核电厂热交换器性能监测平台设计*

杨正祥

（武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065）

核电厂的设备主要分为三类：核岛设备、常规岛设备、辅助系统设备。这三类设备中有不同种类、不同结构、不同功能、不同换热方式的热交换器，在核电机组运行中起到重要的作用。部分热交换器在辐照、高温高压、水质差等恶劣环境下运行，设备性能下降对机组运行的安全性和经济性都有重大的影响。核电厂的换热设备众多，服役工况各异，堵管、结垢、老化降质的情况不尽相同［1-2］。虽然核电厂一般都会对热交换器进行预防性维修，机械部件的定期检查、维修或替换，但为了提高管理效率，仍有必要根据核电厂的实际运行情况开展换热设备的性能监测方法研究，并开发出性能监测平台和管理工具。

开发核电厂热交换器性能监测平台，可以系统地收集、整理和存储热交换器设备设计、制造、安装、调试、运行、维护维修、更换情况的相关数据，实现热交换器设备的状态监测、性能分析，为开展故障诊断、寿命评估以及部件变更改造和机组延寿等工作提供重要、可靠的依据。根据热交换器的功能、核安全性和对核电厂运行可靠性、经济性的影响，筛选出具有性能监测必要的热交换器。几种重要的热交换器性能监测对象如表1所示。

表1 热交换器性能监测对象

1 功能总体设计

1.1 查询功能

查询功能主要为相关岗位人员提供热交换器管理数据信息，使用人员可以方便地查询热交换器设计、制造、运行、监督检查和维修等各阶段的相关文件、数据，并且可以检索相关经验反馈信息。查询功能包括：

（1）基础数据管理。建立完善的热交换器基础数据库，包括设备类型、型号、规格、使用说明、制造商和供应商等基本信息和相关信息：设计数据、使用说明、工程图纸等。

（2）业务数据管理。对各类热交换器设备的运行记录、监测数据、故障历史、维修记录、设备巡检记录等进行管理。

（3）查询统计。可以对热交换器基本信息、业务数据按照各种条件进行查询统计。

1.2 监测功能

通过监测及时收集、记录热交换器运行数据，并监测设备关键参数的运行情况，及时提供预警和报警反馈。监测和诊断技术的水平越高，对热交换器运行状态的了解就越清楚，因此，故障诊断分析和维修决策的制定也就越准确，也可降低或减少安全隐患的发生。设备监测功能就是通过监测系统或设备巡检记录的实时运行参数、性能指标等，收集设备或系统运行的基本参数并记录为基本数据库。热交换器运行状态监测的意义不仅仅在于帮助了解设备的当前状态，还可以为设备的安全运行提供保障。

监测功能利用热交换器监测系统或设备巡检记录大规模收集设备运行数据。但反映设备运行状态的测量参数很多，必须对采集的各种数据进行分析，选择其中有代表性的、具有明确判别标准的特征数据进行整理收集，才能对设备的运行状态进行判断，例如设备的压力、温度、流量、液位等。特征数据包括在线数据和离线数据，在线数据从热交换器监控系统中获得数据，通过与设备监控系统进行数据接口，可以从中获取选定的状态实时监控数据；对于现场没有实时监控或数据采集系统的，可以采用定期巡检和测量方法获取设备运行状态数据并录入系统，统一记录到设备状态基本数据库中。

1.3 数据分析功能

对热交换器监测的部分数据进行分析，并按照一定的变化规律来判断设备性能的变化趋势。数据分析功能通过设定的状态判断准则，将监测到的热交换器状态数据与此进行比较，通过一定的算法或分析等，得出其变化趋势，判断设备状态的变化，分析设备存在何种故障和隐患。

表2 传热系数法计算公式表

2 监测方法与计算分析

当前各核电厂主要采用的热交换器类型包括管壳式、板式、螺旋板式与波纹管式，其中，前二者是圆筒壁制式，后二者是平壁制式。根据EPRI TR-107397导则，常用的热交换器性能试验方法包括传热系数法、功能试验法、温度效应法、温差监测法、压降监测法及目视检查法［3-4］。其中，传热系数法按利用传热系数进行热力转换分析以确定热交换器的传热能力，采用公式计算，结果更为准确，成为本平台的首选。但是它有使用条件，即要求现场工况稳定，进而参数稳定。各项参数的计算公式如表2所示，计算顺序按表中的步骤进行［5-6］。

表中各变量的含义为：di、do、da分别为传热管的内径、外径和计算直径，a1为管内流体放热系数，a2为管外流体放热系数，Rf为污垢热阻，Rw为管壁热阻，Δtmax、Δtmin分别为进口端和出口端的最大、最小温差，pt为传热量，λ为冷却剂热导率，Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，d为波纹管的平均直径，分别为波纹管的内径、外径、节距、波深。

采用上述公式进行不同类型热交换器传热面积的计算，结果发现它们的传热面积随着功率的增加有一定增加。但在相同功率下，管壳式热交换器传热面积最大，板式热交换器的传热面积最小且换热系数最高。板式的板片设计具有一定规律，结构更加紧凑，因此换热效果更为理想。实现同样的换热任务，板式热交换器的占地面积约为管壳式热交换器的1/5-1/10，从而给检修带来很大的方便，可以进一步提高核电厂运行的经济性。但是板式热交换器的工作压力和温度都比较低，而核电厂的很多设备是在高温高压的工作条件下进行的，故板式热交换器还不能在核电厂中得到普遍应用。考虑到核电厂的安全，需要提高板式热交换器的材料性能以及工艺水平，以适应核电厂的工作条件［5-6］。

3 模块详细设计

3.1 基础信息模块

该模块用于核电厂热交换器基本信息的归类及电子化存档，用户可以录入和查看监测范围热交换器全部的基础信息。主要包括三个子模块，即热交换器设计数据、制造及材料数据、安装数据。

3.1.1 热交换器设计数据子模块

（1）总体参数。通过参数查看可以对该设备进行技术参数信息的维护和查看，其中，设备结构形式与换热形式通过设备类别维护后自动加载。对设备结构形式与换热形式基础字典数据维护后，统计查询中可以方便对设备进行归类查询、统计。对设备列表信息维护后，可以对设备进行添加、修改、查询管理。

（2）结构图册。对设备的结构图册进行查询、增加、修改、删除维护操作，以及对图册文件进行附件上传与查看功能。

（3）设计过程文件。对设计过程文件进行查询、增加、修改、删除维护操作，以及对设计过程文件进行附件上传与查看功能。

3.1.2 制造及材料数据子模块

（1）制造文档。设备制造阶段产生的制造文档。列表包括机组名称、制造文档名称、文件编码、版本等。对设备制造阶段产生的制造文档进行查询、增加、修改、删除维护操作，以及对制造文件进行附件上传与查看功能。

（2）不符合项文件。制造阶段产生的不符合项列表包括机组名称、不符合项报告名称、不符合项报告编码、版本等字段。对不符合项文件进行查询、增加、修改、删除维护操作，以及对不符合项文件进行附件上传与查看功能。

（3）材料数据模块。主要包括设备所用材料的重要信息（如各部件名称、材料名称、材料特性等），对材料数据文件进行查询、增加、修改、删除维护操作，以及材料数据文件进行附件上传与查看功能。

3.1.3 安装数据子模块

包括设备安装调试阶段产生的安装程序和安装报告等文件（含机组名称、文件名称、文件编号、文件版本等字段），对安装调试数据文件进行查询、增加、修改、删除维护操作，以及安装调试数据文件进行附件上传与查看功能。

3.2 运行数据管理模块

运行数据管理模块主要实现对热交换器设备热工运行参数和水质数据的系统化管理。关于运行数据的处理，需要从监测系统中筛选与热交换器性能相关的数据（压力、温度、流量、液位等）进行收集整理，并以月为单位进行曲线绘制，便于核电厂更加直观地对每一周期内的运行过程进行判断。在完成设备基本信息数据建立后，就可以建立或实施设备的运行数据监测管理。

3.2.1 接口协议

接口协议需要在项目开始实施后，通过调研才能确定采用哪种协议进行数据对接。

3.2.2 监测数据筛选

监测数据的筛选首先对不同类型的设备定义需要进行监测的参数性能项目（如温度、压力、压差、流量、水位等），然后在庞大的瞬态监测数据中筛选出与热交换器性能相关的瞬态数据，并保存到数据库中。

3.2.3 数据监测

运行数据需从监测结果中进行挑选，每月可对相关的数据进行曲线化处理，并将处理的曲线图片导入数据库中。其中，温度类数据、压力类数据、阀门开度和稳压器水位分别绘制在曲线图上，这样可以更加清晰的判断瞬态发生的整个过程。

3.3 设备完整性管理模块

设备完整性管理模块实现对电化学、设备故障、缺陷、老化、防腐、堵管等完整性问题的管理功能，通过汇总设备检查、大修、巡检等对设备存在的故障、缺陷等问题的描述，管理和评估设备状态。统计管壳式换热器堵管率情况，作为换热器热性能计算中换热面积计算的输入条件。在设备故障与缺陷的管理功能中，根据采集到的设备状态数据设定设备完整性判断项。设备完整性判断项如表3所示。

表3 设备完整性判断项表

3.4 性能计算及评价模块

性能计算及评价模块对核电厂热交换器的关键参数进行监测，同时通过对不同设备关键参数的判断反馈设备的健康状态及相应状态反馈，实现核电厂热交换器热性能计算，通过计算所得的非直接参数和热交换器关键性能参数评价设备性能状态。每一类设备对应一个计算输入表和计算结果输出表。输入参数来源于运行数据管理模块，计算结果存入数据库后可在运行数据管理模块形成月度曲线。性能计算及评价模块的主要功能为：

（1）关键参数性能监测选项设置。通过选择机组号，再选择设备类型，不同的设备根据设备功能的不同设定不同的关键参数比重，来反应设备的健康状态。

（2）性能计算选项设置。平台软件采取统一的命名模式定义设备的平台编号。通过选择机组号，选择设备类型，再通过设备编号定位具体设备，可以进行设备热性能计算。

（3）计算结果展示。热交换器性能计算后，结果以表格显示或曲线图查看。

3.5 系统管理模块

此模块用于存储热交换器性能监测及评价数据库软件的系统支撑信息，主要面向对本系统进行日常维护的管理人员。此模块内容包括系统框架管理、用户权限管理、数据字典管理、日志管理。其中数据字典管理的信息有：

（1）机组信息。以列表的方式存储各机组的基本信息。列表的内容包括：机组编号、机组名称、投运年份、备注。

（2）稳压器信息。以列表的方式存储各机组稳压器的基本信息。列表的内容包括：稳压器编号、稳压器名称、所属机组、备注。

（3）波动管信息。以列表的方式存储各机组每根波动管的基本信息。列表的内容包括：波动管编号、波动管名称、所属机组、备注。

（4）大修信息。以列表的方式存储历次大修的基本信息。列表的内容包括：大修编号、大修名称、机组编号、大修开始时间、大修结束时间。

（5）系统代码信息。以列表的方式存储系统中出现频率较高的文本数据（如反应堆类型、评审类型、老化机理类型等等）。列表的内容包括：代码编号、代码值。

4 监测平台功能实现

本平台基于成熟的SSM框架而构建，注重易用性、容错性、安全性、可维护性、先进性、成熟性和可扩展性。SSM框架由Spring、SpringMVC、My-Batis三个非常流行且稳定的框架整合而成，具有成熟、稳定、跨平台等特点。平台以列表的方式显示各级导航菜单（对应各级模块），供系统管理人员进行模块维护。列表的内容包括：模块编号、模块名称、链接地址、父模块编号、备注。考虑到业务未来发展的需要，尽可能设计得简明，降低各功能模块耦合度，并充分考虑兼容性。

平台全面收集并记录热交换器设计、制造、安装、调试等数据信息，并能实时收集记录运行、监督检查、维护维修、技术改造、经验反馈、老化管理文件及老化评定结果等方面的数据。相关人员可以方便地查询稳压器及波动管设计、制造、安装、运行、监督检查和维修等各阶段的相关文件、数据，可以检索相关经验反馈信息，可以对热交换器监测的部分数据进行分析，并按照一定的变化规律来判断设备性能的变化趋势。

5 结束语

目前，国内大部分核电厂的热交换器相关信息分散在设计、制造、调试、安装、维修维护等各环节，存在数据分散、不完整、共享不便等诸多弊病。有些核电厂仅对热交换器的部分资料进行归档，而未对相关信息进行分析与提取。因此，建立热交换器信息管理系统，可以有效地管理热交换器各方面的数据信息，并根据数据进行热交换器的性能监督和热性能趋势分析，为热交换器定期性能测试及维修维护提供信息支持与经验反馈［7］。未来的系统升级，还将实现三维可视化直观显示功能和大数据信息挖掘功能。