核電廠熱交換器污垢及污垢管理的對(duì)策

孫玉

（三門核電有限公司，浙江三門317112）

核電廠熱交換器污垢及污垢管理的對(duì)策

孫玉

（三門核電有限公司，浙江三門317112）

分析國(guó)內(nèi)外核電廠熱交換器因結(jié)垢問題出現(xiàn)的事故，論述熱交換器污垢的類型以及污垢熱阻對(duì)熱交換器傳熱性能的影響。從化學(xué)控制預(yù)防、運(yùn)行溫度和流速等運(yùn)行參數(shù)的選擇、設(shè)備性能的監(jiān)測(cè)，以及污垢清洗策略的選擇等，提出應(yīng)對(duì)措施。

熱交換器；污垢及類型；傳熱性能；對(duì)策

0 前言

熱交換器是核電廠熱力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，主要功能是實(shí)現(xiàn)熱量的交換和傳遞。但是熱交換器在運(yùn)行過(guò)程中，隨運(yùn)行時(shí)間的增加，傳熱面污垢會(huì)越來(lái)越多，不僅會(huì)額外增加熱量傳遞的阻力，使熱交換器傳熱性能降低，還會(huì)影響電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。如果熱交換器的熱量導(dǎo)出涉及到安全等相關(guān)系統(tǒng)功能時(shí)，則會(huì)影響到電廠的核安全。例如，1980年9月3日，美國(guó)阿肯色州一期工程2＃機(jī)組的安全殼冷卻組件，由于蚌、蛤等海生物結(jié)垢堵塞，致使廠用水的流量達(dá)不到技術(shù)規(guī)格書的要求，結(jié)果致使核電廠關(guān)停[1]。2003年9月27日，美國(guó)Palo Verde Nuclear Generating Station（PVNGS）的2＃機(jī)組中央冷卻水B組熱交換器，由于換熱系數(shù)降低到1354.7 W/m2℃的允許值以下78 d后，致使該熱交換器停用，調(diào)查顯示的事故原因是噴淋池系統(tǒng)化學(xué)控制不佳，導(dǎo)致熱交換器降質(zhì)嚴(yán)重到設(shè)備失效。2005年3月21日，美國(guó)BROWN FERRY NUCLEAR PLANT（BFN）2＃機(jī)組的余熱排出系統(tǒng)換熱器的廠用水側(cè)出現(xiàn)放射性物質(zhì)，事故的根本原因?yàn)樵g了熱交換器的軟鐵墊片，致使冷卻劑向廠用水側(cè)泄漏。因此，熱交換器的結(jié)垢問題一直以來(lái)為核電行業(yè)所關(guān)注，已構(gòu)成威脅電廠設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要問題之一，也給核電廠帶來(lái)了極大損失。為此，從熱交換器的污垢形成出發(fā)，論述運(yùn)行核電廠熱交換器的污垢、污垢熱阻對(duì)熱交換器傳熱性能的影響，并提出核電廠運(yùn)行階段對(duì)熱交換器污垢的監(jiān)測(cè)和管理對(duì)策，期望對(duì)運(yùn)行核電站熱交換器的管理提供參考。

1 污垢、污垢熱阻對(duì)熱交換器的影響

1.1 污垢

污垢為熱交換器表面上非預(yù)想材料的累積，這些材料會(huì)阻止熱量的傳遞，研究表明，即使0.015 mm厚的碳酸污垢，也會(huì)使設(shè)備的總體傳熱系數(shù)降低約50%[2]，同時(shí)污垢也會(huì)減少冷卻流體流動(dòng)和增加流體流動(dòng)的壓差（DP）。通常根據(jù)熱交換器污垢的特征和成因，核電廠污垢一般分為4種類型。

（1）沉淀污垢，為溶解性物質(zhì)沉淀在熱交換器表面形成的污垢。相對(duì)正常的溶解度，一些溶解性物質(zhì)與溫度成反比關(guān)系，例如，在某些熱交換器冷卻水出口的高溫區(qū)域存在大量的碳酸鈣（CaCO3）沉淀物。

（2）顆粒污垢，是流體介質(zhì)中一些細(xì)小的懸浮顆粒因重力沉積在熱交換器表面形成的污垢，例如，泥沙。通常發(fā)生在較低流速的通道處，而在較高流速的傳熱管內(nèi)部則不會(huì)發(fā)生。

（3）腐蝕污垢，是熱交換器表面自身反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，這些腐蝕產(chǎn)物促使其他污垢物的依附，例如，傳熱管表面的鐵銹。

（4）生物污垢，是宏觀有機(jī)物（宏觀生物污垢）或微觀有機(jī)物（微觀生物污垢）依附在熱交換器表面形成的污垢。例如，依附在熱交換器表面的蛤或其他水生物，這些統(tǒng)稱為宏觀污垢；依附在熱交換器表面的微生物、細(xì)菌及其產(chǎn)物，這些統(tǒng)稱為微觀污垢。

1.2 污垢熱阻對(duì)熱交換器傳熱性能的影響

熱阻為傳熱系數(shù)的倒數(shù)，即R＝1/K。當(dāng)換熱面積上有了污垢，則會(huì)改變總體換熱系數(shù)，這時(shí)總體傳熱熱阻為R＝（1/K）+Rf，將Rf定義為污垢熱阻，污垢熱阻的大小與流體的性質(zhì)、流速、溫度、設(shè)備結(jié)構(gòu)，以及運(yùn)行時(shí)間等因素有關(guān)。因此，在實(shí)際工程技術(shù)應(yīng)用中，對(duì)污垢熱阻的控制至關(guān)重要。

從核電廠出現(xiàn)的若干熱交換器失效案例來(lái)看，污垢對(duì)電站熱交換器的安全運(yùn)行帶來(lái)了很大的危害，雖然電廠設(shè)備設(shè)計(jì)、制造階段已經(jīng)考慮并留有一定的傳熱裕量來(lái)容納污垢熱阻的增加，但不可否認(rèn)隨著設(shè)備的運(yùn)行，熱交換器傳熱性能的下降是不可避免的。一是由于傳熱管破損，堵管增多，導(dǎo)致傳熱面積減少，熱性能下降；二是由于傳熱面上污垢的形成和堆積，致使流道通過(guò)介質(zhì)的流量逐漸下降、熱阻增大、傳熱效率不斷降低，設(shè)備的傳熱能力下降。既會(huì)導(dǎo)致熱交換器的傳熱性能惡化，也影響了設(shè)備預(yù)定功能的完成。

2 核電廠熱交換器污垢管理的對(duì)策

2.1 預(yù)防為主，從源頭上減少污垢的產(chǎn)生

（1）開發(fā)有效的化學(xué)控制大綱，從源頭上減少系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕，盡可能地減少因化學(xué)雜質(zhì)的出現(xiàn)、腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致的熱交換器污垢。海水接觸的熱交換器，首先在電廠設(shè)計(jì)和設(shè)備安裝階段，從熱交換器進(jìn)出口流體的管材選擇上入手，采用管道內(nèi)壁防污涂層、碳鋼襯塑、碳鋼襯膠、高密度聚乙烯（HDPE）及雙相不銹鋼等防腐管道材料；其次在與海水直接的系統(tǒng)配置固定式攔污柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、二次濾網(wǎng)和反沖洗過(guò)濾裝置等，盡可能的避免或減少將泥沙、浮游物質(zhì)、魚類、蛤類和其他水生物引入到熱交換器中；第三是定期投放次氯酸鈉殺菌劑，抑制微生物的生長(zhǎng)，減少生物污垢的產(chǎn)生量。例如，閉式系統(tǒng)的熱交換器，可通過(guò)控制、定期取樣來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回路的PH限值、溶解氧含量、聯(lián)氨含量，以及添加緩蝕劑的方法來(lái)預(yù)防、減少腐蝕污垢的產(chǎn)生。

（2）合理選擇熱交換器的運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)行參數(shù)特別是溫度和流速對(duì)污垢的生成影響較大。一是溫度能夠影響某些鹽類污垢和化學(xué)反應(yīng)污垢的生成速率，因此在滿足工藝條件的前提下，可以通過(guò)降低傳熱面的溫度來(lái)減少污垢的生成；二是改變流體的流速，因?yàn)檩^高的流速有助于減少任何形式的污垢，在滿足系統(tǒng)要求的條件下，可通過(guò)增加換熱管中的流速來(lái)增大流體的湍流和流體對(duì)壁面的剪切力，從而通過(guò)增加對(duì)污垢的剝蝕力來(lái)降低污垢的生產(chǎn)速率。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，也不能無(wú)限的增加流速，因?yàn)樵黾恿魉僖环矫鏁?huì)增加泵的功耗，同時(shí)較高的流速也會(huì)成為傳熱管入口端腐蝕的主要原因。因此，核電廠在增加介質(zhì)流速的過(guò)程中，要將流速限定在一定范圍內(nèi)，不能無(wú)限制的增加[3]（表1）。

2.2 加強(qiáng)性能監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)結(jié)垢征兆

設(shè)備性能監(jiān)測(cè)是指通過(guò)對(duì)表征設(shè)備狀態(tài)的各種參數(shù)和狀況進(jìn)行檢查和趨勢(shì)分析。通常情況下，熱交換器換熱面積上污垢的累積可以直接或間接反映到熱交換器的關(guān)鍵溫度、流量、壓力、傳熱系數(shù)和污垢熱阻的改變。因此，通過(guò)熱阻、傳熱系數(shù)、溫差或壓差的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)和定期的趨勢(shì)分析，就可以定量或定性的評(píng)價(jià)熱交換器的熱性能狀態(tài)[4]。根據(jù)特定熱交換器的熱性能狀態(tài)，再提出針對(duì)性的設(shè)備清洗、檢查等維修策略。

三門核電將全廠的熱交換器以專項(xiàng)管理的模式，系統(tǒng)分析了各熱交換器的可靠性分級(jí)[5]、安全功能、設(shè)備失效對(duì)電力生產(chǎn)的影響、以及結(jié)垢傾向等因素，考慮各熱交換器現(xiàn)場(chǎng)可供監(jiān)測(cè)的參數(shù)，以是否能評(píng)價(jià)熱交換器的熱性能狀態(tài)為判斷準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于溫差法、換熱系數(shù)法等多種熱交換器性能監(jiān)測(cè)和設(shè)備狀態(tài)的評(píng)價(jià)體系，可及早識(shí)別熱交換器結(jié)垢的征兆。

表1 傳熱管流速限值m/s

2.3 選擇適合的污垢清洗策略

核電廠熱交換器的污垢應(yīng)以預(yù)防、監(jiān)測(cè)管理為主，但在實(shí)際的運(yùn)行及經(jīng)驗(yàn)反饋中，都不可避免地會(huì)出現(xiàn)設(shè)備的結(jié)垢。若設(shè)備出現(xiàn)結(jié)垢，在評(píng)估后已影響到設(shè)備、系統(tǒng)的運(yùn)行,則需要選取適合的糾正性污垢清洗策略，恢復(fù)熱交換器的性能狀態(tài)。

（1）機(jī)械清洗。機(jī)械清洗是靠流體的流動(dòng)或機(jī)械、聲波、熱力和光照等的作用，提供一種大于污垢的黏附力，使污垢從換熱面上脫落。機(jī)械清洗主要針對(duì)的是碳化污垢和硬質(zhì)污垢等強(qiáng)硬度污垢，包括水力清洗、刮刀或刷子、以及超聲波清洗等。通常情況下需要分析污垢的類型，根據(jù)污垢類型選擇合適的機(jī)械清洗方法。給出熱交換器污垢類型與清洗方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)實(shí)際情況選擇適用的方法（表2）。

表2 熱交換器污垢類型與清洗方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系

機(jī)械清洗對(duì)設(shè)備的機(jī)械損害微小，但是機(jī)械清洗需要解體熱交換器，費(fèi)用較高。例如，三門核電廠凝汽器傳熱管的管數(shù)多達(dá)68 460根，圖1。若采用圖1所示的高壓水射流清洗技術(shù)，逐根清洗傳熱管所需要的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，但核電廠的停堆大修時(shí)間往往是有限的，因此該方法也有其局限性。

（2）化學(xué)清洗。化學(xué)清洗是指在流體中加入除垢劑、酸或堿等物質(zhì)，通過(guò)減少污垢與換熱面的結(jié)合力，使污垢在換熱面積上剝落。常見的方法有：①浸漬法，通常將清洗液充滿設(shè)備并靜止一段時(shí)間；②強(qiáng)制循環(huán)法，在清洗液儲(chǔ)箱與熱交換器之間連接循環(huán)泵和管道，通過(guò)循環(huán)泵的強(qiáng)制清洗液循環(huán)來(lái)除去除垢。

化學(xué)清洗可在非解體設(shè)備的狀態(tài)下進(jìn)行，清洗全面、無(wú)遺留，可避免金屬表面的機(jī)械損失，同時(shí)工作強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于機(jī)械清洗，清洗效率較高。但化學(xué)清洗液也有很多不足之處，如熱交換器傳熱管在被堵塞時(shí)，則無(wú)法使用化學(xué)清洗；對(duì)清洗液處理不當(dāng)，會(huì)造成環(huán)境污染；對(duì)生物有機(jī)物、泥漿和硬殼類污垢的清洗效果不好；清洗工藝過(guò)程處理不當(dāng)或清洗劑選用不當(dāng)，則會(huì)給設(shè)備造成不可逆的嚴(yán)重腐蝕后果。

目前，國(guó)內(nèi)各核電廠的熱交換器清洗還沒有使用過(guò)化學(xué)清洗技術(shù)，最重要的原因是不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)化學(xué)清洗方法帶來(lái)的設(shè)備腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，但考慮這一方法所具有的優(yōu)勢(shì)，若未來(lái)在核電廠應(yīng)用該技術(shù)，還需要詳細(xì)研究熱交換器污垢類型、設(shè)備材質(zhì)、清洗劑類型及清洗工藝的匹配問題、模擬驗(yàn)證真實(shí)環(huán)境狀況下化學(xué)清洗對(duì)設(shè)備腐蝕的問題等。

（3）在線清洗。在線清洗是指處于運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)熱交換器的清洗。一般有在線污垢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)3部分組成。

目前，核電廠在線清洗技術(shù)主要應(yīng)用在凝汽器傳熱管的清洗，三門核電凝汽器清洗系統(tǒng)包括海綿清洗球、球過(guò)濾器、差壓計(jì)、球再循環(huán)泵、球收集器、球循環(huán)管道以及閥門等，如圖2。該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)是在凝汽器運(yùn)行期間，通過(guò)海綿球的循環(huán)擦洗作用，可連續(xù)性地減少或移除沉積及附著在凝汽器鈦管內(nèi)壁的異物及污垢，大大減少傳熱管停堆期間機(jī)械清洗的需求，節(jié)約維修費(fèi)用。

圖1 高壓水射流污垢清洗技術(shù)

圖2 凝汽器膠球清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

而凝汽器在線清洗的劣勢(shì)是，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備、替換小球、檢查遺失小球等需要成本，小球分配的不均勻可能導(dǎo)致傳熱管清洗的不均勻，小球可能堵塞在傳熱管中。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，不能單純依靠在線清洗技術(shù)，還要和其他清洗方法配合使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

熱交換器污垢以及因污垢熱阻造成熱交換器傳熱性能的下降已成為設(shè)備管理人員不可回避的問題，結(jié)合多年的核電廠熱交換器管理經(jīng)驗(yàn)，提出從設(shè)計(jì)制造的選材、關(guān)鍵化學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制、熱交換器運(yùn)行溫度和流速的選擇等角度，來(lái)減少污垢的產(chǎn)生；從熱交換器的性能監(jiān)測(cè)和結(jié)垢性能狀態(tài)的評(píng)價(jià)，以及污垢清洗策略的選擇方面，提出具體的管理對(duì)策，為運(yùn)行核電廠的熱交換器管理提供了借鑒和參考。

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

［2］潘逸瓊，粱磊，劉世宏，等.管材種類和污垢對(duì)凝汽器傳熱性能的影響[J].汽輪機(jī)技術(shù)，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.

〔編輯 王永洲〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.08