核電廠熱交換器污垢清理方案規劃與應用

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

國內核電廠在生產期間，會生成一定數量的廢棄物，對廢棄物進行的處理與凈化工作，成為環保戰略的重要項目。為順應社會環保發展需求，圍繞核電廠生產體系，側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，在換熱器表面發生腐蝕時，以電化學反應為主。假設酸堿值介于4～10，金屬F 的腐蝕反應為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

在熱交換器生產運行時，設備表面生成的物質，稱為污垢[1]。污垢形成后，會逐漸堆積，堆積到一定厚度后，會削弱設備的熱量傳輸能力。一般情況下，核電廠在生產中運行的熱交換設備，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，核電廠生產管理人員，需要高度重視熱交換器的除污工作，根據污垢形成、物質屬性等因素，進行污垢分類。其一，沉淀污垢。在分解化學物質時，在設備表面形成的沉淀物。其二，顆粒污垢。在地球應力條件下，在設備表層堆積的灰塵。其三，腐蝕污垢。在化學反應期間生成的污垢，具有一定腐蝕性。其四，生物污垢。由有機物堆積形成的物質。污垢形成的數學模型如下。

式中：K1表示常數，算法為K1=4Mg×zM1。K1算法中，Mg表示換熱器產生的污垢摩爾質量，單位是kg/kmol；M1表示氧氣的摩爾質量。mg表示單位區域的污垢質量，單位kg/m2；m1表示單位區域的氧氣含量，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 合理選擇設備用料

熱交換設備在實際生產期間，側重選用耐腐蝕材料，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，合理規劃污垢清除周期。例如S32168不銹鋼材料，具有較強的耐腐蝕能力，可用于動力設備生產，減少污垢生成量。該材料固溶態延伸能力為25%，韌性值超過100J，具有較強的可焊性。

2.1.2 加強設備設計

在搭建熱交換器結構時，在設備結構管道位置添加截污設施，例如斷層、碳鋼內管，以增強設備整體去污能力，積極截去污垢。在設備設計時，在管程一側添加蒸汽，控制氣體經過殼程時形成的流量，增加殼程入口數量，形成壓力緩沖效應。同時，添加防沖板，規避高速流體形成的設備腐蝕問題。例如設備與部件設計時，需要加強部件性能控制。RPV 筒體材料標準為，耐蝕層容量為308L，過濾層容量為390L。封頭性能標準：過濾層容量309L、耐蝕層容量308L。

2.1.3 規范使用緩蝕劑

在腐蝕性物質生產期間，添加部分緩蝕劑，能夠降低生產形成的腐蝕污垢，甚至不產生腐蝕污垢。緩蝕劑在使用時，應保證工藝流程完整、產品質量良好。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，進行循環清洗，能夠減少腐蝕污垢的生成[2]。

2.2 加強設備監測力度

使用設備監測技術，動態監控熱交換設備的運行性能，便于核電廠生產管理人員及時排查設備中的污垢問題。核電廠管理層，可借助設備溫度、熱傳輸能力、溫度差值、壓力差值各類參數，判斷設備污垢形成情況。因此，在熱交換器進行清潔管理時，采取各項參數的定期監測方式，準確給出設備性能，排查污垢問題。

例如在檢測設備壓差性能時，檢測人員可使用壓差計量器，將風量設成最大值，借助風扇、風閥的調節方法，促使室內管線靜壓趨近于0，測定靜壓狀態的壓差計量結果。在測試期間，壓差計量計讀數達到1/100 時，檢測人員需要讀取計量結果。如果計量數據顯示有較大浮動時，可操作節流裝置，盡可能地減少波動。同時記錄客觀環境的相關參數，例如溫度、濕度等。

例如某單位以PCA 為視角，構建了熱交換器運行狀態的監測模型，以實測資料為基礎，完成相關模型的創設，以數據驅動為基礎，動態采集設備數據資料。在傳感器幫助下，獲取熱交換器的運行情況，確保設備監測效果。案例單位使用水循環監測設備，對熱交換器內部的水循環裝置狀態，進行有效監控。監測主體有：裝置腐蝕程度、裝置內的結垢量、污垢影響等。該設備操作簡單，可聯合“線性極化”、“腐蝕掛片”等理論，確保監測結果可用。監測結果可用于污垢管理，具有較強的清污指導性。

2.3 清污信息管理方法

2.3.1 建立設備運行資料庫

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

2.3.2 生成清污日志

在污垢清洗前期，進行污垢去除方案的制定，合理驗證污垢類型與設備運行狀態之間的關聯性，確定污垢對設備運行產生的影響。在有效去除污垢后，將清污方案進行導入，完善除污管理體系，形成案例指導，為后續清污工作給出參考依據。與此同時，以資料管理視角，對各類污垢進行建檔管理，補充日常工作監測的設備性能資料、污垢類型判斷依據、污垢清除方案、污垢清除后設備性能等資料，生成清污日志見表1，提升污垢清潔管理的系統性。

表1 清污日志

2.4 有序進行污垢處理

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，準確分析污垢類型，給予針對性除污處理，確保清洗流程準確。現階段，國內進行污垢清洗時，以機械除污、化學清洗為主。機械除污具有操作的簡便性，對清洗人員技術專業性的要求不高。化學清洗具有操作難度，要求清洗人員學習相關的化學知識。

例如某環保單位研發出電子除垢儀，可有效清除各類水垢。經實踐發現：2021 年3 月，某核電廠對運行3 個月的熱交換器進行清垢處理，清垢用時為10min，縮短了設備清垢的時間，獲得核電廠的高度認可；2020 年12 月，廣西某核電廠，清洗運行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備。

如圖1 所示，是電子除垢儀的運行原理。該設備在電磁模仿污垢的作用下，以交變電磁場為技術視角，形成多種電流，對污垢進行干擾，改變污垢原有結構與屬性，成功去除污垢，具有較強的除污能力。

圖1 電子除垢儀的清洗原理

2.5 制定運維清洗方案

對熱交換器進行清潔管理時，需要制定相關的除污機制、清洗制度等，對清洗與除污工作給出參考依據。以化學清洗為例，在制定清洗管理方案時，需要從分析污垢屬性、準備除污藥劑、規范清洗流程、清洗后防銹處理等環節，逐一制定清洗方案。

在分析污垢屬性時，能夠準確判斷污垢形成的原因，便于從根源上控制生產污垢的材料用料，減少后續生產的污垢生成問題。以油垢為例，清洗人員進行化學清洗，清洗流程見圖2，提升除污有效性，防止方法選用不恰當導致除污失敗。在明確除污方法時，準備相應的除污藥劑，為清洗工作奠定基礎條件。在清洗除污期間，清洗人員需要遵循操作規范，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 熱交換器化學清洗示意圖

式中：Q表示藥劑添加質量，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℃。在運水時，及時清除浮油雜質。清洗人員應規范佩戴防護用具，確保清洗安全。在清洗完成時，對除污位置進行防銹處理，以增強設備自身的防污能力，減少污垢堆積問題。

3 實例分析

3.1 清洗

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

3.2 清洗測試

使用核電廠生產運行的熱交換器，進行清洗測試，對比污垢管理效果。在測試期間，測試區面積為2300 m2，以城市供熱干線用作熱量供給，熱量供給負荷最大值為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，管路系統運行壓力設計為1.6MPa，以此進行熱交換性能檢測。

圖3為檢測平臺設計的示意圖。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，對熱線路的工質形成影響。在交換器溫度達到目標值時，進行首次管網工況的試運行。冷卻線路，在冷卻裝置的作用下，形成溫度控制。在交換器溫度調整至要求值時，進行第二次工況試運行。

圖3 性能檢測平臺設計圖

3.3 運行檢測

選擇某核電廠的10 臺熱交換器，進行清洗前后性能對比。測試熱交換器的運行參數如表2 所示。

表2 熱交換器設備參數與使用年數

3.4 污垢清洗方法

在清洗前期，進行回路調節，使熱交換器形成的回路具有循環性，進行注水加壓。當壓力升至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，進行銹垢與雜物的清洗，使其在水沖擊作用下，排出。

化學清洗。將水溫升至60℃，在清洗箱中添加除銹劑，溶劑酸堿值取1.5。在溫度達到50℃時，進行持續循環，循環時間為30min～40min。藥劑清洗時，清洗時間為2 h。如果銹垢量較大，可適當增加循環時間，可增加至4 h。

在藥劑清洗完成，二次進行物理清洗，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 結論

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