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(lèi)：核島設(shè)備、常規(guī)島設(shè)備、輔助系統(tǒng)設(shè)備。這三類(lèi)設(shè)備中有不同種類(lèi)、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(jī)組運(yùn)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(yùn)行，設(shè)備性能下降對(duì)機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)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(huì)對(duì)熱交換器進(jìn)行預(yù)防性維修，機(jī)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(shí)際運(yùn)行情況開(kāi)展換熱設(shè)備的性能監(jiān)測(cè)方法研究，并開(kāi)發(fā)出性能監(jiān)測(cè)平臺(tái)和管理工具。

開(kāi)發(fā)核電廠熱交換器性能監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可以系統(tǒng)地收集、整理和存儲(chǔ)熱交換器設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)維修、更換情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)熱交換器設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、性能分析，為開(kāi)展故障診斷、壽命評(píng)估以及部件變更改造和機(jī)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(duì)核電廠運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性的影響，篩選出具有性能監(jiān)測(cè)必要的熱交換器。幾種重要的熱交換器性能監(jiān)測(cè)對(duì)象如表1所示。

表1 熱交換器性能監(jiān)測(cè)對(duì)象

1 功能總體設(shè)計(jì)

1.1 查詢(xún)功能

查詢(xún)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(xún)熱交換器設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)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(yàn)反饋信息。查詢(xún)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(kù)，包括設(shè)備類(lèi)型、型號(hào)、規(guī)格、使用說(shuō)明、制造商和供應(yīng)商等基本信息和相關(guān)信息：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、使用說(shuō)明、工程圖紙等。

（2）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理。對(duì)各類(lèi)熱交換器設(shè)備的運(yùn)行記錄、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、故障歷史、維修記錄、設(shè)備巡檢記錄等進(jìn)行管理。

（3）查詢(xún)統(tǒng)計(jì)。可以對(duì)熱交換器基本信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照各種條件進(jìn)行查詢(xún)統(tǒng)計(jì)。

1.2 監(jiān)測(cè)功能

通過(guò)監(jiān)測(cè)及時(shí)收集、記錄熱交換器運(yùn)行數(shù)據(jù)，并監(jiān)測(cè)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的運(yùn)行情況，及時(shí)提供預(yù)警和報(bào)警反饋。監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)的水平越高，對(duì)熱交換器運(yùn)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(cè)功能就是通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備巡檢記錄的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、性能指標(biāo)等，收集設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行的基本參數(shù)并記錄為基本數(shù)據(jù)庫(kù)。熱交換器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(yùn)行提供保障。

監(jiān)測(cè)功能利用熱交換器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備巡檢記錄大規(guī)模收集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。但反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)量參數(shù)很多，必須對(duì)采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行整理收集，才能對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(guò)與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接口，可以從中獲取選定的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有實(shí)時(shí)監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，可以采用定期巡檢和測(cè)量方法獲取設(shè)備運(yùn)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(kù)中。

1.3 數(shù)據(jù)分析功能

對(duì)熱交換器監(jiān)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，并按照一定的變化規(guī)律來(lái)判斷設(shè)備性能的變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)分析功能通過(guò)設(shè)定的狀態(tài)判斷準(zhǔn)則，將監(jiān)測(cè)到的熱交換器狀態(tài)數(shù)據(jù)與此進(jìn)行比較，通過(guò)一定的算法或分析等，得出其變化趨勢(shì)，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(jì)算公式表

2 監(jiān)測(cè)方法與計(jì)算分析

當(dāng)前各核電廠主要采用的熱交換器類(lèi)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(yàn)方法包括傳熱系數(shù)法、功能試驗(yàn)法、溫度效應(yīng)法、溫差監(jiān)測(cè)法、壓降監(jiān)測(cè)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(jìn)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(jì)算，結(jié)果更為準(zhǔn)確，成為本平臺(tái)的首選。但是它有使用條件，即要求現(xiàn)場(chǎng)工況穩(wěn)定，進(jìn)而參數(shù)穩(wěn)定。各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式如表2所示，計(jì)算順序按表中的步驟進(jìn)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(jì)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(jìn)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?cái)?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(jìn)行不同類(lèi)型熱交換器傳熱面積的計(jì)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(jì)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(shí)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(lái)很大的方便，可以進(jìn)一步提高核電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行的，故板式熱交換器還不能在核電廠中得到普遍應(yīng)用。考慮到核電廠的安全，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(xì)設(shè)計(jì)

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(lèi)及電子化存檔，用戶可以錄入和查看監(jiān)測(cè)范圍熱交換器全部的基礎(chǔ)信息。主要包括三個(gè)子模塊，即熱交換器設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)子模塊

（1）總體參數(shù)。通過(guò)參數(shù)查看可以對(duì)該設(shè)備進(jìn)行技術(shù)參數(shù)信息的維護(hù)和查看，其中，設(shè)備結(jié)構(gòu)形式與換熱形式通過(guò)設(shè)備類(lèi)別維護(hù)后自動(dòng)加載。對(duì)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(hù)后，統(tǒng)計(jì)查詢(xún)中可以方便對(duì)設(shè)備進(jìn)行歸類(lèi)查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)。對(duì)設(shè)備列表信息維護(hù)后，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行添加、修改、查詢(xún)管理。

（2）結(jié)構(gòu)圖冊(cè)。對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖冊(cè)進(jìn)行查詢(xún)、增加、修改、刪除維護(hù)操作，以及對(duì)圖冊(cè)文件進(jìn)行附件上傳與查看功能。

（3）設(shè)計(jì)過(guò)程文件。對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程文件進(jìn)行查詢(xún)、增加、修改、刪除維護(hù)操作，以及對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程文件進(jìn)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(jī)組名稱(chēng)、制造文檔名稱(chēng)、文件編碼、版本等。對(duì)設(shè)備制造階段產(chǎn)生的制造文檔進(jìn)行查詢(xún)、增加、修改、刪除維護(hù)操作，以及對(duì)制造文件進(jìn)行附件上傳與查看功能。

（2）不符合項(xiàng)文件。制造階段產(chǎn)生的不符合項(xiàng)列表包括機(jī)組名稱(chēng)、不符合項(xiàng)報(bào)告名稱(chēng)、不符合項(xiàng)報(bào)告編碼、版本等字段。對(duì)不符合項(xiàng)文件進(jìn)行查詢(xún)、增加、修改、刪除維護(hù)操作，以及對(duì)不符合項(xiàng)文件進(jìn)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(chēng)、材料名稱(chēng)、材料特性等），對(duì)材料數(shù)據(jù)文件進(jìn)行查詢(xún)、增加、修改、刪除維護(hù)操作，以及材料數(shù)據(jù)文件進(jìn)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(bào)告等文件（含機(jī)組名稱(chēng)、文件名稱(chēng)、文件編號(hào)、文件版本等字段），對(duì)安裝調(diào)試數(shù)據(jù)文件進(jìn)行查詢(xún)、增加、修改、刪除維護(hù)操作，以及安裝調(diào)試數(shù)據(jù)文件進(jìn)行附件上傳與查看功能。

3.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)管理模塊

運(yùn)行數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱交換器設(shè)備熱工運(yùn)行參數(shù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化管理。關(guān)于運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理，需要從監(jiān)測(cè)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(jìn)行收集整理，并以月為單位進(jìn)行曲線繪制，便于核電廠更加直觀地對(duì)每一周期內(nèi)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)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(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理。

3.2.1 接口協(xié)議

接口協(xié)議需要在項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施后，通過(guò)調(diào)研才能確定采用哪種協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。

3.2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)篩選

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的篩選首先對(duì)不同類(lèi)型的設(shè)備定義需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的參數(shù)性能項(xiàng)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(cè)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(kù)中。

3.2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

運(yùn)行數(shù)據(jù)需從監(jiān)測(cè)結(jié)果中進(jìn)行挑選，每月可對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線化處理，并將處理的曲線圖片導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。其中，溫度類(lèi)數(shù)據(jù)、壓力類(lèi)數(shù)據(jù)、閥門(mén)開(kāi)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(gè)過(guò)程。

3.3 設(shè)備完整性管理模塊

設(shè)備完整性管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電化學(xué)、設(shè)備故障、缺陷、老化、防腐、堵管等完整性問(wèn)題的管理功能，通過(guò)匯總設(shè)備檢查、大修、巡檢等對(duì)設(shè)備存在的故障、缺陷等問(wèn)題的描述，管理和評(píng)估設(shè)備狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)管殼式換熱器堵管率情況，作為換熱器熱性能計(jì)算中換熱面積計(jì)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(xiàng)。設(shè)備完整性判斷項(xiàng)如表3所示。

表3 設(shè)備完整性判斷項(xiàng)表

3.4 性能計(jì)算及評(píng)價(jià)模塊

性能計(jì)算及評(píng)價(jià)模塊對(duì)核電廠熱交換器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)核電廠熱交換器熱性能計(jì)算，通過(guò)計(jì)算所得的非直接參數(shù)和熱交換器關(guān)鍵性能參數(shù)評(píng)價(jià)設(shè)備性能狀態(tài)。每一類(lèi)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)算輸入表和計(jì)算結(jié)果輸出表。輸入?yún)?shù)來(lái)源于運(yùn)行數(shù)據(jù)管理模塊，計(jì)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)后可在運(yùn)行數(shù)據(jù)管理模塊形成月度曲線。性能計(jì)算及評(píng)價(jià)模塊的主要功能為：

（1）關(guān)鍵參數(shù)性能監(jiān)測(cè)選項(xiàng)設(shè)置。通過(guò)選擇機(jī)組號(hào)，再選擇設(shè)備類(lèi)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(lái)反應(yīng)設(shè)備的健康狀態(tài)。

（2）性能計(jì)算選項(xiàng)設(shè)置。平臺(tái)軟件采取統(tǒng)一的命名模式定義設(shè)備的平臺(tái)編號(hào)。通過(guò)選擇機(jī)組號(hào)，選擇設(shè)備類(lèi)型，再通過(guò)設(shè)備編號(hào)定位具體設(shè)備，可以進(jìn)行設(shè)備熱性能計(jì)算。

（3）計(jì)算結(jié)果展示。熱交換器性能計(jì)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(chǔ)熱交換器性能監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的系統(tǒng)支撐信息，主要面向?qū)Ρ鞠到y(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)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(jī)組信息。以列表的方式存儲(chǔ)各機(jī)組的基本信息。列表的內(nèi)容包括：機(jī)組編號(hào)、機(jī)組名稱(chēng)、投運(yùn)年份、備注。

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

（3）波動(dòng)管信息。以列表的方式存儲(chǔ)各機(jī)組每根波動(dòng)管的基本信息。列表的內(nèi)容包括：波動(dòng)管編號(hào)、波動(dòng)管名稱(chēng)、所屬機(jī)組、備注。

（4）大修信息。以列表的方式存儲(chǔ)歷次大修的基本信息。列表的內(nèi)容包括：大修編號(hào)、大修名稱(chēng)、機(jī)組編號(hào)、大修開(kāi)始時(shí)間、大修結(jié)束時(shí)間。

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

4 監(jiān)測(cè)平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

本平臺(tái)基于成熟的SSM框架而構(gòu)建，注重易用性、容錯(cuò)性、安全性、可維護(hù)性、先進(jìn)性、成熟性和可擴(kuò)展性。SSM框架由Spring、SpringMVC、My-Batis三個(gè)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(tái)等特點(diǎn)。平臺(tái)以列表的方式顯示各級(jí)導(dǎo)航菜單（對(duì)應(yīng)各級(jí)模塊），供系統(tǒng)管理人員進(jìn)行模塊維護(hù)。列表的內(nèi)容包括：模塊編號(hào)、模塊名稱(chēng)、鏈接地址、父模塊編號(hào)、備注?？紤]到業(yè)務(wù)未來(lái)發(fā)展的需要，盡可能設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)明，降低各功能模塊耦合度，并充分考慮兼容性。

平臺(tái)全面收集并記錄熱交換器設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試等數(shù)據(jù)信息，并能實(shí)時(shí)收集記錄運(yùn)行、監(jiān)督檢查、維護(hù)維修、技術(shù)改造、經(jīng)驗(yàn)反饋、老化管理文件及老化評(píng)定結(jié)果等方面的數(shù)據(jù)。相關(guān)人員可以方便地查詢(xún)穩(wěn)壓器及波動(dòng)管設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)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(yàn)反饋信息，可以對(duì)熱交換器監(jiān)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，并按照一定的變化規(guī)律來(lái)判斷設(shè)備性能的變化趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)大部分核電廠的熱交換器相關(guān)信息分散在設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、安裝、維修維護(hù)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(duì)熱交換器的部分資料進(jìn)行歸檔，而未對(duì)相關(guān)信息進(jìn)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(jìn)行熱交換器的性能監(jiān)督和熱性能趨勢(shì)分析，為熱交換器定期性能測(cè)試及維修維護(hù)提供信息支持與經(jīng)驗(yàn)反饋［7］。未來(lái)的系統(tǒng)升級(jí)，還將實(shí)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。