AP1000與二代核電蒸汽發(fā)生器換熱特性對(duì)比研究

李宇，周濤，劉亮，方曉璐

（1.華北電力大學(xué) 核熱工安全與標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 102206；2.北京市非能動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

AP1000作為第三代壓水堆的先進(jìn)代表，在各相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［1］上有諸多改進(jìn)，蒸汽發(fā)生器是核電廠一、二回路換熱的樞紐，改善其換熱性能會(huì)很大程度提高整個(gè)核電廠的經(jīng)濟(jì)性。AP1000配置了2臺(tái)Delta-125型［2］蒸汽發(fā)生器，該型蒸汽發(fā)生器的高可靠性是基于成熟的設(shè)計(jì)以及一系列的設(shè)計(jì)改進(jìn)［3］，該設(shè)計(jì)參考了V.C.Summer及其他核電廠更換使用的Delta-75蒸汽發(fā)生器、South Texas核電廠更換使用的Delta-94型蒸汽發(fā)生器以及ANO核電廠和 Waterford核電廠等的相關(guān)設(shè)計(jì)。目前，AP1000蒸汽發(fā)生器的主要研究工作集中在國(guó)內(nèi)，很少見到國(guó)外學(xué)者針對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器進(jìn)行研究，這與AP1000首先在國(guó)內(nèi)開工建設(shè)有關(guān)。西安交通大學(xué)叢騰龍等人［4］利用多孔介質(zhì)模型對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器二次側(cè)進(jìn)行了模擬，得出了二次側(cè)的三維速度、溫度及壓力等參數(shù)分布；三門核電有限公司毛昌森等人［5］通過(guò)比較不同版本超聲波檢測(cè)（UT）規(guī)程的檢測(cè)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)了AP1000蒸汽發(fā)生器與主泵泵殼連接焊縫在工廠進(jìn)行UT時(shí)顯示缺陷超標(biāo)的原因，并采用幾個(gè)不同角度的UT探頭進(jìn)行復(fù)查，最終證明焊縫滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；東方電氣公司王巍等人［6］對(duì)U形管換熱器換熱面積的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，并用AP1000的相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證分析，驗(yàn)證了方法的正確性；華北電力大學(xué)劉亮等人［7］對(duì)比了AP1000與大亞灣核電蒸汽發(fā)生器在結(jié)構(gòu)上的異同，并提出了AP1000存在的問(wèn)題。綜上所述，針對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器的研究主要集中在數(shù)值模擬以及工程實(shí)際安裝、檢測(cè)方面，較少有針對(duì)AP1000換熱系數(shù)的研究，而換熱系數(shù)作為評(píng)價(jià)換熱器綜合性能的重要指標(biāo)，能夠綜合體現(xiàn)蒸汽發(fā)生器的一次側(cè)對(duì)流換熱強(qiáng)度、二次側(cè)沸騰換熱強(qiáng)度、管壁材料性能以及兩側(cè)工質(zhì)的水化學(xué)處理工藝的先進(jìn)性。對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將其與大亞灣核電、秦山核電一期蒸汽發(fā)生器的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，能夠?qū)P1000蒸汽發(fā)生器進(jìn)行評(píng)價(jià)，也可為AP1000的不斷改進(jìn)提供理論參考。

1 研究對(duì)象

AP1000蒸汽發(fā)生器一回路由2個(gè)環(huán)路組成，每個(gè)環(huán)路上配備1臺(tái)蒸汽發(fā)生器，相比現(xiàn)有二代核電常見的3個(gè)環(huán)路布置方式，AP1000蒸汽發(fā)生器具有熱容量大、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。AP1000、大亞灣核電以及秦山核電一期蒸汽發(fā)生器的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)［2-3，8］見表1。

2 計(jì)算模型

2.1 一次側(cè)熱阻

目前，核電蒸汽發(fā)生器多為立式U形管式換熱器，其一次側(cè)工質(zhì)在U形圓管內(nèi)流動(dòng)，一次側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)采用Dittus-Boelter公式進(jìn)行計(jì)算［9］。

表1 AP1000、大亞灣核電及秦山核電一期蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)

式中：Nu，Re，Pr分別為一次側(cè)流體的努賽爾數(shù)、雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)；h1為一次側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m2· ℃）；λ為一次 側(cè)工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）；l為流動(dòng)的特征長(zhǎng)度，這里取圓管的內(nèi)徑，m。

一回路熱阻

式中：R1為一回路熱阻，（m2·℃）／W；d1，d2分別為圓管的內(nèi)徑和外徑，m。

2.2 管壁熱阻

管壁熱阻指的是沿管子壁厚的導(dǎo)熱熱阻，其數(shù)值與管子材料和厚度有關(guān)。

式中：RW為管壁熱阻，（m2·℃）／W；λw為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）。

2.3 污垢熱阻

污垢熱阻是由于一回路及二回路流體存在雜質(zhì)，流動(dòng)過(guò)程中工質(zhì)或雜質(zhì)與堆內(nèi)材料發(fā)生反應(yīng)，形成覆蓋在材料表面的薄膜，從而阻礙傳熱。目前，工程計(jì)算中污垢熱阻多采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

一回路水通?？杀３趾芨叩那鍧嵍龋虼艘换芈穫?cè)的污垢熱阻可忽略不計(jì)?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，對(duì)二回路水質(zhì)的要求不像對(duì)一回路那樣嚴(yán)格，因而在傳熱管的二回路側(cè)存在著一定程度的沾污。計(jì)算過(guò)程中，AP1000的污垢熱阻［2］為 1.06×10-5（m2·℃）／W，大亞灣核電和秦山核電一期的污垢熱阻［8］分別為0.88×10-5，4.30×10-5（m2·℃）／W。

2.4 二次側(cè)沸騰換熱熱阻

對(duì)于二次側(cè)工質(zhì)在管間沸騰這一類型的計(jì)算，工程上大都采用大空間核態(tài)沸騰放熱公式。而大容器飽和核態(tài)沸騰的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式中最常用的是羅塞諾（Rohsenow）公式［5］，Rohsenow關(guān)聯(lián)式化簡(jiǎn)后如下

式中：cp1為飽和液體的比定壓熱容，J／（kg·K）；cw1為取決于加熱表面－液體組合情況的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于水－不銹鋼取0.013；η1為飽和液體的動(dòng)力黏度，Pa·s；r為汽化潛熱，J／kg；g為重力加速度，m／s2；ρ1，ρv分別為飽和液體和飽和蒸汽的密度，kg／m3；σ為液體 －蒸汽界面的表面張力，N／m；Pr1為飽和液體的普朗特?cái)?shù)；Δt為壁面過(guò)熱度，℃。

二次側(cè)熱阻

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 換熱系數(shù)對(duì)比分析

根據(jù)表1及式（1）—（5），可以計(jì)算出AP1000、大亞灣核電和秦山核電一期蒸汽發(fā)生器的換熱系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 換熱系數(shù)對(duì)比 W／（m2·℃）

從表2可以看出：AP1000蒸汽發(fā)生器的換熱系數(shù)為8978W／（m2·℃），比大亞灣核電的8145W／（m2·℃）以及秦山核電一期的5 582W／（m2·℃）都大，說(shuō)明AP1000蒸汽發(fā)生器在換熱性能方面確實(shí)有所改進(jìn)；但同時(shí)也可以看出，AP1000蒸汽發(fā)生器的換熱系數(shù)與大亞灣核電相比，優(yōu)勢(shì)并不是特別明顯。由于秦山核電一期是我國(guó)自主設(shè)計(jì)的第1個(gè)核電站，各方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足且當(dāng)時(shí)的制造工藝比較落后，使得秦山核電一期的蒸汽發(fā)生器的換熱效率低于同時(shí)期的國(guó)外機(jī)組。

3.2 各部分熱阻對(duì)比分析

根據(jù)式（1）—（5）可以計(jì)算得出3種蒸汽發(fā)生器一次側(cè)熱阻、管壁熱阻、污垢熱阻以及二回路熱阻的阻值，具體結(jié)果見表3。

表3 各部分熱阻對(duì)比 （m2·℃）／W

從表3可以看出：與大亞灣核電蒸汽發(fā)生器相比，AP1000各部分熱阻并沒有明顯的變化，而且AP1000一回路熱阻和污垢熱阻均大于大亞灣核電的相應(yīng)熱阻；秦山核電一期的蒸汽發(fā)生器各部分的熱阻均大于其他兩者。

一回路熱阻稍大的原因主要是AP1000蒸汽發(fā)生器的一次側(cè)工質(zhì)流速小于大亞灣核電，由表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出，AP1000蒸汽發(fā)生器一次側(cè)的流動(dòng)截面積為1.876m2，進(jìn)而計(jì)算得到一次側(cè)工質(zhì)流速為5.294m／s。同理，可以算出大亞灣核電蒸汽發(fā)生器一次側(cè)工質(zhì)流速為6.610m／s。工質(zhì)流速會(huì)直接影響Re的大小，從式（1）可以看出，一次側(cè)換熱系數(shù)正比于Re的0.8次方，這也正是大亞灣核電蒸汽發(fā)生器一次側(cè)熱阻較小的主要原因。

一般認(rèn)為污垢熱阻主要發(fā)生在二次側(cè)，且污垢熱阻一般來(lái)源于電廠的經(jīng)驗(yàn)值，在材料、工質(zhì)種類都相同的條件下，出于設(shè)計(jì)保守性的考慮，AP1000蒸汽發(fā)生器污垢熱阻取值與大亞灣核電相比略微偏大。

AP1000蒸汽發(fā)生器的二回路熱阻為0.25×10-5（m2·℃）／W，明顯小于大亞灣核電的1.70×10-5（m2·℃）／W，是4組熱阻對(duì)比中相差最多的，也是AP1000蒸汽發(fā)生器優(yōu)勢(shì)最明顯的一部分，其差異主要是由二次側(cè)蒸汽壓力造成的。由表1可知：AP1000蒸汽發(fā)生器二次側(cè)工作壓力為5.8MPa，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度為273.4℃；而大亞灣核電蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的工作壓力則為6.7MPa，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度為282.9℃。二者的飽和蒸汽溫度相差近10℃，在一次側(cè)以及壁面溫度相差不大的情況下，AP1000蒸汽發(fā)生器具有更大的壁面過(guò)熱度Δt。由式（4）可知，二次側(cè)換熱系數(shù)正比于 Δt的二次方，所以AP1000蒸汽發(fā)生器具有更大的二次側(cè)換熱系數(shù)，即更小的二次側(cè)熱阻。

同理，秦山核電一期蒸汽發(fā)生器各部分熱阻較大的原因?yàn)椋菏紫龋换芈凡捎昧溯^小的工質(zhì)流速，導(dǎo)致一次側(cè)換熱系數(shù)較小；其次，秦山核電一期管壁材料采用因科鎳800，該型號(hào)材料強(qiáng)度不如因科鎳690，所以在相同的外力條件下，秦山核電一期蒸汽發(fā)生器的管壁就要加厚，由此加大了管壁的熱阻；最后，差異最大的還是污垢熱阻，一、二次側(cè)工質(zhì)化學(xué)處理以及工質(zhì)與管壁的相互作用，使得其污垢熱阻明顯偏大，并最終影響了整體的換熱特性。

3.3 熱阻所占比值分析

各部分熱阻在總熱阻中所占的比值見表4。

表4 各部分熱阻在總熱阻中所占的比值 %

由表4可以看出，在4部分熱阻中，管壁熱阻所占的比值是最大的，為50%左右，而二回路熱阻所占的比值最小。所以，就蒸汽發(fā)生器換熱性能的改善而言，最行之有效的方法是減小管壁熱阻。由式（3）可知，管壁熱阻與管壁的導(dǎo)熱系數(shù)和管壁的厚度成反比，所以在材料強(qiáng)度允許的條件下，尋找導(dǎo)熱性能更好的管壁材料并盡可能減小壁厚，可以有效提高蒸汽發(fā)生器的換熱性能。目前，絕大多數(shù)新建核電站都采用690（TT）合金，該材料能夠兼顧物理特性以及傳熱特性的要求，而AP1000蒸汽發(fā)生器（1.02mm）就采用了比大亞灣核電（1.09mm）更小的壁厚。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)AP1000和大亞灣核電、秦山核電一期蒸汽發(fā)生器進(jìn)行換熱計(jì)算，得到各自的換熱系數(shù)以及各部分熱阻，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出各自的換熱特性。

（1）AP1000蒸汽發(fā)生器換熱系數(shù)為 8 978 W／（m2·℃），略大于大亞灣核電，遠(yuǎn)大于秦山核電一期。

（2）AP1000蒸汽發(fā)生器一回路熱阻比大亞灣核電的稍大，二回路熱阻小于大亞灣核電。

（3）一回路熱阻、管壁熱阻、污垢熱阻以及二回路熱阻4部分熱阻中，管壁熱阻占總熱阻的50%左右，所以減小管壁熱阻可以有效提高蒸汽發(fā)生器的換熱性能。

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