華龍一號ZH-65型蒸汽發(fā)生器設(shè)計研發(fā)與性能驗證

何戈寧，張富源，李冬慧，吳 舸，胡 彧，魯 佳

(中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610041)

0 引言

蒸汽發(fā)生器(SG)是核電站最重要的主設(shè)備之一[1-2]。長期以來，大型核電站SG的設(shè)計技術(shù)及知識產(chǎn)權(quán)由美國、法國等國外少數(shù)幾家設(shè)計公司壟斷，在ZH-65型SG研發(fā)完成前，國內(nèi)所有在役的百萬千瓦級以上大型核電站SG均為國外型號。華龍一號是我國自主研發(fā)的、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代壓水堆核電機組[3-4]，自主開發(fā)出適用于華龍一號機組的SG，是華龍一號機組走出國門的關(guān)鍵。

從2010年開始，中國核動力研究設(shè)計院歷時7年，完成了中國首型具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電蒸汽發(fā)生器，并首次完成了蒸汽發(fā)生器各關(guān)鍵部件及綜合系統(tǒng)性能的全面性能試驗[5]。

1 ZH-65 型蒸汽發(fā)生器簡介

ZH-65型SG是典型的立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)見表1。

ZH-65型SG由兩部分組成：一次側(cè)部分主要包括水室封頭、管板、換熱管管束；二次側(cè)部分主要包括二次側(cè)承壓殼體以及二次側(cè)承壓殼體內(nèi)設(shè)置的管束套筒、管束支承組件(包括換熱管支承板、定距螺桿、防振條等)、給水組件、兩級汽水分離裝置(包括汽水分離器和干燥器)等。

圖1 ZH-65型蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意

表1 ZH-65型蒸汽發(fā)生器主要參數(shù)

2 ZH-65 型蒸汽發(fā)生器設(shè)計改進及與國內(nèi)外同類技術(shù)比較

2.1 ZH-65型蒸汽發(fā)生器設(shè)計改進

相比二代改進型電廠SG，ZH-65型SG實現(xiàn)了以下方面的技術(shù)改進。

(1)按當(dāng)時最新的設(shè)計規(guī)范：RCC-M規(guī)范2007年版設(shè)計，保證了設(shè)計的安全性和先進性。

(2)采用直徑較小的換熱管，并采用正三角形方式排布換熱管。在SG整體尺寸、重量相對二代改進型電廠SG基本不變的情況下，總換熱面積增加了近20%，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，有效地增加了蒸汽發(fā)生器的出口蒸汽壓力和功率重量比。

(3)合理地改進了換熱管和主鍛件的技術(shù)要求。如采取多項技術(shù)措施，提高了換熱管內(nèi)渦流檢測信噪比指標(biāo)，渦流檢測信號峰-峰值(Vpp)比值從規(guī)范要求的大于7提高至大于13，從而提高了換熱管在役檢查的可檢測性；增加了主鍛件的斷裂韌性要求，提高了設(shè)備的安全性等。

(4)換熱管支承板的管孔采用創(chuàng)新設(shè)計的三葉梅花孔(見圖2)，其具有較小的流動阻力，使腐蝕產(chǎn)物不易在換熱管支承板上堆積；加強了換熱管U形彎曲段支承，將換熱管發(fā)生流致振動破壞的可能性降至最小[6]。

圖2 換熱管支承板的管孔結(jié)構(gòu)示意

(5)對汽水分離裝置的設(shè)計進行優(yōu)化。其中，干燥器采用創(chuàng)新設(shè)計的雙鉤型波形板(見圖3)，使汽水分離性能有了較大的提升。

圖3 干燥器波形板結(jié)構(gòu)示意

(6)設(shè)計了新型的SG的支承結(jié)構(gòu)。上水平支承采用了銷軸結(jié)構(gòu)的“零間隙”支承設(shè)計，該設(shè)計可以有效地增強設(shè)備抗地震的能力[7]。

(7)在最頂層換熱管支承板的位置增設(shè)了檢查孔，提高了設(shè)備的可檢測性。

(8)采用傾斜向上的給水母管，改進了給水環(huán)支承結(jié)構(gòu)，可有效避免水錘、熱分層等不利情況的發(fā)生。

(9)采取多方面措施提高了SG 的抗震能力，對極限地震動SL-2的設(shè)計基準(zhǔn)由二代改進型電廠的0.2g提高至0.3g。

(10)采取多種措施(如優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高材料性能、合理考慮堵管裕量等)，提高了SG的固有可靠性和設(shè)計壽命(60 a)。

2.2 與國內(nèi)外同類技術(shù)比較

ZH-65型SG與國內(nèi)二代改進型電廠SG(55/19B型)、國外第三代核電SG(△125型)[8]性能參數(shù)比較見表2。

表2 蒸汽發(fā)生器性能參數(shù)比較

通過對比可以看出，與國內(nèi)現(xiàn)役的二代改進型電廠SG相比，ZH-65各項性能全面領(lǐng)先，體現(xiàn)了“代差”的優(yōu)勢。作為國內(nèi)首型自主第三代核電SG，ZH-65型SG的各關(guān)鍵性能指標(biāo)完全達到國外第三代核電SG的同等水平。

3 ZH-65 型蒸汽發(fā)生器性能設(shè)計驗證試驗

ZH-65 型SG相比國內(nèi)二代改進型電廠SG進行了多項技術(shù)改進，這些結(jié)構(gòu)的改進若不能得到充分的設(shè)計驗證，可能影響SG 的工作性能以及核電站的安全性。雖然開展了大量的計算分析工作，表明這些改進滿足設(shè)計要求，但考慮到以下因素，對ZH-65 型SG的關(guān)鍵部件性能以及綜合性能仍開展了全面的性能驗證試驗。

(1)根據(jù)我國核安全法規(guī)要求，新的設(shè)計、設(shè)施或?qū)嵺`必須在使用前經(jīng)過充分的驗證，以確認(rèn)達到了預(yù)期效果。

(2)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)為汽、液兩相流動，現(xiàn)有分析技術(shù)對兩相流流場的計算精度有限，需要進行設(shè)計驗證試驗，獲得相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)。

(3)蒸汽發(fā)生器管束流致振動與核安全直接相關(guān)，但引起管束流致振動的機理復(fù)雜，影響因素眾多，需要進行設(shè)計驗證試驗，以確保設(shè)計的安全性。

(4)開發(fā)了國內(nèi)首個蒸汽發(fā)生器設(shè)計軟件包，需要通過設(shè)計驗證試驗，對軟件進行驗證。

ZH-65 型SG的性能驗證分為4項設(shè)計驗證試驗，具體如下。

3.1 管子支承板水力特性試驗

試驗分為冷態(tài)選型試驗和熱態(tài)性能試驗兩部分。該試驗是國內(nèi)首次針對蒸汽發(fā)生器換熱管支承板進行的大型熱工水力試驗。

冷態(tài)選型試驗?zāi)康氖菍?種不同結(jié)構(gòu)的換熱管支承板管孔進行試驗比較，確定較優(yōu)的三葉梅花形管孔結(jié)構(gòu)。

熱態(tài)試驗?zāi)康氖窃谀MSG運行的高溫高壓兩相流工況下，測定三葉梅花形管孔的兩相局部阻力系數(shù)以驗證設(shè)計，并為熱工水力計算分析提供輸入[9-10]。熱態(tài)試驗結(jié)果表明，新型三葉梅花形管孔管子支承板水力特性與設(shè)計預(yù)期符合良好，相比二代改進型電廠SG，ZH-65型SG所采用的新型三葉梅花形管孔管子支承板局部阻力有大幅降低(見圖4)，能有效降低腐蝕產(chǎn)物在換熱管支承板處聚積的風(fēng)險。

圖4 管子支承板水力特性試驗結(jié)果

3.2 汽水分離裝置性能試驗

該試驗分為干燥器疏水能力試驗和汽水分離裝置熱態(tài)性能考核試驗兩部分。

干燥器疏水能力試驗表明，即使在最惡劣的工況下，ZH-65型SG的干燥器疏水能力可以滿足疏水要求，且有非常大的裕量。

汽水分離裝置熱態(tài)性能考核試驗是當(dāng)時國內(nèi)規(guī)模最大的蒸汽發(fā)生器汽水分離裝置兩相流熱態(tài)性能考核試驗。試驗?zāi)康氖窃谀MSG運行的高溫高壓兩相流工況下，測定汽水分離器和干燥器的分離特性以及水力特性，驗證設(shè)計指標(biāo)并為熱工水力計算分析提供輸入。

從圖5可以看出，當(dāng)功率負(fù)荷為120%時，汽水分離器分離效率與功率負(fù)荷100%時基本相同，分離效率均在99%以上，華龍一號SG汽水分離器具有較大的設(shè)計裕度[11]。

圖5 汽水分離器試驗結(jié)果

在干燥器入口進一步人為增加濕度，完成了汽水分離裝置性能的最終驗證。試驗結(jié)果表明，在包括超負(fù)荷工況的各種工況下，ZH-65型SG汽水分離裝置出口蒸汽濕度均遠小于0.1%的設(shè)計指標(biāo)要求。

3.3 換熱管束流致振動試驗

試驗分為動態(tài)特性試驗、入口段直管流致振動試驗、U形管流致振動試驗三部分。該試驗是國內(nèi)首次系統(tǒng)性地針對蒸汽發(fā)生器換熱管束進行的流致振動大型水力試驗[12]。

(1)動態(tài)特性試驗。

動態(tài)特性試驗的目的是獲得換熱管束的固有頻率和振型，為換熱管流致振動響應(yīng)分析評價提供依據(jù)。

(2)入口段直管流致振動試驗。

入口段直管流致振動試驗聚焦管板二次側(cè)附近的換熱管直管段，SG二次側(cè)流體在管束套筒開口處轉(zhuǎn)向進入換熱管束區(qū)，并在該處形成橫掠管束流動。試驗結(jié)果表明，ZH-65型SG管束在該區(qū)域的振動響應(yīng)很小，無流致振動破壞風(fēng)險。

(3)U形管流致振動試驗。

U形管流致振動試驗聚焦換熱管束的彎管區(qū)，該區(qū)域通常被認(rèn)為是SG流致振動風(fēng)險最大的區(qū)域。試驗結(jié)果表明，ZH-65型SG管束無漩渦脫落、流彈失穩(wěn)等流致振動破壞的風(fēng)險。

3.4 綜合性能試驗

在各關(guān)鍵部件完成單項設(shè)計驗證試驗后，還需要開展綜合性能試驗研究，以驗證經(jīng)優(yōu)化定型后的各部件在組合運行時的性能，同時驗證蒸汽發(fā)生器的二次側(cè)自然循環(huán)性能、蒸汽參數(shù)等綜合性能。

為了準(zhǔn)確地獲得循環(huán)倍率、蒸汽壓力等參數(shù)，試驗采用與ZH-65型SG等高的試驗?zāi)M體(約21 m，直徑方向進行?；s比)，在亞洲最大的蒸汽發(fā)生器專用高溫高壓熱工水力試驗回路上開展試驗[13]。

SG出口蒸汽壓力試驗結(jié)果如圖6(a)所示，SG出口蒸汽流量的試驗結(jié)果如圖6(b)所示。濕度測量結(jié)果表明，蒸汽濕度遠小于0.1%。

(a)出口蒸汽壓力

試驗結(jié)果表明，ZH-65型SG各項指標(biāo)完全達到要求，設(shè)計和性能試驗結(jié)果符合良好。

4 結(jié)語

ZH-65型SG是國內(nèi)首型具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電蒸汽發(fā)生器。該型SG采用了多項創(chuàng)新技術(shù)，性能達到了國外第三代核電SG的同等水平。針對該型SG的重要改進及SG的綜合性能進行了全面的試驗驗證，確保了該型SG的性能。