CEFR過熱器熱流密度對結(jié)垢的影響研究與清洗周期評估方法的初步建立

張 琭，吳純良，詹佳碩，鄭向陽，吳 強

(1.中國原子能科學研究院，北京102413；2.環(huán)境保護部與輻射安全中心，北京100082)

CEFR過熱器熱流密度對結(jié)垢的影響研究與清洗周期評估方法的初步建立

張 琭1，吳純良1，詹佳碩2，鄭向陽2，吳 強1

(1.中國原子能科學研究院，北京102413；2.環(huán)境保護部與輻射安全中心，北京100082)

中國實驗快堆(CEFR)采用的過熱器作為鈉-水回路的壓力邊界，對反應堆安全承擔著重要的作用。一旦其傳熱管汽側(cè)由于結(jié)垢腐蝕發(fā)生泄漏，將導致嚴重的鈉水反應事故發(fā)生。因此對CEFR過熱器汽側(cè)結(jié)垢規(guī)律的研究對快堆安全運行起到至關(guān)重要的作用。本文針對不同的水質(zhì)工況研究過熱器的結(jié)垢規(guī)律，同時還擬合出了相應的結(jié)垢速率公式，對過熱器的清洗周期提出相應的指導意見，對今后過熱器安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

快堆；過熱器；結(jié)垢；過熱器清洗

蒸汽發(fā)生器是快堆主熱傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設備之一，是快堆二回路(介質(zhì)為液態(tài)鈉)和三回路(介質(zhì)為水/汽)的換熱邊界。過熱器是蒸汽發(fā)生器的重要組成部分，主要負責將蒸發(fā)器出口的微過熱蒸汽加熱成高品質(zhì)的過熱蒸汽。同時也起著隔離反應堆二、三回路的安全功能。過熱蒸汽溶解雜質(zhì)的能力較強，快堆過熱器蒸汽參數(shù)在13MPa左右，較一般壓水堆電站的參數(shù)要高，傳熱管雜質(zhì)沉積較為嚴重。結(jié)垢的后果一方面對蒸汽品質(zhì)起到影響，降低發(fā)電效率；另一方面造成對換熱管的腐蝕，極有可能造成嚴重的鈉水反應事故發(fā)生。

從中國實驗快堆并網(wǎng)發(fā)電期間的給水含鐵量數(shù)據(jù)看，鐵雜質(zhì)在快堆蒸汽發(fā)生器運行過程中始終是一種主要雜質(zhì)，因此對鐵雜質(zhì)在過熱器傳熱管沉積結(jié)垢的評估研究以及過熱器清洗周期的評估就非常重要。目前關(guān)于結(jié)垢模擬方面的研究多集中于實驗研究，并就實驗得出的結(jié)垢規(guī)律提出了不少模型，對換熱面上結(jié)垢過程進行數(shù)值模擬方面的研究較少，且多集中于恒壁面和恒熱流條件下的結(jié)垢的研究[1-8]，對于非恒定熱流密度的研究較少。

本文對CEFR過熱器傳熱管變熱流密度下結(jié)垢過程進行模擬，同時也建立快堆過熱器結(jié)垢過程模擬的方法。同時還可以對過熱器的清洗周期提出相應的指導意見，為今后過熱器安全穩(wěn)定運行提供必要的依據(jù)。

1 結(jié)垢評估方法建立

1.1 物理模型及假設

本文計算的過熱器傳熱管，管內(nèi)蒸汽流動，入口溫度為370.3℃，壓力為13.3MPa，管外液態(tài)金屬鈉進行逆向換熱流動，液態(tài)金屬鈉入口溫度495℃，壓力為0.3MPa。管內(nèi)蒸汽含有一定濃度鐵雜質(zhì)。假設流動、污垢等諸特性參數(shù)在各個方向上都是相同的，即各向同性且均勻分布，可將模型簡化為二維模型，在此忽略重力的影響。

本文的結(jié)垢模型是基于以下假設而建立的：

1.只針對氧化鐵垢一種鐵垢進行分析，不考慮其他類型污垢的影響;

2.污垢沉積層特性參數(shù)在各個方向上是相同的，即各向同性的，且均勻分布；

3.忽略氧化鐵垢與換熱壁面間的接觸熱阻；

4.忽略氧化鐵垢對過熱蒸汽流動的影響；

5.忽略流場對氧化鐵垢形成過程的影響，不考慮氧化鐵垢的剝離情況；

6.忽略化學反應熱、耗散熱；

7.忽略過熱蒸汽通過傳熱管過程中鐵的濃度的變化；

(以過熱器最大熱流密度300kW/m2做恒熱流密度估算，最大雜質(zhì)含量100μg/L進行估算，經(jīng)估算全程損失率4.5%，整個流程損失應遠小于該值，因此上面的假設完全合理。)

8.忽略結(jié)垢時間與溫度場計算時間不一致而引起的誤差。表1是工質(zhì)的主要參數(shù)。

表1 工質(zhì)主要參數(shù)Table 1 The main parameters of vapor

1.2 傳熱模型

要得到整個計算區(qū)域的速度場、溫度場等，需要將質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程聯(lián)合求解[9]。

質(zhì)量守恒方程：

動量方程：

r方向：

z方向：

其中：

能量方程：

1.3 結(jié)垢模型

國外研究單位通過在試驗臺和試驗鍋爐上對氧化鐵垢的形成進行研究，發(fā)現(xiàn)氧化鐵垢的形成直接與鐵的氧化物含量和傳熱管上的局部熱負荷有關(guān)，并得出了氧化鐵垢形成速率可以按照下述經(jīng)驗公式計算[10]：

式中：AFe——氧化鐵垢的形成速度，mg/(cm2·h)；

q——爐管的局部熱負荷，W/m2；

KFe——比例系數(shù)，按照試驗臺研究的結(jié)果，此系數(shù)值為5.7×10-14～8.3×10-14。

1.4 計算方法

首先計算出過熱器無垢光滑傳熱管穩(wěn)態(tài)時的溫度場，以此作為起點，對結(jié)垢開始進行計算，同時認為相對短的時間內(nèi)，結(jié)垢的量極少，對溫度場不造成影響，不改變熱流密度的分布，因此在較短時間內(nèi)結(jié)垢的速率可以認為是恒定的，從而計算出這一段時間的結(jié)垢的量。

結(jié)垢壁面等效導熱系數(shù)：

式中：NFe——氧化鐵垢厚度，m；λ1——垢層的導熱系數(shù)，取0.232W/(m·k)；

λ2——管壁的導熱系數(shù)。根據(jù)傳熱管平均壁溫按照下面的公式進行計算：

λ=-4×10-6×tw2-0.001×tw+39.13；

r2——傳熱管內(nèi)壁至管中心的距離，m；

r3——傳熱管外壁至管中心的距離，m；

Am——對數(shù)平均面積，m2。

根據(jù)上述計算出的換熱壁面的熱導率，更新后計算出新的熱流密度，再重新計算出新的結(jié)垢速率及新的換熱壁面熱導率。

本文采用CFD軟件進行模擬計算不同的鐵雜質(zhì)濃度對過熱器傳熱管結(jié)垢速率的影響，以及熱流密度對結(jié)垢速率的影響，其計算流程圖如圖1所示。

圖1 計算流程圖Fig.1 calculation process

2 結(jié)果與分析

2.1 5μg/L和10μg/L鐵含量運行4800h后結(jié)垢的變化趨勢如圖1和圖2所示。

圖2 濃度為5μg/L時200天的垢層厚度變化趨勢Fig.2 The increasing trend of fouling layer thickness under 5 μg/L impurity concentration by 200days

圖3 濃度為10μg/L時200天的垢層厚度變化趨勢Fig.3 The increasing trend of fouling layer thickness under 10 μg/L impurity concentration by 200days

從計算結(jié)果來看，過熱器傳熱管蒸汽入口處結(jié)垢最嚴重，蒸汽出口處結(jié)垢最輕微。同時雜質(zhì)的濃度對結(jié)垢的速率影響很大，濃度越高，結(jié)垢越嚴重。對上述兩種鐵含量下的結(jié)垢速率的變化進行了擬合，得到圖4和圖5的擬合曲線和公式。

通過圖4結(jié)垢速率曲線進行擬合，得到速率曲線的擬合公式是：

f=0.017 44-3.113 59×10-7×t

式中：f——結(jié)垢速率，μm/d;t——傳熱管運行時間，h。

通過圖5結(jié)垢速率曲線進行擬合，得到速率曲線的擬合公式是：

f=0.034 85-1.125 42×10-6×t

式中：f—結(jié)垢速率，μm/d;t—傳熱管運行時間，h。

圖4 濃度為5μg/L最大熱流密度處結(jié)垢速率曲線Fig.4 The scaling rate curve in the tube which has maximum heat flux under 5μg/L impurity concentration

圖5 濃度為10μg/L最大熱流密度處結(jié)垢速率曲線Fig.5 The scaling rate curve in the tube which has maximum heat flux under 10μg/L impurity concentration

按照上述結(jié)論，對中國實驗快堆過熱器結(jié)垢量限值進行了計算，并與常規(guī)電站及田灣核電站關(guān)于結(jié)垢量限值進行了相關(guān)的比較，見表2。

從表2計算的結(jié)果來看，快堆電站的直流式蒸汽發(fā)生器對結(jié)垢量的限值要求高于直流鍋爐及自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器的要求。同時，從計算結(jié)果的對比上看，該計算方法比較真實可靠。

表2 過熱器結(jié)垢限值比較Table 2 The comparison of different scaling limit values on superheater tube

注：表中的沉積物量，是反映在傳熱管熱負荷最高處取樣，用洗垢法測得的沉積物的量。

2.2 5μg/L和10μg/L鐵含量運行4800h對壁面熱導率的影響

圖6和圖7為5 μg/L和10μg/L鐵含量運行4 800 h對壁面熱導率的變化趨勢圖。

圖6 濃度為5μg/L時200天的壁面熱導率的變化趨勢Fig.6 The trend of thermal conductivity under 5μg/L impurity concentration by 200days

圖7 濃度為10μg/L時200天的壁面熱導率的變化趨勢Fig.7 The trend of thermal conductivity under 10μg/L impurity concentration by 200days

通過計算可以發(fā)現(xiàn)，從長期運行的結(jié)果來看，低濃度含鐵量對管壁熱導率的影響相對較小，與高濃度含鐵量短期內(nèi)造成的影響相當，因此，對入口蒸汽雜質(zhì)濃度的控制非常重要。

2.3 不同截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系

現(xiàn)選取5μg/L的濃度下，計算出0.1m，0.3m，0.5m，0.7m，0.9m，1.1m(以蒸汽入口計，蒸汽入口端熱流密度較大，易于觀察)截面處熱流密度和結(jié)垢速率的關(guān)系，見圖8至圖13。

圖8 0.1m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.8 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.1 m section

圖9 0.3 m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.9 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.3 m section

圖10 0.5m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.10 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.5m section

圖11 0.7m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.11 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.7m section

圖12 0.9m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.12 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.9m section

圖13 1.1m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.13 The relationship between heat flux and the scaling rate at 1.1m section

從上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽入口處的熱流密度持續(xù)下降，同時結(jié)垢速率也持續(xù)下降；主要是由于蒸汽入口處熱流密度很大導致結(jié)垢速率很快，過快的結(jié)垢速率會反向影響到傳熱效果，導致熱流密度持續(xù)下降。沿管程位置推移，靠后的截面位置處的熱流密度和結(jié)垢速率的下降趨于緩慢，直至在一個波動但相對恒定的水平；主要是由于前方截面的換熱條件變差，蒸汽溫度提升變慢，導致靠后的截面位置處鈉-蒸汽兩側(cè)的溫差增大，使得熱流密度得到提高，增加了結(jié)垢速率。

3 結(jié)論

本文得出了以下結(jié)論：

1.快堆過熱器傳熱管蒸汽入口處結(jié)垢最嚴重，出口處最輕微；

2.通過擬合得到的鐵雜質(zhì)為5μg/L和10μg/L，在滿功率運行條件下結(jié)垢速率曲線，從而計算出了快堆過熱器鐵運行限時15000h的結(jié)垢限值分別為57.31 g/m2和113.474 g/m2，通過與現(xiàn)有一些標準比較，證明上述評估方法是比較真實可靠的；3.由于目前針對過熱器的清洗只有周期10000～15000h的規(guī)定，且此規(guī)定是在給水含鐵量低于5μg/L 時的清洗周期，實際運行過程并非如此，此研究給出的結(jié)垢速率公式可以針對實際運行工況估算出結(jié)垢的量，對過熱器的清洗周期給出重要的指導意見，避免過熱器超出設計范圍運行；

4.本文建立了快堆過熱器結(jié)垢評估模型及方法，為后續(xù)試驗驗證工作提供了指導，同時也為建立快堆蒸汽發(fā)生器結(jié)垢評估方法提供了基礎。

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The Study of heat flux density effects to Scaling Developmentin Superheater of China Experimental Fast Reactor andEstablishment of Cleaning Cycle Assessment

ZHANG Lu1，WU Chun-liang1，ZHAN Jia-shuo2，ZHENG Xiang-yang2，WU Qiang1

(1.China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China;2.Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing 100082，China)

The steam superheater worked as pressure boundary of Na-H2O loop in China Experimental Fast Reactor (CEFR)，which was quite important for nuclear reactor safety. Once the tubes separating the vapor from steam leak because of corrosion by scaling，Na-H2O reaction would lead to severe accident. So it’s critically important to study how the scaling develops on the water-steam sides. It shows us how the scaling development on the tube surfaces of steam loop in superheater under different water quality situations. Meanwhile，the scaling rate formula was found，which could provide some useful guidance on the superheater cleaning cycle，it also has an important role for the safe and stable operation of the superheater.

Fast Reactor; Superheater; Scaling; Superheater cleaning

2015-06-30

張 琭(1986—)，男，河南舞鋼人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事反應堆熱工和安全研究工作

詹佳碩：zhanjiashuo@chinansc.cn

TL35

A

0258-0918(2016)05-0640-06