核電蒸汽發(fā)生器熱工水力穩(wěn)態(tài)特性分析

摘 要：探討核電蒸汽發(fā)生器熱工水力穩(wěn)態(tài)特性，并對其結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時驗證不同功率水平下，污垢和堵管程度對蒸汽發(fā)生器運行狀態(tài)的影響。結(jié)果顯示，隨著負(fù)荷的不斷增加，蒸汽發(fā)生器雙側(cè)回路的傳熱系數(shù)逐漸變大，但其變化速率小于負(fù)荷的變化率，其中無堵管污垢情況下的總熱傳導(dǎo)系數(shù)高于有堵管污垢情況下的傳導(dǎo)系數(shù);同時，蒸汽發(fā)生器負(fù)荷率不斷增加，入口、出口溫度以及平均溫度逐漸上升;負(fù)荷率>60%以后，出口溫度的上升速率逐漸縮小，且平均溫度的上升速率呈放緩態(tài)勢;隨著負(fù)荷率的增加，蒸汽發(fā)生器的循環(huán)倍率由20降到3.4。因此，為了滿足蒸汽發(fā)生器的散熱需要，使其處于額定狀態(tài)，要對其運行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其呈現(xiàn)動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)，以保障運行安全。

關(guān)鍵詞：核電;蒸汽發(fā)生器;穩(wěn)態(tài)特性

0? ? 引言

蒸汽發(fā)生器作為核電站重要的大型換熱裝置，其運行狀態(tài)直接關(guān)系到核電廠的安全，所以全面分析其穩(wěn)定運行機(jī)理具有十分重要的實踐意義[1]。蒸汽發(fā)生器位于一回路主冷卻劑與二回路介質(zhì)之間，對兩者的熱交換具有重要影響。因為介質(zhì)、主冷卻劑的流動狀態(tài)會對蒸汽發(fā)生器的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，所以蒸汽發(fā)生器穩(wěn)定性的研究，就是介質(zhì)、主冷卻劑水動力學(xué)的計算與分析[2]。本文將在綜合前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際案例和數(shù)學(xué)算法，從水動力學(xué)的角度對經(jīng)濟(jì)發(fā)生器穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析。

1? ? 相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)描述

1.1? ? 蒸汽發(fā)生器熱平衡描述

（1）假設(shè)二回路產(chǎn)生蒸汽量為Q1，其計算公式如下：

Q1=G1（Ii-Ij）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：G1為二回路中介質(zhì)的流量（t/h）;Ii、Ij分別為介質(zhì)的入口熱焓和出口熱焓（kJ/kg）。

（2）假設(shè)一回路吸收蒸汽量為Q2，其計算公式如下：

Q2=G2（Is-Iw）? ? ? ? ? （2）

式中：G2為一回路中冷卻劑的流量（t/h）;Is、Iw分別為冷卻劑的入口熱焓和出口熱焓（kJ/kg）。

（3）一、二回路熱能平衡，其計算公式如下：

Q1=μQ2? ? ? ?（3）

式中：μ為一、二回路中的熱損失，核電站推薦值為0.01～0.03。

1.2? ? 蒸汽發(fā)生器熱工描述

蒸汽發(fā)生器熱工計算是通過二回路計算發(fā)生器的熱傳導(dǎo)面積，計算公式如下：

Q=K·ΔT·A? ? ? ? ?（4）

式中：Q為發(fā)生器產(chǎn)生的熱量（J）;K為熱傳導(dǎo)系數(shù)[J/（m2·℃）];ΔT為熱傳導(dǎo)的溫度變化差（℃）;A為發(fā)生器吸收熱量的面積（m2）。

1.3? ? 蒸汽發(fā)生器水力描述

（1）一回路流動阻力計算。

假設(shè)介質(zhì)阻力為ΔP，那么單相的介質(zhì)流動公式為：

ΔP=ΔPt+ΔPh? ? ? ? （5）

式中：ΔPt為介質(zhì)流動摩擦力（Pa）;ΔPh為局部阻力（Pa）。

（2）雙側(cè)介質(zhì)循環(huán)的計算。

雙側(cè)水循環(huán)的計算是求得循環(huán)回路的運動壓頭、流動阻力以及壓頭與阻力之間的關(guān)系和平衡系數(shù)，為水循環(huán)的降溫速度、循環(huán)倍率（介質(zhì)水的重量/蒸汽重量）提供依據(jù)，最后，對各個結(jié)果的合理性進(jìn)行校對，使其處于合理范圍[3]。

一般來說，核電蒸汽發(fā)生器的工作壓力為3.0～7.0 MPa，所以蒸汽的重度差值（蒸汽重量流量/汽水混合物總重量）變化較大，以實現(xiàn)蒸汽的自我循環(huán)。二次側(cè)蒸汽混合物的浴管高度上升后，會持續(xù)產(chǎn)生水蒸氣，再次增加重度差。其中，介質(zhì)循環(huán)平衡的計算公式如下：

（H-Hb）r′-Hrrmix=ΔPd+ΔPr+ΔPs? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：H、Hb、Hr為水、汽水、蒸汽的高度（m）;r′為蒸汽的重度（N/m3）;rmix為汽水混合物的重度（N/m3）;ΔPd、ΔPr和ΔPs分別為上、下通道和汽水的阻力（Pa）。

由公式（6）可知，雙側(cè)介質(zhì)循環(huán)處于平衡之后，介質(zhì)的流動壓力Pm大于循環(huán)回路中的阻力，其計算公式如下：

Pm=Hr（r′-rmix）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

由此可知，蒸汽發(fā)生器中的壓力提高以后，水汽的重度差就會減小，致使運動壓頭的壓力減小，保持介質(zhì)雙向循環(huán)的穩(wěn)定。

2? ? 相關(guān)計算結(jié)果與靜態(tài)特性的分析

2.1? ? 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

以A核電站Ⅱ期的40萬kW蒸汽發(fā)生器為例，對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，計算不同功率條件下，新發(fā)生器的運行狀態(tài)（無管道堵塞、無污垢等阻礙）、運行一段時間后（10%的堵塞和污垢）的運行狀態(tài)，以及出口的蒸汽壓力、雙側(cè)循環(huán)的倍率、雙側(cè)裝水量等熱工數(shù)值。

蒸汽發(fā)生器的規(guī)格如表1所示。

蒸汽發(fā)生器的額定參數(shù)如表2所示。

2.2? ? 熱工水力穩(wěn)態(tài)特性計算結(jié)果

依據(jù)上述蒸汽發(fā)生器實際結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計參數(shù)，對其進(jìn)行熱工水力特性計算，判斷發(fā)生器靜態(tài)特性的熱工水力關(guān)系曲線[4-5]。靜態(tài)特性是核電站在不同負(fù)荷情況下，處于穩(wěn)定狀態(tài)時發(fā)生器、雙側(cè)傳熱的平均溫度變化規(guī)律[6-7]，如圖1、圖2、圖3所示。

由圖1可知，隨著負(fù)荷的不斷增加，蒸汽發(fā)生器雙側(cè)回路的傳熱系數(shù)逐漸變大，但其變化速率小于負(fù)荷的變化率。其中，無堵管污垢情況下的總熱傳導(dǎo)系數(shù)高于有堵管污垢情況下的傳導(dǎo)系數(shù)。

由圖2可知，蒸汽發(fā)生器負(fù)荷率不斷增加，入口、出口溫度以及平均溫度逐漸上升。負(fù)荷率>60%以后，出口溫度的上升速率逐漸減小，且平均溫度的上升速率呈放緩態(tài)勢。

由圖3可知，隨著負(fù)荷率的變化，蒸汽發(fā)生器的循環(huán)倍率由20降到3.4，而且蒸汽發(fā)生器的循環(huán)倍率變化幅度和波動比較平緩，說明其循環(huán)倍率并未隨著蒸汽發(fā)生器的負(fù)荷增加，而呈現(xiàn)抖動性變化。在負(fù)荷增加的過程中，循環(huán)倍率呈現(xiàn)小幅度的上升和下降，其原因是蒸汽發(fā)生器含氣率變化對流動壓頭產(chǎn)生了影響，即含氣率會增加流動壓頭的阻力。

由圖1、圖2、圖3可知，蒸汽發(fā)生器中循環(huán)導(dǎo)管的污垢會降低其換熱系數(shù)，其原因是堵管會縮小蒸汽發(fā)生器的散熱面積，降低介質(zhì)的流動速度及其傳導(dǎo)系數(shù)。因此，導(dǎo)管的污垢程度對蒸汽發(fā)生器換熱系數(shù)、介質(zhì)的熱傳導(dǎo)影響較大。

3? ? 結(jié)語

通過對A核電站Ⅱ期40萬kW蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析，可以得到以下幾方面結(jié)論：

（1）熱傳導(dǎo)系數(shù)是蒸汽發(fā)生器散熱的主要參數(shù)，其受管壁的熱阻、厚度和污垢影響，蒸汽發(fā)生器傳熱性能與介質(zhì)的流動速度、熱傳導(dǎo)接觸面積密切相關(guān)。

（2）蒸汽發(fā)生器的總換熱系數(shù)大于單側(cè)換熱系數(shù)，其散熱總量與介質(zhì)的流動速度密切相關(guān)。

（3）隨著反應(yīng)堆的負(fù)荷增加，雙側(cè)氣壓逐漸減小，管道污垢、堵管會對氣壓產(chǎn)生阻礙作用，影響熱傳導(dǎo)。在核電站運行過程中，污垢、堵管會減小蒸汽發(fā)生器雙側(cè)換熱系數(shù)，進(jìn)一步降低單側(cè)出口的氣壓，影響介質(zhì)的熱傳導(dǎo)。為了滿足蒸汽發(fā)生器的散熱需要，使其處于額定狀態(tài)，要對其運行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其呈現(xiàn)動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)，以保障運行安全。

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收稿日期：2021-08-12

作者簡介：朱景艷（1983—），女，山東榮成人，碩士研究生，華能山東石島灣核電有限公司培訓(xùn)中心理論教員，研究方向：反應(yīng)堆物理熱工。