核電廠熱交換器性能監(jiān)測平臺設(shè)計*

楊正祥

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

核電廠的設(shè)備主要分為三類：核島設(shè)備、常規(guī)島設(shè)備、輔助系統(tǒng)設(shè)備。這三類設(shè)備中有不同種類、不同結(jié)構(gòu)、不同功能、不同換熱方式的熱交換器，在核電機組運行中起到重要的作用。部分熱交換器在輻照、高溫高壓、水質(zhì)差等惡劣環(huán)境下運行，設(shè)備性能下降對機組運行的安全性和經(jīng)濟性都有重大的影響。核電廠的換熱設(shè)備眾多，服役工況各異，堵管、結(jié)垢、老化降質(zhì)的情況不盡相同［1-2］。雖然核電廠一般都會對熱交換器進行預(yù)防性維修，機械部件的定期檢查、維修或替換，但為了提高管理效率，仍有必要根據(jù)核電廠的實際運行情況開展換熱設(shè)備的性能監(jiān)測方法研究，并開發(fā)出性能監(jiān)測平臺和管理工具。

開發(fā)核電廠熱交換器性能監(jiān)測平臺，可以系統(tǒng)地收集、整理和存儲熱交換器設(shè)備設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、運行、維護維修、更換情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)熱交換器設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、性能分析，為開展故障診斷、壽命評估以及部件變更改造和機組延壽等工作提供重要、可靠的依據(jù)。根據(jù)熱交換器的功能、核安全性和對核電廠運行可靠性、經(jīng)濟性的影響，篩選出具有性能監(jiān)測必要的熱交換器。幾種重要的熱交換器性能監(jiān)測對象如表1所示。

表1 熱交換器性能監(jiān)測對象

1 功能總體設(shè)計

1.1 查詢功能

查詢功能主要為相關(guān)崗位人員提供熱交換器管理數(shù)據(jù)信息，使用人員可以方便地查詢熱交換器設(shè)計、制造、運行、監(jiān)督檢查和維修等各階段的相關(guān)文件、數(shù)據(jù)，并且可以檢索相關(guān)經(jīng)驗反饋信息。查詢功能包括：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。建立完善的熱交換器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括設(shè)備類型、型號、規(guī)格、使用說明、制造商和供應(yīng)商等基本信息和相關(guān)信息：設(shè)計數(shù)據(jù)、使用說明、工程圖紙等。

（2）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理。對各類熱交換器設(shè)備的運行記錄、監(jiān)測數(shù)據(jù)、故障歷史、維修記錄、設(shè)備巡檢記錄等進行管理。

（3）查詢統(tǒng)計?？梢詫峤粨Q器基本信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照各種條件進行查詢統(tǒng)計。

1.2 監(jiān)測功能

通過監(jiān)測及時收集、記錄熱交換器運行數(shù)據(jù)，并監(jiān)測設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的運行情況，及時提供預(yù)警和報警反饋。監(jiān)測和診斷技術(shù)的水平越高，對熱交換器運行狀態(tài)的了解就越清楚，因此，故障診斷分析和維修決策的制定也就越準(zhǔn)確，也可降低或減少安全隱患的發(fā)生。設(shè)備監(jiān)測功能就是通過監(jiān)測系統(tǒng)或設(shè)備巡檢記錄的實時運行參數(shù)、性能指標(biāo)等，收集設(shè)備或系統(tǒng)運行的基本參數(shù)并記錄為基本數(shù)據(jù)庫。熱交換器運行狀態(tài)監(jiān)測的意義不僅僅在于幫助了解設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，還可以為設(shè)備的安全運行提供保障。

監(jiān)測功能利用熱交換器監(jiān)測系統(tǒng)或設(shè)備巡檢記錄大規(guī)模收集設(shè)備運行數(shù)據(jù)。但反映設(shè)備運行狀態(tài)的測量參數(shù)很多，必須對采集的各種數(shù)據(jù)進行分析，選擇其中有代表性的、具有明確判別標(biāo)準(zhǔn)的特征數(shù)據(jù)進行整理收集，才能對設(shè)備的運行狀態(tài)進行判斷，例如設(shè)備的壓力、溫度、流量、液位等。特征數(shù)據(jù)包括在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)，在線數(shù)據(jù)從熱交換器監(jiān)控系統(tǒng)中獲得數(shù)據(jù)，通過與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接口，可以從中獲取選定的狀態(tài)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)；對于現(xiàn)場沒有實時監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，可以采用定期巡檢和測量方法獲取設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并錄入系統(tǒng)，統(tǒng)一記錄到設(shè)備狀態(tài)基本數(shù)據(jù)庫中。

1.3 數(shù)據(jù)分析功能

對熱交換器監(jiān)測的部分數(shù)據(jù)進行分析，并按照一定的變化規(guī)律來判斷設(shè)備性能的變化趨勢。數(shù)據(jù)分析功能通過設(shè)定的狀態(tài)判斷準(zhǔn)則，將監(jiān)測到的熱交換器狀態(tài)數(shù)據(jù)與此進行比較，通過一定的算法或分析等，得出其變化趨勢，判斷設(shè)備狀態(tài)的變化，分析設(shè)備存在何種故障和隱患。

表2 傳熱系數(shù)法計算公式表

2 監(jiān)測方法與計算分析

當(dāng)前各核電廠主要采用的熱交換器類型包括管殼式、板式、螺旋板式與波紋管式，其中，前二者是圓筒壁制式，后二者是平壁制式。根據(jù)EPRI TR-107397導(dǎo)則，常用的熱交換器性能試驗方法包括傳熱系數(shù)法、功能試驗法、溫度效應(yīng)法、溫差監(jiān)測法、壓降監(jiān)測法及目視檢查法［3-4］。其中，傳熱系數(shù)法按利用傳熱系數(shù)進行熱力轉(zhuǎn)換分析以確定熱交換器的傳熱能力，采用公式計算，結(jié)果更為準(zhǔn)確，成為本平臺的首選。但是它有使用條件，即要求現(xiàn)場工況穩(wěn)定，進而參數(shù)穩(wěn)定。各項參數(shù)的計算公式如表2所示，計算順序按表中的步驟進行［5-6］。

表中各變量的含義為：di、do、da分別為傳熱管的內(nèi)徑、外徑和計算直徑，a1為管內(nèi)流體放熱系數(shù)，a2為管外流體放熱系數(shù)，Rf為污垢熱阻，Rw為管壁熱阻，Δtmax、Δtmin分別為進口端和出口端的最大、最小溫差，pt為傳熱量，λ為冷卻劑熱導(dǎo)率，Nu為努塞爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特數(shù)，d為波紋管的平均直徑，分別為波紋管的內(nèi)徑、外徑、節(jié)距、波深。

采用上述公式進行不同類型熱交換器傳熱面積的計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們的傳熱面積隨著功率的增加有一定增加。但在相同功率下，管殼式熱交換器傳熱面積最大，板式熱交換器的傳熱面積最小且換熱系數(shù)最高。板式的板片設(shè)計具有一定規(guī)律，結(jié)構(gòu)更加緊湊，因此換熱效果更為理想。實現(xiàn)同樣的換熱任務(wù)，板式熱交換器的占地面積約為管殼式熱交換器的1/5-1/10，從而給檢修帶來很大的方便，可以進一步提高核電廠運行的經(jīng)濟性。但是板式熱交換器的工作壓力和溫度都比較低，而核電廠的很多設(shè)備是在高溫高壓的工作條件下進行的，故板式熱交換器還不能在核電廠中得到普遍應(yīng)用?？紤]到核電廠的安全，需要提高板式熱交換器的材料性能以及工藝水平，以適應(yīng)核電廠的工作條件［5-6］。

3 模塊詳細設(shè)計

3.1 基礎(chǔ)信息模塊

該模塊用于核電廠熱交換器基本信息的歸類及電子化存檔，用戶可以錄入和查看監(jiān)測范圍熱交換器全部的基礎(chǔ)信息。主要包括三個子模塊，即熱交換器設(shè)計數(shù)據(jù)、制造及材料數(shù)據(jù)、安裝數(shù)據(jù)。

3.1.1 熱交換器設(shè)計數(shù)據(jù)子模塊

（1）總體參數(shù)。通過參數(shù)查看可以對該設(shè)備進行技術(shù)參數(shù)信息的維護和查看，其中，設(shè)備結(jié)構(gòu)形式與換熱形式通過設(shè)備類別維護后自動加載。對設(shè)備結(jié)構(gòu)形式與換熱形式基礎(chǔ)字典數(shù)據(jù)維護后，統(tǒng)計查詢中可以方便對設(shè)備進行歸類查詢、統(tǒng)計。對設(shè)備列表信息維護后，可以對設(shè)備進行添加、修改、查詢管理。

（2）結(jié)構(gòu)圖冊。對設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖冊進行查詢、增加、修改、刪除維護操作，以及對圖冊文件進行附件上傳與查看功能。

（3）設(shè)計過程文件。對設(shè)計過程文件進行查詢、增加、修改、刪除維護操作，以及對設(shè)計過程文件進行附件上傳與查看功能。

3.1.2 制造及材料數(shù)據(jù)子模塊

（1）制造文檔。設(shè)備制造階段產(chǎn)生的制造文檔。列表包括機組名稱、制造文檔名稱、文件編碼、版本等。對設(shè)備制造階段產(chǎn)生的制造文檔進行查詢、增加、修改、刪除維護操作，以及對制造文件進行附件上傳與查看功能。

（2）不符合項文件。制造階段產(chǎn)生的不符合項列表包括機組名稱、不符合項報告名稱、不符合項報告編碼、版本等字段。對不符合項文件進行查詢、增加、修改、刪除維護操作，以及對不符合項文件進行附件上傳與查看功能。

（3）材料數(shù)據(jù)模塊。主要包括設(shè)備所用材料的重要信息（如各部件名稱、材料名稱、材料特性等），對材料數(shù)據(jù)文件進行查詢、增加、修改、刪除維護操作，以及材料數(shù)據(jù)文件進行附件上傳與查看功能。

3.1.3 安裝數(shù)據(jù)子模塊

包括設(shè)備安裝調(diào)試階段產(chǎn)生的安裝程序和安裝報告等文件（含機組名稱、文件名稱、文件編號、文件版本等字段），對安裝調(diào)試數(shù)據(jù)文件進行查詢、增加、修改、刪除維護操作，以及安裝調(diào)試數(shù)據(jù)文件進行附件上傳與查看功能。

3.2 運行數(shù)據(jù)管理模塊

運行數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)對熱交換器設(shè)備熱工運行參數(shù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化管理。關(guān)于運行數(shù)據(jù)的處理，需要從監(jiān)測系統(tǒng)中篩選與熱交換器性能相關(guān)的數(shù)據(jù)（壓力、溫度、流量、液位等）進行收集整理，并以月為單位進行曲線繪制，便于核電廠更加直觀地對每一周期內(nèi)的運行過程進行判斷。在完成設(shè)備基本信息數(shù)據(jù)建立后，就可以建立或?qū)嵤┰O(shè)備的運行數(shù)據(jù)監(jiān)測管理。

3.2.1 接口協(xié)議

接口協(xié)議需要在項目開始實施后，通過調(diào)研才能確定采用哪種協(xié)議進行數(shù)據(jù)對接。

3.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)篩選

監(jiān)測數(shù)據(jù)的篩選首先對不同類型的設(shè)備定義需要進行監(jiān)測的參數(shù)性能項目（如溫度、壓力、壓差、流量、水位等），然后在龐大的瞬態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中篩選出與熱交換器性能相關(guān)的瞬態(tài)數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫中。

3.2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測

運行數(shù)據(jù)需從監(jiān)測結(jié)果中進行挑選，每月可對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行曲線化處理，并將處理的曲線圖片導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中。其中，溫度類數(shù)據(jù)、壓力類數(shù)據(jù)、閥門開度和穩(wěn)壓器水位分別繪制在曲線圖上，這樣可以更加清晰的判斷瞬態(tài)發(fā)生的整個過程。

3.3 設(shè)備完整性管理模塊

設(shè)備完整性管理模塊實現(xiàn)對電化學(xué)、設(shè)備故障、缺陷、老化、防腐、堵管等完整性問題的管理功能，通過匯總設(shè)備檢查、大修、巡檢等對設(shè)備存在的故障、缺陷等問題的描述，管理和評估設(shè)備狀態(tài)。統(tǒng)計管殼式換熱器堵管率情況，作為換熱器熱性能計算中換熱面積計算的輸入條件。在設(shè)備故障與缺陷的管理功能中，根據(jù)采集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)設(shè)定設(shè)備完整性判斷項。設(shè)備完整性判斷項如表3所示。

表3 設(shè)備完整性判斷項表

3.4 性能計算及評價模塊

性能計算及評價模塊對核電廠熱交換器的關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)測，同時通過對不同設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的判斷反饋設(shè)備的健康狀態(tài)及相應(yīng)狀態(tài)反饋，實現(xiàn)核電廠熱交換器熱性能計算，通過計算所得的非直接參數(shù)和熱交換器關(guān)鍵性能參數(shù)評價設(shè)備性能狀態(tài)。每一類設(shè)備對應(yīng)一個計算輸入表和計算結(jié)果輸出表。輸入?yún)?shù)來源于運行數(shù)據(jù)管理模塊，計算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫后可在運行數(shù)據(jù)管理模塊形成月度曲線。性能計算及評價模塊的主要功能為：

（1）關(guān)鍵參數(shù)性能監(jiān)測選項設(shè)置。通過選擇機組號，再選擇設(shè)備類型，不同的設(shè)備根據(jù)設(shè)備功能的不同設(shè)定不同的關(guān)鍵參數(shù)比重，來反應(yīng)設(shè)備的健康狀態(tài)。

（2）性能計算選項設(shè)置。平臺軟件采取統(tǒng)一的命名模式定義設(shè)備的平臺編號。通過選擇機組號，選擇設(shè)備類型，再通過設(shè)備編號定位具體設(shè)備，可以進行設(shè)備熱性能計算。

（3）計算結(jié)果展示。熱交換器性能計算后，結(jié)果以表格顯示或曲線圖查看。

3.5 系統(tǒng)管理模塊

此模塊用于存儲熱交換器性能監(jiān)測及評價數(shù)據(jù)庫軟件的系統(tǒng)支撐信息，主要面向?qū)Ρ鞠到y(tǒng)進行日常維護的管理人員。此模塊內(nèi)容包括系統(tǒng)框架管理、用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)字典管理、日志管理。其中數(shù)據(jù)字典管理的信息有：

（1）機組信息。以列表的方式存儲各機組的基本信息。列表的內(nèi)容包括：機組編號、機組名稱、投運年份、備注。

（2）穩(wěn)壓器信息。以列表的方式存儲各機組穩(wěn)壓器的基本信息。列表的內(nèi)容包括：穩(wěn)壓器編號、穩(wěn)壓器名稱、所屬機組、備注。

（3）波動管信息。以列表的方式存儲各機組每根波動管的基本信息。列表的內(nèi)容包括：波動管編號、波動管名稱、所屬機組、備注。

（4）大修信息。以列表的方式存儲歷次大修的基本信息。列表的內(nèi)容包括：大修編號、大修名稱、機組編號、大修開始時間、大修結(jié)束時間。

（5）系統(tǒng)代碼信息。以列表的方式存儲系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率較高的文本數(shù)據(jù)（如反應(yīng)堆類型、評審類型、老化機理類型等等）。列表的內(nèi)容包括：代碼編號、代碼值。

4 監(jiān)測平臺功能實現(xiàn)

本平臺基于成熟的SSM框架而構(gòu)建，注重易用性、容錯性、安全性、可維護性、先進性、成熟性和可擴展性。SSM框架由Spring、SpringMVC、My-Batis三個非常流行且穩(wěn)定的框架整合而成，具有成熟、穩(wěn)定、跨平臺等特點。平臺以列表的方式顯示各級導(dǎo)航菜單（對應(yīng)各級模塊），供系統(tǒng)管理人員進行模塊維護。列表的內(nèi)容包括：模塊編號、模塊名稱、鏈接地址、父模塊編號、備注。考慮到業(yè)務(wù)未來發(fā)展的需要，盡可能設(shè)計得簡明，降低各功能模塊耦合度，并充分考慮兼容性。

平臺全面收集并記錄熱交換器設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試等數(shù)據(jù)信息，并能實時收集記錄運行、監(jiān)督檢查、維護維修、技術(shù)改造、經(jīng)驗反饋、老化管理文件及老化評定結(jié)果等方面的數(shù)據(jù)。相關(guān)人員可以方便地查詢穩(wěn)壓器及波動管設(shè)計、制造、安裝、運行、監(jiān)督檢查和維修等各階段的相關(guān)文件、數(shù)據(jù)，可以檢索相關(guān)經(jīng)驗反饋信息，可以對熱交換器監(jiān)測的部分數(shù)據(jù)進行分析，并按照一定的變化規(guī)律來判斷設(shè)備性能的變化趨勢。

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)大部分核電廠的熱交換器相關(guān)信息分散在設(shè)計、制造、調(diào)試、安裝、維修維護等各環(huán)節(jié)，存在數(shù)據(jù)分散、不完整、共享不便等諸多弊病。有些核電廠僅對熱交換器的部分資料進行歸檔，而未對相關(guān)信息進行分析與提取。因此，建立熱交換器信息管理系統(tǒng)，可以有效地管理熱交換器各方面的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)進行熱交換器的性能監(jiān)督和熱性能趨勢分析，為熱交換器定期性能測試及維修維護提供信息支持與經(jīng)驗反饋［7］。未來的系統(tǒng)升級，還將實現(xiàn)三維可視化直觀顯示功能和大數(shù)據(jù)信息挖掘功能。