沉積物分布規(guī)律對蒸汽發(fā)生器傳熱性能的影響分析

褚英杰， 劉海濤， 陳自強(qiáng)， 羅 威， 吳江濤

(1. 福建寧德核電有限公司，福建寧德 355200；2. 西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室，西安 710049)

現(xiàn)階段核電廠蒸汽發(fā)生器的材料、設(shè)計和二回路水化學(xué)控制工藝已得到大幅改進(jìn)，但蒸汽發(fā)生器傳熱性能下降仍然在一定程度上影響其安全性和熱力性能，是核電行業(yè)需要重點關(guān)注的問題。壓水堆核電廠立式蒸汽發(fā)生器傳熱性能緩慢下降的主要原因是在蒸汽發(fā)生器內(nèi)關(guān)鍵部位(如管束、支撐板和管板)上存在大量沉積物，沉積物積聚并結(jié)垢。在這些關(guān)鍵部位上累積的沉積物，造成了熱力性能下降、沉積物底層腐蝕、蒸汽發(fā)生器水位振蕩、由上升流道堵塞引起的碳鋼支撐板的流動加速腐蝕(FAC)和高周疲勞引起的傳熱管失效等諸多問題。而這些沉積物主要來源于二回路的腐蝕產(chǎn)物，在機(jī)組正常運(yùn)行或啟機(jī)過程中不斷地遷移到蒸汽發(fā)生器中。蒸汽發(fā)生器換熱表面垢層形成的機(jī)理存在差異，垢層的分布位置也有所不同。管板和支撐板表面上通常也沉積了大量的腐蝕產(chǎn)物，由于其不是主要的換熱面，故對蒸汽發(fā)生器傳熱性能影響較小。顆粒物的沉積機(jī)理主要有慣性、擴(kuò)散、電泳和沸騰強(qiáng)化等。此外，鹽類物質(zhì)主要以結(jié)晶沉淀的形式沉積。由于沉積物的組分、粒徑分布不同，導(dǎo)致了其物理、化學(xué)和熱力特性變化比較大。

國內(nèi)多個CPR1000核電機(jī)組都出現(xiàn)了壽期初蒸汽發(fā)生器出口壓力快速降低的現(xiàn)象，利用污垢熱阻法分析其傳熱效率出現(xiàn)了下降。國內(nèi)對于蒸汽發(fā)生器積污的來源和分布規(guī)律的檢測手段和研究尚少。借鑒國際同行的檢測方法，利用傳熱管渦流檢查旋轉(zhuǎn)探頭，對不同運(yùn)行時間的蒸汽發(fā)生器積垢現(xiàn)象進(jìn)行分析，并對采集的泥渣進(jìn)行了成分光譜分析，為蒸汽發(fā)生器積垢的全壽期管理策略提供參考。

1 蒸汽發(fā)生器熱力性能現(xiàn)狀

KREIDER M A等[1]在2009年匯總了美國和亞洲的46臺蒸汽發(fā)生器，32種不同的壓水堆機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。這些蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行時間在1～19 a，平均運(yùn)行時間為9 a。沉渣厚度為2～188 μm，平均厚度約66 μm；換熱熱阻為-109×10-7～343×10-7m2·K/W，平均熱阻為16×10-7m2·K/W；二次側(cè)壓降為-0.51～0.15 MPa，平均壓降為-0.02 MPa。蒸汽發(fā)生器的熱阻分布和壓降分布見圖1和圖2。

圖1 蒸汽發(fā)生器污垢熱阻分布

圖2 蒸汽發(fā)生器壓降分布

由圖1可知：約2/3的機(jī)組污垢熱阻略大于零(0～<52.8×10-7m2·K/W)或略小于零(-52.8×10-7～<0 m2·K/W),對傳熱性能略有阻礙或促進(jìn)作用，對應(yīng)圖2中蒸汽壓力分別降低和提高0～0.08 MPa。有15%的機(jī)組增加了中等量的污垢熱阻(52.8×10-7～<106×10-7m2·K/W)，對應(yīng)蒸汽壓降為0.08～0.16 MPa。

將這些蒸汽發(fā)生器的污垢熱阻和壓降與給水Fe濃度和運(yùn)行時間歸一化后，得到的蒸汽發(fā)生器結(jié)垢速率和壓降速率，見圖3、圖4。由圖3、圖4可知：超過50%的機(jī)組蒸汽發(fā)生器的結(jié)垢速率為0～<1.76×102m2·K/(W·a)，對應(yīng)蒸汽發(fā)生器壓降速率為0～<0.27×107MPa/a。

圖3 蒸汽發(fā)生器結(jié)垢速率分布

圖4 蒸汽發(fā)生器壓力降低速率分布

2 蒸汽發(fā)生器腐蝕產(chǎn)物來源和類型

核電廠正常運(yùn)行期間，二回路熱力設(shè)備給水中管道系統(tǒng)和熱交換器表面的腐蝕產(chǎn)物膜釋放的離子態(tài)和可溶解態(tài)的金屬物質(zhì)，被沖刷而形成的顆粒態(tài)物質(zhì)，由設(shè)備維修和保養(yǎng)而引入的油脂或涂敷物，補(bǔ)給水及輔助給水中溶解的CO、O2等氣體，以及排污系統(tǒng)、精處理系統(tǒng)產(chǎn)生的樹脂碎片等物質(zhì)均可能遷移至蒸汽發(fā)生器中發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生并沉積[1]。

由于每個核電廠的設(shè)備材料、制水及pH控制策略等的不同，蒸汽發(fā)生器內(nèi)沉積物的化學(xué)組成也可能存在較大的差異。常見的轉(zhuǎn)移至蒸汽發(fā)生器內(nèi)的不純物質(zhì)類型可劃分為三類，即顆粒態(tài)、離子態(tài)和可溶物(見表1)。

表1 轉(zhuǎn)移到蒸汽發(fā)生器內(nèi)的不純物質(zhì)

核電廠二回路不同系統(tǒng)產(chǎn)生的不純物質(zhì)及其產(chǎn)生原因、遷移至蒸汽發(fā)生器的沉積物含量等信息見表2[2]。由表2可知：蒸汽發(fā)生器中大部分沉積物為啟動和正常運(yùn)行期間因腐蝕而產(chǎn)生的顆粒態(tài)物質(zhì)。

表2 不同系統(tǒng)遷移至蒸汽發(fā)生器的沉積物

遷移至蒸汽發(fā)生器的腐蝕產(chǎn)物中，約75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的產(chǎn)物沉積在傳熱管管束表面和支撐板表面，10%左右的產(chǎn)物沉積在管板上，15%左右的產(chǎn)物通過排污系統(tǒng)移除[3-4]。對于沉積在管板上的腐蝕產(chǎn)物，可在機(jī)組大修期間通過水力沖洗予以清除。從管板上清除的沉積物的典型化學(xué)成分見表3(給水系統(tǒng)采用無銅傳熱管)。

表3 典型管板沉積物的化學(xué)成分

由表3可知：管板上的沉積物大部分為腐蝕產(chǎn)物Fe3O4。因此，可根據(jù)給水中Fe濃度，通過質(zhì)量平衡，預(yù)測蒸汽發(fā)生器中腐蝕產(chǎn)物的累積量。

對于CPR1000核電機(jī)組，如給水中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 μg/kg，則Fe3O4在蒸汽發(fā)生器內(nèi)部遷移量的計算表達(dá)式可簡寫為：69.3×w(Fe)×t(t為時間，a)，由此得出每年總的遷移量為69 kg。加上每次啟動引入量約占總遷移量的12%[5]，可算出每年總的累積量約達(dá)到77.6 kg。如排污效率按照10%計算，則每年在蒸汽發(fā)生器中的累積量為69.9 kg。綜上，蒸汽發(fā)生器中腐蝕產(chǎn)物累積量M的表達(dá)式可簡寫為70×w(Fe)×t。

此外，也可利用低頻渦流技術(shù)直接測量傳熱管束沉積物的厚度或利用化學(xué)清洗后的腐蝕產(chǎn)物量進(jìn)行計算。在對上述3種方法進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，所得出的沉積物質(zhì)量基本一致[6]。因此，推薦采用給水中Fe濃度直接簡單預(yù)測的方法，對蒸汽發(fā)生器中的沉積物質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督。

3 腐蝕產(chǎn)物在蒸汽發(fā)生器中沉積規(guī)律

腐蝕產(chǎn)物在管板上主要沉積在中心區(qū)，該區(qū)域流速最低，大顆粒物質(zhì)由于重力而沉積，這也是蒸汽發(fā)生器排污管布置在中心區(qū)的原因。

腐蝕產(chǎn)物在傳熱管上的沉積主要與蒸汽發(fā)生器中蒸汽的流速、干度和熱流密度有關(guān)。流速越大、干度越大、熱流密度越大，則腐蝕產(chǎn)物越易于沉積[7]。DUACAN D[7]對蒸汽發(fā)生器進(jìn)行分區(qū)，將其沿高度方向分為5個區(qū)域，沿軸向分為3個區(qū)域，冷熱側(cè)共計30個區(qū)域，利用低頻渦流確認(rèn)了4種類型蒸汽發(fā)生器的沉積物分布。分布規(guī)律為：沉積物通常沉積在熱側(cè)上部；對于U形管區(qū)域，越靠上，沉積越多；冷側(cè)沉積量小于熱側(cè)。

圖5為利用低頻渦流檢測技術(shù)繪制的國外A電廠1號機(jī)組從2009年4月到2011年停堆期間可視化沉積物分布。圖6為國外B公司F型蒸汽發(fā)生器沉積物分布規(guī)律。由圖5和圖6可見：蒸汽發(fā)生器沉積物分布規(guī)律基本一致，即熱側(cè)上部沉積量較多，而冷側(cè)沉積量相對較少。

圖5 國外A電廠1號機(jī)組蒸汽發(fā)生器沉積物分布

圖6 國外B公司F型蒸汽發(fā)生器沉積物分布規(guī)律

國內(nèi)C電廠和D電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管的沉積物分布見圖7和圖8。由圖7和圖8可見，國內(nèi)C電廠的腐蝕產(chǎn)物集中在熱側(cè)上部和冷側(cè)下部。腐蝕產(chǎn)物在熱側(cè)上部的沉積現(xiàn)象與國外核電廠的沉積規(guī)律相符，而在冷側(cè)下部沉積，則不是很常見。

圖7 國內(nèi)C電廠第17次大修時蒸汽發(fā)生器傳熱管沉積物分布

圖8 國內(nèi)D電廠1號機(jī)組第1、2次大修時蒸汽發(fā)生器傳熱管沉積物分布

從國內(nèi)D電廠沉積物分布規(guī)律來看，沉積物在循環(huán)初受限在冷側(cè)沉積，隨著運(yùn)行時間的增長，逐漸在上部出現(xiàn)明顯的沉積物。

綜上所述，對于大部分蒸汽發(fā)生器來說，沉積物最多的位置在上部管束，包括彎管區(qū)，尤其是熱側(cè)更嚴(yán)重。但是，國內(nèi)D電廠的沉積物在冷側(cè)下部出現(xiàn)較多，而國內(nèi)C電廠冷側(cè)下部和熱側(cè)上部均有腐蝕產(chǎn)物沉積。

4 蒸汽發(fā)生器沉積物分布對傳熱的影響

蒸汽發(fā)生器中的沉積物大多積聚在上部管束，包括U形管的彎管區(qū)，且熱側(cè)比冷側(cè)更嚴(yán)重。然而，一些機(jī)組在冷側(cè)下部也出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的沉積現(xiàn)象。

蒸汽發(fā)生器的傳熱計算基于一、二回路熱平衡，即一次側(cè)傳熱量和二次側(cè)傳熱量相等，計算公式為：

(1)

Q=HAΔT

(2)

Q=qm,p(hpi-hpo)=qm,f(hsd-hf)

(3)

式中：H為總傳熱系數(shù)；hi為一次側(cè)水對管壁的傳熱系數(shù)；hb為管壁對二次側(cè)工質(zhì)的傳熱系數(shù)；do為傳熱管外徑；di為傳熱管內(nèi)徑；Km為管材的導(dǎo)熱系數(shù)；Rf為污垢熱阻；Q為傳熱量；A為傳熱面積；ΔT為傳熱溫差；qm,p為一回路水質(zhì)量流量；qm,f為蒸汽質(zhì)量流量；hpi、hpo為一回路進(jìn)、出口水焓；hso為出口蒸汽焓；hf為給水焓；ΔTmax為冷熱流體間的最大溫差；ΔTmin為冷熱流體間的最小溫差。

總傳熱系數(shù)也可以用總熱阻的倒數(shù)表示，總熱阻為一次側(cè)放熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻、污垢熱阻和二次側(cè)總放熱熱阻的總和。

蒸汽發(fā)生器傳熱管上空間的不同分布對傳熱效率有影響。由于沿著傳熱管從熱側(cè)到冷側(cè)熱流密度差異較大，同時沉積物的熱阻阻礙了熱流密度，允許熱量從熱阻較小的地方傳遞；因此，熱側(cè)相對冷側(cè)更加嚴(yán)重，冷側(cè)沉積物對傳熱的影響則相對較小。

利用美國電力研究院(EPRI)的ATHOS軟件對蒸汽發(fā)生器進(jìn)行分區(qū)，利用不同區(qū)域的不同厚度沉積物(不同厚度代表不同熱阻)進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖9[8]。該模擬假設(shè)兩種不同程度的積垢，即中等程度(10.6×10-6m2·K/W)和嚴(yán)重程度(35.22×10-6m2·K/W)的積垢。通過假定污垢熱阻從管板向上線性變化，保持總的平均熱阻不變。

圖9 不同熱阻分布情況下對壓力的影響

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整體熱阻對壓降的影響大于空間分布的不均勻性，主要表現(xiàn)如下：

(1) 中等程度和嚴(yán)重程度的積垢引起的蒸汽壓降為0.276 MPa，而污垢不均勻分布引起的壓降僅為0.069 MPa。

(2) 污垢均勻分布引起的壓降更大，因為不均勻分布時熱量可以從其他污垢較少地方進(jìn)行彌補(bǔ)，而均勻分布時彌補(bǔ)程度較小。

(3) 中等程度和嚴(yán)重程度的積垢曲線形狀類似，顯示在嚴(yán)重程度污垢熱阻的范圍內(nèi)應(yīng)該都呈現(xiàn)這一特性。

這也證實了蒸汽發(fā)生器的整體熱阻法雖然沒有考慮不同區(qū)域的沉積物分布，但也能夠在一定程度上代表蒸汽發(fā)生器傳熱能力，是一種可以信賴的方法。

法國電力集團(tuán)(EDF)也利用三維兩相流軟件對蒸汽發(fā)生器的熱阻情況進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖10和圖11(其中，ef為沉積物當(dāng)量厚度)[9]。由于沉積物在蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的分布并不是均勻的，因此模擬了幾種不同的熱阻分布情況。大多數(shù)情況下，熱側(cè)積垢的影響最大。當(dāng)污垢沉積到一定程度時，冷熱側(cè)均勻分布程度對熱阻的影響最大。這一規(guī)律與EPRI得出的規(guī)律基本類似，即熱側(cè)由于熱流密度大，沉積后影響傳熱較大，并且不易從其他區(qū)域進(jìn)行彌補(bǔ)，而冷側(cè)影響相對較小。

圖10 管側(cè)不同積垢厚度的模擬分布

圖11 6種極端的沉積物分布情況對壓力的影響

根據(jù)EPRI和EDF的分析結(jié)論可以推測，運(yùn)行時間較短的核電廠蒸汽發(fā)生器中出現(xiàn)的冷側(cè)下部沉積物，雖然位于泡核沸騰傳熱的起泡區(qū)，影響了該區(qū)域的傳熱，但是其可以在上部熱流密度更大的區(qū)域進(jìn)行彌補(bǔ)，故其對傳熱的影響應(yīng)該較小。反而是運(yùn)行時間長的核電廠，其在熱側(cè)上部的沉積物需要予以更多的關(guān)注。

5 結(jié)語

蒸汽發(fā)生器中的沉積物主要來自于二回路的腐蝕產(chǎn)物，其主要成分為Fe3O4。腐蝕產(chǎn)物主要在傳熱管表面和支撐板上沉積，在管板上沉積量較少。

沉積物在蒸汽發(fā)生器中的分布各有不同，以往的文獻(xiàn)大多數(shù)是沉積在蒸汽發(fā)生器熱側(cè)的上部空間，U形管區(qū)域沉積較多。而實際低頻渦流數(shù)據(jù)分析顯示國內(nèi)C電廠和D電廠的沉積主要發(fā)生在冷側(cè)下部和熱側(cè)上部，沉積物分布規(guī)律有所不同。

腐蝕產(chǎn)物在傳熱管表面沉積物分布規(guī)律不同，但其不同分布對蒸汽發(fā)生器傳熱的影響較小。

在對蒸汽發(fā)生器傳熱性能的監(jiān)測中，關(guān)注的重點不是不同區(qū)域的分布，而應(yīng)該是以總量進(jìn)行考慮。蒸汽發(fā)生器整體熱阻的變化能夠代表蒸汽發(fā)生器傳熱能力的變化，因此可用來對蒸汽發(fā)生器傳熱性能進(jìn)行評價。