污日志見表1，提升污垢清潔管理的系統(tǒng)性。

表1 清污日志

2.4 有序進(jìn)行污垢處理

在制定除污方案、梳理除污體系時，清潔管理人員需要確定污垢生成量控制、污垢堆積檢測各項(xiàng)工作的重要性。由于污垢生成形式有多種情況，污垢屬性與除污方法具有差異性[3]。例如在水垢清除時，酸堿值控制在1～1.5，每小時進(jìn)行藥液酸堿值與溫度的記錄，溫度控制在65℃～70℃。清潔管理人員在測定污垢后，準(zhǔn)確分析污垢類型，給予針對性除污處理，確保清洗流程準(zhǔn)確?，F(xiàn)階段，國內(nèi)進(jìn)行污垢清洗時，以機(jī)械除污、化學(xué)清洗為主。機(jī)械除污具有操作的簡便性，對清洗人員技術(shù)專業(yè)性的要求不高?；瘜W(xué)清洗具有操作難度，要求清洗人員學(xué)習(xí)相關(guān)的化學(xué)知識。

例如某環(huán)保單位研發(fā)出電子除垢儀，可有效清除各類水垢。經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：2021 年3 月，某核電廠對運(yùn)行3 個月的熱交換器進(jìn)行清垢處理，清垢用時為10min，縮短了設(shè)備清垢的時間，獲得核電廠的高度認(rèn)可；2020 年12 月，廣西某核電廠，清洗運(yùn)行6 個月的熱交換器，成功清除2mm 顆粒污垢、3mm 沉淀污垢，清洗效果優(yōu)異；2020 年4 月，湖南某核電廠反饋，電子除垢儀使用效果較好，高效清洗6 個熱交換器，已作為熱交換器清垢的重要設(shè)備。

如圖1 所示，是電子除垢儀的運(yùn)行原理。該設(shè)備在電磁模仿污垢的作用下，以交變電磁場為技術(shù)視角，形成多種電流，對污垢進(jìn)行干擾，改變污垢原有結(jié)構(gòu)與屬性，成功去除污垢，具有較強(qiáng)的除污能力。

圖1 電子除垢儀的清洗原理

2.5 制定運(yùn)維清洗方案

對熱交換器進(jìn)行清潔管理時，需要制定相關(guān)的除污機(jī)制、清洗制度等，對清洗與除污工作給出參考依據(jù)。以化學(xué)清洗為例，在制定清洗管理方案時，需要從分析污垢屬性、準(zhǔn)備除污藥劑、規(guī)范清洗流程、清洗后防銹處理等環(huán)節(jié)，逐一制定清洗方案。

在分析污垢屬性時，能夠準(zhǔn)確判斷污垢形成的原因，便于從根源上控制生產(chǎn)污垢的材料用料，減少后續(xù)生產(chǎn)的污垢生成問題。以油垢為例，清洗人員進(jìn)行化學(xué)清洗，清洗流程見圖2，提升除污有效性，防止方法選用不恰當(dāng)導(dǎo)致除污失敗。在明確除污方法時，準(zhǔn)備相應(yīng)的除污藥劑，為清洗工作奠定基礎(chǔ)條件。在清洗除污期間，清洗人員需要遵循操作規(guī)范，合理配置藥劑用量，確保污垢去除效果。藥量添加如公式（2）所示。

圖2 熱交換器化學(xué)清洗示意圖

式中：Q表示藥劑添加質(zhì)量，單位為kg；V表示熱交換器的容積，單位為m3；n%表示藥液比例。

藥劑酸堿度控制在9～11，溫度取值為49℃～60℃。在運(yùn)水時，及時清除浮油雜質(zhì)。清洗人員應(yīng)規(guī)范佩戴防護(hù)用具，確保清洗安全。在清洗完成時，對除污位置進(jìn)行防銹處理，以增強(qiáng)設(shè)備自身的防污能力，減少污垢堆積問題。

3 實(shí)例分析

3.1 清洗

為有效控制熱交換器的熱傳導(dǎo)能力，提升流動阻力，使用集中供熱系統(tǒng)，選取核電廠的10 臺熱交換器，進(jìn)行熱交換器清洗，進(jìn)行清洗前后對比，測定熱交換器的運(yùn)行能力。研究發(fā)現(xiàn)：熱交換器清洗后，熱量傳導(dǎo)能力增長了10.03%，熱效值升高，能耗與壓降降低。

3.2 清洗測試

使用核電廠生產(chǎn)運(yùn)行的熱交換器，進(jìn)行清洗測試，對比污垢管理效果。在測試期間，測試區(qū)面積為2300 m2，以城市供熱干線用作熱量供給，熱量供給負(fù)荷最大值為10MW，蒸汽溫度最大值為180℃，首次流量為400m3/h，二次流量最大值為800m3/h，管路系統(tǒng)運(yùn)行壓力設(shè)計為1.6MPa，以此進(jìn)行熱交換性能檢測。

圖3為檢測平臺設(shè)計的示意圖。圖中測試平臺包括冷、熱、冷卻多個回路。蒸汽路線，能夠以加熱方式，對熱線路的工質(zhì)形成影響。在交換器溫度達(dá)到目標(biāo)值時，進(jìn)行首次管網(wǎng)工況的試運(yùn)行。冷卻線路，在冷卻裝置的作用下，形成溫度控制。在交換器溫度調(diào)整至要求值時，進(jìn)行第二次工況試運(yùn)行。

圖3 性能檢測平臺設(shè)計圖

3.3 運(yùn)行檢測

選擇某核電廠的10 臺熱交換器，進(jìn)行清洗前后性能對比。測試熱交換器的運(yùn)行參數(shù)如表2 所示。

表2 熱交換器設(shè)備參數(shù)與使用年數(shù)

3.4 污垢清洗方法

在清洗前期，進(jìn)行回路調(diào)節(jié)，使熱交換器形成的回路具有循環(huán)性，進(jìn)行注水加壓。當(dāng)壓力升至0.5MPa 時，查看漏水問題。

物理清洗。使用脈沖裝置，形成脈沖水錘，進(jìn)行銹垢與雜物的清洗，使其在水沖擊作用下，排出。

化學(xué)清洗。將水溫升至60℃，在清洗箱中添加除銹劑，溶劑酸堿值取1.5。在溫度達(dá)到50℃時，進(jìn)行持續(xù)循環(huán)，循環(huán)時間為30min～40min。藥劑清洗時，清洗時間為2 h。如果銹垢量較大，可適當(dāng)增加循環(huán)時間，可增加至4 h。

在藥劑清洗完成，二次進(jìn)行物理清洗，直至清水排出，停止清洗。

3.5 清洗效果對比

由表3 可知：熱交換器清洗后，熱量傳導(dǎo)能力增長（3981-2493）×2491-1=10.03%，壓降降低（91-56）×56-1=62.5%，能耗減少（111-99）×99-1=12.12%，熱效值增長（131-77）×77-1=70.12%。

表3 10 臺熱交換器清洗前后性能對比

4 結(jié)論

綜上所述，加強(qiáng)熱交換器清潔管理，有效防控污垢形成的熱阻效應(yīng)問題，確保熱交換器運(yùn)行順暢，提升核電廠運(yùn)行能力。因此，在熱交換器運(yùn)維工作中，需要加強(qiáng)管理力度，引起技術(shù)人員的管理重視，樹立科學(xué)除污、清潔運(yùn)行的管理理念，帶動核電廠有序運(yùn)行。