AP1000蒸汽發(fā)生器熱工水力概述

【摘 要】本文對(duì)蒸汽發(fā)生器的分類、工作原理及AP1000蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做了介紹，并著重對(duì)蒸汽發(fā)生器的熱工水力分析的背景、參數(shù)、作用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器：AP1000；熱工水力

Abstract： The article describes the principle of operation， style and brief structure for steam generator， specially discusses the thermal-hydraulic background ， parameters and effects.

Key Words： Steam Generator， AP1000， Thermal-hydraulic

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠一回路、二回路的樞紐，它將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量通過熱交換傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功。蒸汽發(fā)生器又是分隔核島和常規(guī)島的壓力邊界，保證將放射性介質(zhì)封閉在一回路中，保障核電廠的運(yùn)行安全，屬于安全核一級(jí)設(shè)備。

1.蒸汽發(fā)生器工作原理、分類、結(jié)構(gòu)概述

1.1 蒸汽發(fā)生器的分類：1）按照二回路工作介質(zhì)在蒸汽發(fā)生器中流動(dòng)方式，可分為自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器和直流（強(qiáng)迫循環(huán)）蒸汽發(fā)生器；2）按傳熱管形狀，可分為U形管、直管、螺旋管蒸汽發(fā)生器；3）按設(shè)備的安放方式，可分為立式和臥式蒸汽發(fā)生器；4）按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有帶預(yù)熱器和不帶預(yù)熱器的蒸汽發(fā)生器。

1.2 壓水堆U形管蒸汽發(fā)生器工作原理：從反應(yīng)堆來的冷卻劑由蒸汽發(fā)生器進(jìn)口接管進(jìn)入水室封頭，流經(jīng)U形管，在流經(jīng)U形管時(shí)將熱量交換傳給二回路給水，最后通過出口水室、出口接管流回反應(yīng)堆。

二回路給水由上筒體處的給水接管進(jìn)入給水環(huán)，與汽水分離后的疏水混合后，由筒體和包殼之間的環(huán)形通道下降到底部，在U形管外空間加熱并汽化后，進(jìn)入初級(jí)分離器和次級(jí)分離器進(jìn)行汽、水分離，分離后的飽和蒸汽由頂部出口送到汽輪機(jī)，分離后的水重新加入下次換熱循環(huán)。

1.3 AP1000蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)

AP1000蒸汽發(fā)生器采用2臺(tái)典型的直立式帶有一體化汽水分離器的U型管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。AP1000 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)見圖1

2.AP1000 蒸汽發(fā)生器的熱工水力概述

2.1 AP1000熱工水力分析背景

熱工水力分析以熱工和水力理論公式為基礎(chǔ)，采用一維、三維等分析軟件對(duì)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)工況下的蒸汽發(fā)生器的整體及部件進(jìn)行分析。首先，熱工水力計(jì)算關(guān)系到蒸汽發(fā)生器具體設(shè)計(jì)尺寸的確定；其次關(guān)系到后期結(jié)構(gòu)評(píng)定的準(zhǔn)確性；第三諸如AP1000壓水堆蒸汽發(fā)生器中，二次側(cè)的兩相流動(dòng)可明顯地改變流動(dòng)工作介質(zhì)的流動(dòng)、傳熱特性；傳熱管的腐蝕、破損、泄漏等均對(duì)蒸汽發(fā)生器的可靠性與安全性會(huì)造成很大影響，通過熱工水力計(jì)算可優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高核電廠運(yùn)行的安全性。

2.2 熱工水力分析技術(shù)參數(shù)

2.2.1管壁熱阻

傳熱管的導(dǎo)熱熱阻，大小受管子尺寸和材料影響，方向沿壁厚方向。蒸汽發(fā)生器傳熱管一般采用小直徑的薄壁管。直徑小利于一次傳熱，但缺點(diǎn)是增加了一次側(cè)流動(dòng)阻力。

2.2.2污垢熱阻

污垢熱阻是水中的雜質(zhì)沉積在管壁上產(chǎn)生的熱阻，大小受傳熱管材料和工作介質(zhì)水的影響。工程計(jì)算中，在計(jì)算總傳熱系數(shù)時(shí)通常忽略污垢熱阻的影響，在確定傳熱面積時(shí)，通過采用一個(gè)考慮污垢影響系數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)污垢熱阻的影響。系數(shù)一般可取10%左右。

2.2.3自然循環(huán)和循環(huán)倍率

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水進(jìn)行循環(huán)的動(dòng)力是水的自重，或者說是工作介質(zhì)在下降段和上升段的密度差，而不是依靠泵的強(qiáng)制循環(huán)，所以叫自然循環(huán)。

循環(huán)倍率是自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的重要特性參數(shù)，表征通過管束二次側(cè)循環(huán)流量是否充分的一種定性的度量。定義為在蒸汽發(fā)生器中每產(chǎn)生單位質(zhì)量蒸汽所需的循環(huán)水質(zhì)量。一般所設(shè)計(jì)的蒸汽發(fā)生器的循環(huán)倍率要使管束區(qū)出口處的蒸汽含量不超過20～25%。在額定功率下，循環(huán)倍率約為3.7～3.8。循環(huán)倍率的大小可以體現(xiàn)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的工況，決定管束的布置和大小，傳熱是否合理，是否引起集中的化學(xué)腐蝕。如循環(huán)倍率過低，蒸汽份額過大，增加阻尼及流致振動(dòng)，對(duì)設(shè)備及其運(yùn)行極為不利。如循環(huán)倍率過高，則蒸汽中的水分過大，如果超過汽水分離器分離水份的能力時(shí)，水滴可能隨蒸汽一起進(jìn)入高壓缸，危及汽輪機(jī)葉片。

2.2.4二次側(cè)蒸汽壓力

從上部管束區(qū)域到蒸汽的出口管嘴排除的“干”蒸汽，蒸汽壓力將直接影響熱效率，影響電力輸出，其特點(diǎn)是熱交換迅速。

蒸汽發(fā)生器中與蒸汽壓力產(chǎn)生的相關(guān)主要部件包括管束和管板、初級(jí)汽水分離器、次級(jí)汽水分離器、出口管嘴。管束沿管板布置，是產(chǎn)生蒸汽壓力的關(guān)鍵部件，采用耐腐蝕材料，擁有好的傳熱效率，盡可能用最少量級(jí)的管束產(chǎn)生最大的熱效率，但是其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生污垢，影響蒸汽的產(chǎn)生，進(jìn)而影響最終的蒸汽壓力。初級(jí)分離器位于管束的上部排除了從管束區(qū)產(chǎn)生的非常大的水分，分離的水通過下水管繼續(xù)循環(huán)使用，次級(jí)分離器在初級(jí)分離之上過濾最終形成干蒸汽，蒸汽出口管嘴包含了7個(gè)文丘里管，在蒸汽管線破裂的情況下可以減少蒸汽流速。其作用既可以限制蒸汽質(zhì)量和能量又可以防止安全殼內(nèi)蒸汽過多而超壓，減少蒸發(fā)器內(nèi)部部件的載荷。

2.2.6濕蒸汽攜帶率（MCO）

定義為用于汽輪機(jī)發(fā)電的蒸汽中液態(tài)水的含量，通常代表了蒸汽質(zhì)量，產(chǎn)生的原因是蒸汽中始終存在的液滴，并且在壓降過程中會(huì)有水的產(chǎn)生，正常MCO小于0.25，最優(yōu)熱工設(shè)計(jì)條件下為MCO為0.12。濕蒸汽攜帶率計(jì)算采用ATHOS，用于計(jì)算不同設(shè)計(jì)工況下蒸汽發(fā)生器的管束區(qū)的流場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果將用于蒸汽發(fā)生器流彈性失穩(wěn)，流致振動(dòng)等結(jié)構(gòu)評(píng)定。

2.2.7一次側(cè)流阻

定義為是由一次側(cè)回路產(chǎn)生的對(duì)流動(dòng)的阻力。相關(guān)的主要部件包括一次進(jìn)口接管、水室封頭、管束、一次側(cè)出口接管。一次側(cè)流阻必須在壓力容器安全性的范圍內(nèi)，其通過冷卻泵控制，通過管路中的流阻響應(yīng)控制，蒸汽發(fā)生器各個(gè)部件可接受的流阻為可以保證一次流通速率在可接受的范圍，10%的流阻是一次側(cè)流速可接受的極限值。

2.3 熱工水力分析作用

2.3.1 性能預(yù)測(cè)

性能預(yù)測(cè)指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期通過已知的蒸汽發(fā)生器幾何結(jié)構(gòu)和熱工水力參數(shù)，計(jì)算蒸汽管嘴出口壓力，蒸汽流量，循環(huán)倍率、一次側(cè)和二次側(cè)壓降、一次側(cè)和二次側(cè)流體質(zhì)量和體積、穩(wěn)定性阻尼系數(shù)等熱工水力參數(shù)的過程。在熱工設(shè)計(jì)工況和最佳運(yùn)行工況下以及無污垢和無堵管，有污垢和堵管率10%的狀態(tài)下進(jìn)行分析計(jì)算。

2.3.2 結(jié)構(gòu)評(píng)定

熱工水力參數(shù)通常作為結(jié)構(gòu)評(píng)定的輸入。如瞬態(tài)條件評(píng)定中，蒸汽發(fā)生器熱工水力條件應(yīng)在已計(jì)算出的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)瞬態(tài)條件下確定，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)瞬態(tài)條件下確定了二次側(cè)壓力，溫度和傳熱系數(shù)的大小。再如管束流體仿真，是管束區(qū)域進(jìn)行的三維數(shù)值模擬來確定詳細(xì)的流場(chǎng)分布條件管束區(qū)的流場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果將用于蒸汽發(fā)生器流彈性失穩(wěn)，流致振動(dòng)等結(jié)構(gòu)評(píng)定。

3.總結(jié)

蒸汽發(fā)生器作為核電廠的關(guān)鍵換熱設(shè)備，其尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系著整個(gè)核電廠的安全。通過對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器熱工水力分析的了解，可以更好地理解蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行機(jī)理。熱工水力分析作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)評(píng)定之間的連接因素，對(duì)于核電工作人員掌握蒸汽發(fā)生器整體及各個(gè)部件的功能、作用，提高設(shè)計(jì)能力有著積極意義。

參考文獻(xiàn)：

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