核電廠蒸發(fā)器性能監(jiān)測(cè)探討

羅婭彬　王贊娥　祁軍

【摘 要】本文介紹了核電廠蒸發(fā)器性能監(jiān)測(cè)的方法及應(yīng)用，通過(guò)比較熱功率、蒸汽壓力、一次側(cè)平均溫度、污垢熱阻及堵管率五個(gè)指標(biāo)對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)分析評(píng)定結(jié)果對(duì)蒸汽發(fā)生器熱性能進(jìn)行評(píng)定，并對(duì)蒸發(fā)器的未來(lái)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為蒸發(fā)器的運(yùn)行和維修提供建議。

【關(guān)鍵詞】蒸發(fā)器；性能監(jiān)測(cè)；評(píng)定

1 蒸汽發(fā)生器熱性能監(jiān)測(cè)的意義

蒸汽發(fā)生器傳熱管在運(yùn)行中，由于表面交替蒸發(fā)和濕潤(rùn)，導(dǎo)致二次側(cè)流體中的雜質(zhì)沉積在傳熱管表面，形成表面污垢。污垢熱阻不僅增加了傳熱熱阻，降低了蒸發(fā)器的換熱效率，導(dǎo)致二次側(cè)蒸汽壓力降低，而且還會(huì)因?yàn)槲酃笇釉龊穸鴾p小流通截面積，引起流動(dòng)阻力增大和流動(dòng)不穩(wěn)定。由于傳熱管污垢熱阻增加，導(dǎo)致傳熱管傳熱性能惡化，最終導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器熱工性能降質(zhì)。

為了及時(shí)了解蒸汽發(fā)生器熱性能最新的降質(zhì)狀況，就需要對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)。蒸汽發(fā)生器性能監(jiān)測(cè)實(shí)際上就是對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱功能的監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)核電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)的分析計(jì)算，得到蒸汽發(fā)生器熱性能參數(shù)的變化趨勢(shì)，從而作為評(píng)價(jià)電廠運(yùn)行狀況的依據(jù)，并為核電廠全功率運(yùn)行和蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的運(yùn)行和維修提供指導(dǎo)。

2 蒸汽發(fā)生器熱性能監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)介

蒸汽發(fā)生器性能監(jiān)測(cè)主要研究蒸汽發(fā)生器傳熱管污垢對(duì)傳熱的影響。開展蒸汽發(fā)生器熱性能監(jiān)測(cè)，首先需要進(jìn)行核電廠歷史數(shù)據(jù)的收集，包括蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行蒸汽發(fā)生器熱性能分析評(píng)定。分析評(píng)定主要通過(guò)蒸汽發(fā)生器熱工水力分析程序SGTH來(lái)進(jìn)行，它可以分為當(dāng)前狀態(tài)評(píng)定和未來(lái)運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)。前者是評(píng)定現(xiàn)在的狀態(tài)如何，以確定當(dāng)前蒸汽發(fā)生器是否滿足傳熱裕量的要求，后者是評(píng)定未來(lái)的熱工性能如何發(fā)展，以確定未來(lái)蒸汽發(fā)生器是否滿足傳熱裕量的要求。

在熱性能分析評(píng)定中主要是通過(guò)比較熱功率、蒸汽壓力、一次側(cè)平均溫度、污垢熱阻及堵管率五個(gè)指標(biāo)來(lái)對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行評(píng)定，最后，根據(jù)分析評(píng)定結(jié)果對(duì)蒸汽發(fā)生器熱性能進(jìn)行評(píng)定及提出建議。其中傳熱系數(shù)是表征蒸汽發(fā)生器傳熱能力的主要參數(shù)，而污垢熱阻則是其中隨時(shí)間變化而變化，并導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器傳熱能力下降的主要因素，是蒸汽發(fā)生器熱性能分析的主要內(nèi)容。

3 蒸汽發(fā)生器熱性能監(jiān)測(cè)的步驟

對(duì)于蒸汽發(fā)生器熱性能的評(píng)價(jià)的步驟包括：

（1）根據(jù)蒸汽發(fā)生器的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出各個(gè)階段蒸汽發(fā)生器的功率水平、蒸汽壓力、平均傳熱系數(shù)及污垢熱阻，描述其發(fā)展變化的過(guò)程，并與設(shè)計(jì)要求對(duì)比，對(duì)蒸汽發(fā)生器當(dāng)前傳熱能力進(jìn)行評(píng)價(jià)；

（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)污垢熱阻的發(fā)展趨勢(shì)；

（3）根據(jù)污垢熱阻的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合堵管數(shù)量的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)蒸汽發(fā)生器熱工性能（熱功率和蒸汽壓力）的發(fā)展趨勢(shì)。

蒸汽發(fā)生器性能監(jiān)測(cè)的過(guò)程則是對(duì)蒸汽發(fā)生器的熱性能進(jìn)行定期或不定期的持續(xù)的分析評(píng)定的過(guò)程。

4 蒸汽發(fā)生器熱性能監(jiān)測(cè)應(yīng)用

2014年對(duì)某電廠蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了熱性能監(jiān)測(cè)。電廠提供了2001年6月至2014年2月期間的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括一次側(cè)的壓力、流量、進(jìn)出口溫度，二次側(cè)蒸汽壓力、給水流量、給水溫度，排污流量，排污溫度等。

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到2001年-2014年這一區(qū)間蒸汽發(fā)生器的平均傳熱系數(shù)和污垢熱阻的變化趨勢(shì)（圖1為污垢熱阻變化趨勢(shì)圖）。蒸汽發(fā)生器的傳熱系數(shù)先增大，后減?。欢酃笩嶙柘葴p小，后增大。由此可知，蒸發(fā)器的傳熱性能在起始階段，隨時(shí)間逐漸變好，后又逐漸惡化，這和污垢熱阻變化趨勢(shì)一致，污垢熱阻先減小，后增大。

在污垢的形成過(guò)程中，一方面污垢物質(zhì)會(huì)沉積到換熱面上，從而增加熱阻，但另一方面也存在污垢組分被流體沖擊而剝離，使污垢熱阻減小的現(xiàn)象，而計(jì)算得到的污垢熱阻隨時(shí)間的變化則是這兩個(gè)現(xiàn)象形成結(jié)果的疊加對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱的影響。對(duì)計(jì)算所得的污垢熱阻值進(jìn)行分段線性擬合，發(fā)現(xiàn)污垢熱阻的變化經(jīng)歷了三個(gè)過(guò)程：過(guò)程A，污垢熱阻逐漸減小，且大于零；過(guò)程B，污垢熱阻且進(jìn)一步減小到某一值然后逐步增大，但始終小于零；過(guò)程C，污垢熱阻大于零，且逐漸增大。每一個(gè)過(guò)程都和污垢的形成過(guò)程相對(duì)應(yīng)。

A的過(guò)程是污垢生成的起始階段，這一過(guò)程為污垢組分在傳熱管換熱面上的增長(zhǎng)過(guò)程。在A的發(fā)展過(guò)程中，污垢熱阻逐步下降到0，這主要是由于在蒸汽發(fā)生器開始運(yùn)行的階段，傳熱管表面光潔度比較高，不利于傳熱，從而使熱性能惡化，表現(xiàn)出的污垢熱阻值反而比較高。 隨著清潔換熱面和不潔凈流體的不斷接觸，局部傳熱管表面有初始污垢出現(xiàn)，少量污垢的生成相當(dāng)于增加了傳熱管表面的粗糙度。在對(duì)流換熱模式下，傳熱管表面粗糙度的增加，中斷了熱邊界層的發(fā)展，使流動(dòng)始終處于熱邊界層發(fā)展之中，而不能達(dá)到充分發(fā)展，因而努塞爾數(shù)始終處于較高的值，同時(shí)，表面粗糙度的增加減小了粘性底層厚度，從而有利于湍流擴(kuò)散，使傳熱得到強(qiáng)化；而在沸騰傳熱模式下，傳熱管表面粗糙度的增加相當(dāng)于在加熱表面增加了汽化核心的數(shù)目，大量的沸騰汽泡在加熱壁面上生成，在一定程度上提高了液體微層的擾動(dòng)程度從而提高了對(duì)流傳熱性能，因此表現(xiàn)出平均傳熱系數(shù)升高，污垢熱阻下降。

在B過(guò)程，污垢熱阻繼續(xù)減小，出現(xiàn)了負(fù)值。在B的過(guò)程中，當(dāng)由污垢引起的蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)傳熱熱阻的減小大于污垢層導(dǎo)熱熱阻的增長(zhǎng)時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的污垢熱阻值繼續(xù)減小，為負(fù)值，反之，污垢熱阻逐漸增大，當(dāng)兩者相等時(shí)，污垢熱阻值為零。

C過(guò)程是污垢的發(fā)展階段，污垢熱阻隨時(shí)間逐漸增大。當(dāng)傳熱管換熱面上的污垢繼續(xù)生成下去時(shí)，生成的污垢要向三維方向發(fā)展，由于垂直方向上污垢的生長(zhǎng)受到流體剪切力的作用而受到抑制，因此污垢向水平方向發(fā)展，當(dāng)傳熱管換熱表面基本被污垢組分覆蓋后，污垢的沉積過(guò)程為污垢組分在污垢層上的增長(zhǎng)過(guò)程。表面粗糙度由金屬的粗糙度逐漸轉(zhuǎn)化為污垢層的粗糙度，變化相對(duì)較小。污垢層隨時(shí)間逐漸增大，最終導(dǎo)致傳熱性能降低，污垢熱阻逐漸增大。

根據(jù)電廠提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及圖1污垢熱阻變化趨勢(shì)圖，如果蒸汽發(fā)生器傳熱管污垢熱阻以目前的發(fā)展趨勢(shì)增大，結(jié)合圖中的分段線性擬合線，可以推算出未來(lái)五年內(nèi)污垢熱阻值大概為：

可以看出，污垢熱阻總體上呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。按現(xiàn)階段等效污垢熱阻的發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)幾年內(nèi)，各個(gè)蒸汽發(fā)生器等效污垢熱阻值不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)值，蒸汽發(fā)生器可維持現(xiàn)階段熱功率水平運(yùn)行，并保證蒸汽壓力和蒸汽產(chǎn)量維持現(xiàn)階段水平不變。需要強(qiáng)調(diào)的是，隨著時(shí)間的推移，蒸汽發(fā)生器的等效污垢熱阻增長(zhǎng)速度可能會(huì)加快。因此需要密切監(jiān)視蒸汽發(fā)生器熱工參數(shù)的變化，定期分析等效污垢熱阻隨時(shí)間的變化趨勢(shì)及其超過(guò)設(shè)計(jì)值的時(shí)間點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的措施控制污垢的增長(zhǎng)，使蒸汽發(fā)生器保持較好的運(yùn)行狀態(tài)。

5 總結(jié)

蒸汽發(fā)生器性能監(jiān)測(cè)，是基于蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)蒸汽發(fā)生器的傳熱性能進(jìn)行及時(shí)評(píng)價(jià)，并對(duì)今后一定時(shí)期內(nèi)蒸汽發(fā)生器傳熱性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，為蒸汽發(fā)生器運(yùn)行和檢修提供依據(jù)。

通過(guò)對(duì)蒸汽發(fā)生器的傳熱能力進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，一方面可以及時(shí)了解蒸汽發(fā)生器熱性能最新的降質(zhì)狀況，從而對(duì)蒸汽發(fā)生器的老化降質(zhì)情況做出評(píng)價(jià)，另一方面，也可以對(duì)在蒸汽發(fā)生器老化管理活動(dòng)中采取的運(yùn)行控制措施和老化緩解措施的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，它們是否能夠如預(yù)期的那樣能夠有效的控制和緩解蒸汽發(fā)生器老化降質(zhì)的繼續(xù)發(fā)展。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]