自主研發中央寒水機熱交換器化學清洗作業

優良員工提案專題

683期

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文、圖 第三核能發電廠 楊俊鴻

提案背景

電廠中央寒水系統為Trane廠牌1500冷凍噸R-11冷媒之負壓運轉寒水機,提供寒水至控制廠房、輔助廠房、燃料廠房、廢料廠房、圍阻體等,維持各廠房內部環境溫度。若寒水機之熱交換器效率不佳,可能使各廠房室內環境溫度升高,危害設備運轉安全。

中央寒水機化學清洗動機

中央寒水機運轉多年以來,僅早期(民國83年)曾委外執行過化學清洗。105年12月冷凝器破管,因寒水機屬負壓機組,海水進入冷媒系統,造成內部鏽蝕,後續雖檢修完成,但熱交換器銅管表面鏽垢造成運轉效率降低,需兩台中央寒水機同時運轉(原只需單機運轉),才足夠廠房所需冷度。經討論決定再次執行寒水機化學清洗。

原本規劃再次委外執行化學清洗作業,考量需經運轉後才能得知清洗效果,且清洗後的廢水需另外報價處理(3萬元/1噸),再加上電廠專業可以研發清洗設備及化學配發,最後決定由電廠自行開發寒水機化學清洗作業。

化學清洗流程及藥劑配方建立

本次化學清洗的研發包含了化學藥劑的調配及化學清洗設備的配置,經電廠內部討論,決定由環化組及機械組組成化學清洗研發團隊,由機械組依寒水機化學清洗時,所需之溫度、曝氣、靜置、循環等參數,自行設計(P&ID)、組裝、模擬運轉操作、正式運作等。機械組提供熱交換器之銅管材料及外殼材料,環化組則於化學實驗室研發需使用何種化學藥劑並訂定相關重要參數,如藥劑濃度、時間、水溫、循環等。

在測試化學清洗藥劑時,冷凝器、蒸發器胴體材質採用碳鋼,熱交換管材質則選用銅,因此其鏽渣含有氧化鐵及氧化銅。環化組決定參考電廠以往執行蒸氣產生器化學清洗的經驗,以鹼洗程序去除氧化鐵,以酸洗程序除氧化銅。在決定清洗程序及藥劑配方前,還需先在實驗室進行一系列實驗。將碳鋼/銅管置於不同濃度藥劑及溫度下反應,測量銅、鐵溶出量。由於熱傳效率受到沉積於銅管鰭片(Fin)間隙上的氧化銅(大多為氧化亞銅,Cu2O)阻絕,採用酸洗可以去除氧化銅,因此將此次化學清洗分成兩個循環進行:第1循環維持鹼洗,使用EDTA(6%),溫度85°C,預計清洗4至6小時;第2循環採用酸洗,酸性化學藥劑可使用胺基磺酸(10%)及(或)硝酸,控制酸鹼值(pH)於2~3之間,酸洗溫度在60°C以下。

另外,實驗結果顯示,雖然溫度維持在60°C以下時,添加腐蝕抑制劑與否對於銅、鐵溶出量並無顯著增加,但為保守起見,第1次酸洗仍決定添加腐蝕抑制劑。然而在酸洗蒸發器時,因為效果不佳,故第2次之後清洗過程無添加腐蝕抑制劑。

另一台寒水機模擬測試成果

考量一號機三台中央寒水機其中一台GB-Z050,於107年即將更新為R-134a冷媒寒水機組,且寒水機化學清洗為電廠自行研發,尚無實際寒水機熱交換器化學清洗經驗。因此先從GB-Z050進行化學清洗,再依其清洗結果,調整化學藥劑配方及管路設備之配置。經檢討一號機GB-Z050化學清洗結果,在加熱槽部份,新增一只加熱槽,以達到化學藥劑反應的溫度(80°C)。為使熱交換器內部化學藥劑反應效果更好,於熱交換內部增設曝氣管及增設管路接頭配置,增加化學清洗期間,管閥操作彈性。

執行成果

中央寒水機在進行化學清洗後,由運轉電流與冷媒溫度可以看出,化學清洗後,可在設計運轉條件下,賦予中央寒水機更大的負載。寒水機運轉參數的運轉電流由原清洗前需使用到80%的運轉電流,在化學清洗後僅需使用60%的運轉電流,代表較原先運轉更省能源;而在冷媒溫度(相對於蒸發器壓力)方面,當寒水機負載增加時,蒸發器壓力會越低(冷媒溫度也會越低),當化學清洗後,冷媒溫度較化學清洗前更高,代表寒水機負載量較之前低,效能提高,有達到化學清洗預期的效果。

另外,在中央寒水機化學清洗後,熱交換銅管外表面鰭片清晰可見,代表有效移除積存在銅管外表面的積垢、銅鏽、鐵鏽等影響熱交換效能之物質。經本團隊環化組計算本次化學清洗在熱交換器之冷凝器及蒸發器的銅、鐵氧化物的移除量如下:

冷凝器:Fe2O3+CuO總移除量99.02kg。

蒸發器:Fe2O3+CuO總移除量63.68kg。

改善效益之有形效益

本廠自行製作清洗設備,單次成本效益包含:節省化學清洗委外辦理費用約99萬元、節省委外廢水處理費用約180萬元(清洗產生廢水約60噸x3(萬/噸)=180萬)、本廠自行化學清洗花費約35萬元(製作清洗設備成本15萬+化學藥劑10萬元+廢液處理費用10萬元)、清洗人力為本廠員工輪值排班共11人,共用時9天(人工費不計)完成清洗作業。上述合計共節省244萬元(99萬+180萬-35萬=244萬元)。

另外尚有以下效益:減少濾網阻塞所衍生設備維修費用9.6萬元(2000(元/人)x3人x2天x8次=9.6萬元);清洗前原為兩台中央寒水機運轉,經化學清洗後,只需運轉一台中央寒水機,即可符合廠房所需之冷度;減少一台寒水機運轉可降低電廠設備之耗電量,預估每年可節省約810萬元。

改善效益之無形效益

建立寒水機熱交換器化學清洗自主化技術,對本廠而言,相當於掌握自主關鍵技術,提升事業部競爭力,而建立寒水機熱交換器化學清洗標準化流程,提升設備可靠度及機組發電穩定度,顯著降低請修單申請數量;在進行化學清洗前需兩台寒水機運轉,清洗後僅一台寒水機即可提供廠房所需冷度,避免因兩台寒水機同時運轉時,若另一台需要維修保養,即可能造成機組停機之風險。藉由自行研發及創新,除了有效達到化學清洗目的,使設備可正常運轉,保障核能安全之外,也大幅提升同仁集體榮譽感。

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