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压水堆蒸汽发生器的工作原理与结构设计蒸汽发生器概述

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压水堆蒸汽发生器工作原理与结构设计蒸汽发生器概述 压水堆蒸汽发生器的工 作原理与结构设计蒸汽 发生器概述 压水堆蒸汽发生器的工作原理与结构设计蒸汽发生器
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压水堆蒸汽发生器的工 作原理与结构设计蒸汽 发生器概述 第二章 ü蒸汽发生器是产生汽轮机 所需蒸汽的换热设备。 ü蒸汽发生器既是一回路设 备,又是二回路设备,被 称为一、二回路的枢纽。 蒸汽发生器能否安全、可 靠地运行对整个核动力装 置的经济性和安全可靠性 有着十分重要的影响。 ü据压水堆核电厂事故统计 表明,蒸汽发生器在核电 厂事故中居重要地位。 v蒸汽发生器概述 Ø蒸汽发生器的作用与地位 第二章 第二章 •1977年一年,在79座运行的压水堆核电厂,就有34座发生了 蒸汽发生器传热管破损 •美国核管会(NRC)在1982年发表的调查报告指出,美国正 在运行的48座核电厂中,有40座发生了蒸汽发生器事故,其 中8座情况严重。 •国外PWR核电厂的非计划停准次数中约有四分之一是因有关 蒸汽发生器问题而造成的 •1992年,在205座反应堆中,报告蒸汽发生器有问题的达172 座。同年美国PWR的负荷因子由于蒸汽发生器问题(包括传热 管破损和更换蒸汽发生器)而降低了3.31%,占年负荷因子总降 低值的12.7%。 •从1979~1994年,已有55台蒸汽发生器因传热管严重破损而 被迫更换,其实际使用寿命平均仅约为14年(最短者仅8年) ,远未达到30~40年的设计寿命。 •美国1992年更换磨石-2堆的两台蒸汽发生器,停堆192天,耗 费1.9亿美元 ü 一些蒸汽发生器的可靠性是比较低的,它对核电厂的安 全、可靠性和经济效益有重大影响。因此,各国都把研 究与改进蒸汽发生器当作完善压水堆核电厂技术的重要 环节,并制定了庞大的研究计划, ü 主要包括:蒸汽发生器热工水力分析;腐蚀理论与传热 管材料的研制;无损探伤技术;振动、磨损、疲劳研究 ;改进结构设计,减少腐蚀化学物的浓缩;改进水质控 制等。 第二章 Ø蒸汽发生器的基本技术要求 ü 蒸汽发生器及其部件的设计,必须保证供给核电站在任何运行 工况下所需要的蒸汽量及规定的蒸汽参数。 ü 蒸汽发生器的容量应该最大限度地满足功率负荷的需要,而且 要求随着单机容量的增加,其技术经济指标会得到相应的改善 。 ü 蒸汽发生器的所有部件应该绝对地安全可靠。 ü 蒸汽发生器各零、部件的装配,必须保证在密封面上排除一回 路工质漏入二回路中去的可能性。 ü 必须排除加剧腐蚀的任何可能性,特别是一回路中的腐蚀。 ü 蒸汽发生器必须产生必要纯度的蒸汽,以保证蒸汽过热器在高 温下可靠运行,并保证汽轮机可靠而经济地运行。 ü 蒸汽发生器应该设计得简单紧凑,应该便于安装使用,便于发 现损坏并排除故障,并有可能彻底疏干。 ü 保证蒸汽发生器具有高的技术经济指标。 第二章 Ø 蒸汽发生器的分类 ü 按照工质流动方式可分为:自然循环蒸汽发 生器和直流蒸汽发生器; ü 按蒸汽发生器的外形可分为:卧式蒸汽发生 器和立式蒸汽发生器; ü 按传热管形状可分为: U形管、直管、螺旋 管以及由其它形状传热管构成的蒸汽发生器 。 ü 目前在压水堆核动力装置中使用的蒸汽发生 器主要有:立式U形管自然循环发生器、卧 式自然循环蒸汽发生器和列管式直流蒸汽发 生器。 第二章 电厂名称单位 Yankee Rowe 秦山 核电厂 美滨 二号 Stade 大亚湾 核电厂 WNP-5WNP-4 WWER- 1000 类型 立式 U形管 立式 U形管 立式 U形管 立式 U形管 立式 U形管 立式 U形管 立式 直管 卧式 U形管 国家及制造厂美国西屋 中国上海锅 炉厂 日本三菱 重工 德国 西门子 法国 法马通 美国燃烧工程 公司 美国巴布柯 克.威尔柯克 斯公司 俄罗斯 每台热功率MW150517.572847496519001880749 一回路压力MPa13.815.215.415.515.515.515.513.9 冷却剂进口温度℃293316.1320311.1327.6327.3331323 冷却剂出口温度℃268287.9289284.6292.4295.8298289 冷却剂流量t/h475612000122401100016754372733600014400 二回路蒸汽压力MPa3.435.545.344.976.897.327.146.28 二回路蒸汽温度℃243282269265284289306278.5 蒸汽产量t/h258101014298981938390537951469 给水温度℃160220221207.5226232240.5220 传热面积m212503072.94120451054299700126915040 传热管外径mm19.12222.2252219.0519.0515.912 传热管壁厚mm1.81.21.271.21.091.070.861.2 传热管数目根162029773260260544741600015648 传热管材料ss304I-800I-600I-800I-690I-600I-6000Cr18Ni10Ti 上筒体外径m2.593.634.223.604.4846.223.720 下筒体外径m2.162.83.232.743.4464.823.7204(内径) 总高m12.317.319.315.720.820.8823.013.84 净重t85211.5277330750490264 表2-2 压水堆核动力装置中几种典型蒸汽发生器的基本参数 第二章 Ø 工作原理 l 定义:在蒸汽发生器中,如果水和汽水混合物的 循环不需要外加能量,而是依靠水和汽水混合 物的密度差进行水循环,则称其为自然循环蒸 汽发生器。 ü 自然循环蒸汽发生器又可分为立式自然循环蒸 汽发生器和卧式自然循环蒸汽发生器。 v立式U形管自然循环蒸汽发生器 第二章 第二章 l 基本结构与流程 ü 蒸汽发生器由上、下封头、管板 、U形管束、汽水分离装置及筒 体组件构成。 ü 在一次侧,来自反应堆的冷却剂 由下封头进口管进入进口水室, 然后通过U形管束将热量传递给 二次侧工质。冷却剂流出U形管 束后,经过出口水室,再从下封 头出口管流出,由主冷却剂泵送 回反应堆。 第二章 ü在二次侧,二回路给水由给水泵输送到蒸 汽发生器的给水管,通过给水分配环管进 入管束衬筒与壳体之间所形成的环形下降 通道向下流动,通过衬筒与管板二次侧表 面之间的缺口处进入并横向冲刷管束,然 后折流向上,进入管束空间。水在U形管 束空间吸收来自一回路侧的热量,被逐渐 加热到饱和温度并不断产生蒸汽。当汽水 混合物向上流动并离开弯头区时,大约有 25%的饱和水蒸发为蒸汽。汽水混和物继续 上行,首先进入一次粗分离器分离出大部 分水份,带有细小水滴的湿蒸汽继续向上 流动,经过重力分离后进入二级汽水分离 (干燥)器,进一步将蒸汽湿度降至0.25% 以下后,由蒸汽导管引出,送往汽轮机做 功。分离出的饱和水全部进入环形下降通 道,与二回路给水混合后成为循环水。 蒸发器 16只 l自然循环蒸汽发生器的优点是: ü水容积大; ü蓄热量大; ü缓冲性好; ü对自动控制的要求不高。 ü由于可进行锅内水处理和排污,可适当降低对传热管材和二回路水 质的要求,从而简化了系统并提高了设备的安全可靠性。 l自然循环蒸汽发生器的缺点是: ü为保证蒸汽品质,需要装设汽水分离设备,使蒸汽发生器的结构复杂 ,尺寸增大。 ü由于自然循环蒸汽发生器产生饱和蒸汽,因此需要在汽轮机高低压缸 之间装设汽水分离再热器或在汽轮机内加装分离级,使系统复杂化, 投资提高。 ü静态特性较差。特别是在采用一回路冷却剂平均温度不变的运行方案 时,当蒸汽负荷从满负荷降到零负荷时,蒸汽发生器压力将增加几十 个大气压,使筒体的设计压力和给水泵的轴承载荷都大大增加。 第二章 Ø 结构设计 l 传热管: ü蒸汽发生器的传热面积是由大量小直径薄壁无缝U形管组成,通常选 用传热管的外径为φ12~22 mm,壁厚小于1.5 mm。 ü在1968年以前,传热管材料大多使用18-8型奥氏体不锈钢。 ü后来由于出现了氯离子应力腐蚀破裂事故,大都改用只经工厂退火处 理的Inconel-600合金(即I-600MA)。这种管型在早期运行中性能良 好,到70年代中期相继发生了耗蚀、凹痕和晶间腐蚀现象。 ü大约从80年代中期开始使用经特殊热处理的Inconel-600合金(即I- 600TT),90年代以后主要使用经特殊热处理的Inconel-690合金(即 I-690TT); ü联邦德国则从70年代开始一直使用Incoloy-800合金(即I-800)。传 热管在被弯成U形后,对于弯管直径小的传热管还需要再次进行热处 理以消除残余应力。 第二章 钢钢号 密度/ (g/cm3) 导热导热系数/ (W/m.℃) 热热膨胀胀系数/ (×10-6/℃) 抗拉强度/ MPa 屈服极限/ MPa 1Cr18Ni9Ti8.015.48(100℃)18.5(0~538℃)539196 Inconel-600 (退火) 8.42 14.65(室温) 19.26(316℃) 14.1(20~300℃)≥549(室温) ≥240(室温) 215(300℃) Incoloy-8008.02 11.72(室温) 16.74(316℃) 16.1(20~300℃)491(300℃)167(300℃) Inconel-69017.6(350℃)14.7(20~300℃)≥551276~448 田湾核电电厂秦山一期秦山三期秦山二期 大亚亚湾、岭奥核 电电厂 蒸汽发发生器数量 42423 传热传热管材料 0Cr18Ni10TiI-800I-800I-690TTI-690TT 传热传热面积积,m2 61153077.531775632.55435 传热传热管根数 110002977355046404478 外径×壁厚,mm ф16×1.5ф22×1.2ф15.9×1.13ф19.05×1.09ф19.05×1.09 ü 中国核电厂蒸汽发生器传热管材料与参数 ü 蒸汽发生器传热管材主要性能 第二章 l 管板: ü管板是传热管束的支撑基础,与传热管一起构成蒸汽发生器一、二次侧 的分界。 ü一般用低合金高强度钢锻造而成。大型蒸汽发生器的管板厚度达500- 700mm,直径3 m左右,重量达20吨以上,属于超厚锻件,因此要求材料 具有优良的塑韧性及淬透性。 ü为了与管子连接,管板上要钻数千乃至上万个小孔,而且对孔径公差、 节距公差、形位公差及管孔光洁度、垂直度都有很高的要求。因而,深 孔钻成为蒸汽发生器制造的关键工艺。整个蒸汽发生器的生产周期在很 大程度上取决于管板锻造和钻孔所耗费的时间。现在普遍采用多轴数控 深孔钻床进行管孔加工。 第二章 ü下方与冷却剂接触的表面,需堆焊一层镍基合金,这样即抗腐蚀,又适 合于同管子的焊接。 ü管板二次侧表面附近,是传热管发生腐蚀事故最集中的区域之一。这主 要是由于在管板表面的污垢沉积以及管子与管板间的间隙中出现的干湿 交替现象,引起化学物质的浓缩。因此,新型蒸汽发生器传热管与管板 间的连接除进行焊接外,还采用管板全长度胀管工艺,以消除管子与管 板间的间隙,避免化学物质在间隙内浓缩。 l 下封头: ü下封头是蒸汽发生器中承受高压并与大气接触的唯一部件,通常设计成 半球形,内侧堆焊镍基合金,并通过隔板将其分割为两个水室,每个水 室都有一个连接到一回路的接管和人孔。 ü为了便于维修,在水室和人孔的最低点都设有疏水管,以保证能将蒸汽 发生器彻底疏干。 ü人孔盖的密封由两道被压紧的“O”形密封环保证。在两道密封环之间有 引漏管与报警装置相连,用来监测第一道密封环的密封性。 ü半球形下封头虽然是最合理的承压形状,但由于开有四个大孔(二个人 孔及进、出口管嘴),开孔总面积达40%~50%,使下封头应力状态十 分复杂。 ü下封头通常在重型水压机下冲压成型,然后焊接冷却剂进出口管嘴,工 艺过程比较复杂。有些蒸汽发生器的下封头采用低合金钢或碳素钢铸造 而成,工艺过程相对简化,但必须严格控制铸件质量。 第二章 l 管束支撑组件: ü传热管束四周用衬筒包围,从而将汽水流道分隔成上升通道与下降通道 。 ü管束直段有若干块支撑隔板,在弯管区有防振条,用以固定管束,提高 自振频率,防止在运行中由于流动诱发振动导致管束损坏。隔板轴向通 过拉杆和套筒用螺拴固定,径向通过一些防止管束整体震动的楔子固定 在衬筒上,再将衬筒用螺栓固定在筒体上。 ü支撑隔板结构的设计,应考虑二次侧流体的通过能力、流动阻力,限制 流动引起的振动及管-孔间隙中的化学物质浓缩。 ü在管束下部管板上面还设置了流量分配挡板和排污管,前者用于保证中 心区仍有足够的流速,避免腐蚀产物的积累,消除淤渣,减少管子产生 腐蚀破裂的危险;后者用于连续排污,控制水质。 第二章 第二章 ü研究表明,管子支撑部位局部几 何结构对缝隙区传热、传质过程 具有重要影响。 ü早期核蒸汽发生器由于使用圆形 管孔和流水孔结构(图2-3a),导 致在缝隙区出现局部缺液传热状 态,由此产生化学物质浓缩,这 是造成传热管凹陷及支撑板破裂 的主要原因。 ü经过改进的设计为三叶形孔(图 2-3b)或四叶形孔(图2-3d)。 这使得该区域的腐蚀状况大为改 善. ü如果采用栅格形支撑则更为有利 (图2-3c)。 l 汽水分离装置: ü为了保证核动力装置能安全、经济地运行,蒸汽发生器出口的蒸汽湿 度必须严格控制在0.25%以下。现代的立式自然循环蒸汽发生器一般 都在上筒体内设置两级汽水分离器,基本结构如图2-4所示。 ü第一级设置许多立式旋叶式汽水分离器(如图2-4a所示),靠离心力分 离出大约80%~90%的水量; ü第二级一般采用波形板分离器(如图2-4b所示)或丝网干燥器,依靠惯 性力进行汽水分离。两级汽水分离器分离出的水全部通过疏水管导入 下降环形流道与给水混合。 ü在两级汽水分离器之间留出一定的高度,进行自然重力分离。 ü同时,也常常在第一级汽水分离器前设置水下孔板、在第二级汽水分 离器后设置均汽孔板,用于均匀蒸汽负荷,提高汽水分离器的效率。 第二章 第二章 l 给水管: ü给水管是一圆形环管,位于上筒体内第 一级汽水分离器的下面,是二回路给水 进入蒸汽发生器的通道。 ü在给水环管上焊有倒J形管,给水通过 倒J形管进入环形下降空间,保证环管 内总是充满水,防止蒸汽进入,从而避 免由于蒸汽泡的突然破灭而引发水锤现 象的发生(如图2-5a所示)。 ü由于U形传热管的进出口温度有较大差 异,因此给水沿蒸汽发生器周向的分配 是不均匀的,其中80%的给水到热侧, 20%到冷侧。 ü在给水管与上筒体的贯穿处,由于给水 温度大大低于筒体温度,直接焊接会造 成应力集中,因此常常采用如图2-5b所 示的套管结构来均匀温度场。 第二章 l 筒体组件: ü蒸汽发生器筒体组件包括上封头、上筒体、锥形体、下筒体等。 ü上封头通常为标准椭球形,封头顶部有蒸汽出口管嘴,管嘴内设有限 流器,用于在主蒸汽管道发生破裂事故时限制最大蒸汽流量,从而限 制蒸汽发生器二次侧部件和一回路系统的冷却速率,防止反应堆在紧 急停堆后又重返临界。 ü限流器由七根小直径文丘里管组成,其中一根文丘里管位于管嘴中心 线上,其余六根文丘里管在圆周方向上均匀分布。 ü由于汽水分离器和给水环管都安装在上筒体内,因此上筒体的直径一 般要比下筒体粗,两者之间由锥形体连接。 ü上筒体还开有人孔以便对汽水分离器和传热管束上部进行检修,在下 筒体靠近管板处设有若干个检查孔(手孔),以便检查该区域内的传 热管表面和管板的二次侧表面,在必要时可用高压水冲洗管板上表面 沉积的淤渣。 ü由于筒体组件只与二回路工质接触,因此,一般采用锅炉钢或低锰合 金钢制造。 第二章 l 定义:所谓卧式自然循环蒸汽发生 器,就是蒸汽发生器筒体轴线与地面 平行的自然循环蒸汽发生器。 ü美国早期的核动力装置中曾采用卧式 自然循蒸汽发生器(如,西平港核电 站和“舡鱼”号核潜艇),但很快即 被立式U形管式自然循环发生器代替 , ü俄罗斯(前苏联)在压水堆电厂核动 力装置中则一直使用卧式自然循环蒸 汽发生器,基本结构如图2-6所示。 v卧式自然循环蒸汽 发生器 第二章 ü蒸汽发生器采用单筒体结构,U 形管固定在两个立式圆柱形联箱 上。传热管采用奥氏体不锈钢, 管子内表面进行电化学抛光处理 ,外表面进行研磨处理,表面质 量用超声波监督,以提高管材的 抗腐蚀能力。 ü筒体和联箱的材料均采用高强度 钢,在筒体的上部空间布置了水 平或V形波纹板汽水分离器和多 孔板,汽水分离器与水面之间保 持足够的高度。因此,汽水混合 物离开蒸发面后,首先进行重力 分离,然后进入波纹板汽水分离 器进行细分离,以产生品质合格 的蒸汽。 ü为均匀蒸发面负荷,在筒体的上部空间布置了5根蒸汽引出管,引出 管与水平集汽联箱相连。 ü在管束之上设有给水联箱,装在给水联箱上的给水分配管垂直插在U 形管束中间,这样该处的管排间隙就成了下降通道,另外的管排间隙 和管束与筒体的间隙即为上升通道。当然,这里的上升、下降通道并 不象立式自然循环发生器的上升、下降通道那样有明显的分界面。 ü二回路给水采用氨羧络合剂的水化学处理,它与传热管材料相匹配, 防止了氯离子腐蚀和其他类型的腐蚀。经过长期的电站运行考验,该 型蒸汽发生器具有良好的的运行纪录。 l卧式自然循环蒸汽发生器的突出优点是: ü(1) 安全可靠性好。它没有水平管板,而是采用了立式联箱,这样水平 U形管根部汽水流动通畅,不会形成滞流区,因而不会造成泥渣沉积 和腐蚀介质的浓缩,使传热管根部避免腐蚀破裂; ü(2) 蒸发面负荷较小,采用比较简单的汽水分离装置即可保证蒸汽品质 ; ü(3) 采用奥氏体不锈钢传热管可以节省大量的镍金属,使得卧式自然循 环蒸汽发生器的价格比较低廉。 第二章 l卧式自然循环蒸汽发生器的最大缺点是: ü(1) 体积大,重量大,金属耗量大; ü(2) 由于受到铁路运输的限制,蒸汽发生器的体积不能过大,因此单台极限功率 负荷受到限制,一般不超过200~300MW; ü(3) 在安全壳内布置不方便; ü(4) 须严格控制二回路侧水质指标,特别是氯离子指标。 l与卧式自然循环蒸汽发生器相比,立式U形管自然循环蒸汽发生器的优点是: ü(1) 避免了汽泡的停滞,改善了传热,使水循环更加安全可靠; ü(2) 单台电功率比卧式自然循环蒸汽发生器高; ü(3) 作为传热管的U形管可以自由膨胀; ü(4) 结构紧凑,相对于相同出力的卧式自然循环蒸汽发生器来说,具有较小的尺 寸和重量,便于运输,易于布置; ü(5) 维修方便。 l与卧式自然循环蒸汽发生器相比,立式U形管自然循环蒸汽发生器的缺点是: ü(1) 二回路侧管板上容易形成滞流区,引起二回路水在那里的流速过低,产生泥 渣沉积、杂质浓缩和在传热管上发生干湿交替。因此,传热管的腐蚀破损大多 数都发生在这个区域。 ü(2) 巨大的水平管板加工技术难度大、工艺复杂、成本高; ü(3) 蒸汽离开蒸发面时的流速高,除湿难度大。 第二章 l 定义:在直流式蒸汽发生器中,二回路工质的流动是依靠给水泵的压 头来实现的,外力强迫二回路工质一次流过传热管,随着水沿传热管 流动,水被一回路冷却剂加热,给水经过预热、蒸发、过热而达到所 要求的温度,通常直流式蒸汽发生器可以产生微过热的蒸汽。 l直流式蒸汽发生器的主要特点是: ü强迫流动; ü产生微过热蒸气; ü没有内部的水循环,给水一次流过加热面而转变为蒸汽。 ü直流式蒸汽发生器又可分为管外直流蒸汽发生器和管内直流蒸汽发生 器 ü管外直流蒸汽发生器是二回路工质在传热管外流动,而一回路冷却剂 在传热管内流动,主要应用于核电厂; ü管内直流蒸汽发生器则是二回路工质在传热管内流动,一回路冷却剂 在传热管外流动,主要应用于舰船核动力装置。 ü使用最多的是图2-7所示的列管式直流蒸汽发生器。 v直流式蒸汽发生器 第二章 ü蒸汽发生器由上封头、下封头、上管板、下 管板、筒体、衬筒和管束组成。 ü球形封头由低合金钢板冲压而成,一回路冷 却剂进口接管位于上封头,出口接管位于下 封头,上、下封头都开有检查孔和人孔,球 形封头和进出口接管内表面都堆焊有不锈钢 层。 ü管板用低合金钢锻件制造,在与一回路冷却 剂接触的表面上堆焊与管材相同的材料。 ü筒体采用碳素钢或低合金钢板卷板焊接而成 。 ü传热管目前均采用镍基合金。 ü在管束上装有支撑板,其结构与立式自然循 环发生器相同。 ü在传热管束外围有衬筒,衬筒与筒体间围成 上下两段环形通道,其中上段为过热蒸汽的 回流通道,下段为给水通道。 第二章 第二章 ü工作时,一回路冷却剂从顶部接管进入蒸汽发生器的上封头,向下流 入传热管,将热量传给二回路工质,然后进入下封头,经出口接管流 出。二回路给水进入蒸汽发生器后,经过衬筒和下管板间的间隙进入 预热段,被加热后又沿着管束向上流动,并逐渐被加热至沸腾状态, 直至被全部汽化为蒸汽,并达到过热状态。 ü过热蒸汽经上衬筒和上管板间的间隙,折流向下进入衬筒和筒体间的 环形通道,最后自过热蒸汽出口管引出。 ü对奥康尼核电站1号机组的一台蒸汽发生器的实际测量表明,当一回 路采用冷却剂平均温度线性增加的运行方案时,过热蒸汽温度随负荷 的增加而增加,在高负荷时增加较慢,蒸发段的长度随负荷的增加成 直线关系增长。因而,对蒸发段来说,饱和温度将保持不变或变化很 小。相应地,当直流蒸汽发生器的负荷发生变化时,蒸汽压力基本稳 定在一个数值上。 ü事实上,负荷在15%以上时,蒸汽压力保持不变;负荷在15%以下时, 蒸汽压力的增加也很小; ü零负荷时,蒸汽压力等于对应冷却剂平均温度的饱和温度。 第二章 l直流蒸汽发生器的显著优点是: ü(1) 没有汽水分离设备,结构简单,尺寸紧凑; ü(2) 静态性能好,蒸汽压力稳定; ü(3) 运行的机动性好,升降功率速度快; ü(4) 产生过热蒸汽,提高了装置的热效率 l直流蒸汽发生器的主要缺点是: ü(1) 由于无法象自然循环蒸汽发生器那样进行锅内水处理和排污,因 此由给水带入的盐分将大部分沉积在传热管表面,故对给水的品质和 传热管管材的性能要求较高; ü(2) 水容积小,蓄热能力小,对给水自动控制要求高。 第二章 l在设计和使用直流蒸汽发生器时,有两方面的问题应给予足够的重视 : ü(1) 直管型直流蒸汽发生器必须解决好管束和筒体间热膨胀差的补偿 问题。一般可通过过热蒸汽回流的办法,即把过热蒸汽引向筒体和衬 筒间的环形通道向下流出来加热筒体,使筒体和传热管的膨胀量相同 。也可以在制造蒸汽发生器时预先在传热管内造成拉应力,即先把传 热管的一端与管板胀焊好,然后在传热管温度高于筒体温度的情况下 进行传热管另一端与管板的胀焊,冷却后便在传热管内存在拉应力。 而在运行时,传热管的膨胀量大于筒体的膨胀量,使传热管受到压缩 ,从而消除传热管的拉应力。 ü(2) 直流蒸汽发生器内可能发生各种类型的两相流动不稳定性问题。 当两相流动不稳定性发生时,蒸汽发生器内将出现流量、温度、压力 等热工参数的周期性振荡,引起机械振动或热应力变化,从而导致设 备工作性能降低,甚至诱发传热管的应力腐蚀或烧毁。因此,在直流 蒸汽发生器的设计和运行时,必须避开流动不稳定区或采取有效措施 抑制流动不稳定性的发生,以确保蒸汽发生器能安全、稳定地运行。 ü螺旋管式直流蒸汽发生器的传热面由螺旋管组成,在核动力装置中一 般都是制成立式管内直流蒸汽发生器,当然在一些特殊场合也可以制 成卧式直流蒸汽发生器。 l螺旋管式直流蒸汽发生器的突出优点是: ü(1) 传热管加工、布置比较简单,在一定的空间范围内可以布置更多 的换热面; ü(2) 螺旋管特殊的几何结构使管内流动产生了二次流,使换热得到强 化,节省了换热面; ü(3) 螺旋管可以相对自由膨胀,最大限度地消除了热应力。 ü因此,螺旋管式直流蒸汽发生器不仅结构紧凑,换热效率高,而且还 具有较高的可靠安全性,很适合于一体化核动力装置设计的要求。 ü目前,螺旋管式直流蒸汽发生器不仅用于压水堆核动力装置,也已经 用于气冷堆、高温气冷堆、钠冷堆及一些其它用途的工业设备中。 v螺旋管式直流蒸汽发生器 第二章 第二章 ü前苏联(今俄罗斯)1958年投入运 行的“列宁”号破冰船上的压水堆 动力装置中安装的就是螺旋管直流 蒸汽发生器。不过最初使用的是管 外直流蒸汽发生器,后因发生传热 管泄漏事故而更新了蒸汽发生器, 将二回路工质由管外流动改为管内 。进一步改进后的直流蒸汽发生器 被用于“北极”号破冰船,结构简 图如图2-8所示。 ü用耐腐蚀合金制成的螺旋盘管管束 装在立式圆柱形筒体内,管束上部 固定在筒体顶盖上。管系分成20个 独立单元,在必要时任何一个破损 的单元都可以关闭隔离,而不影响 管束的正常工作,管系检修工作可 以在上部进行。 第二章 ü后来发展 的紧凑型 核动力装 置将主循 环泵放在 了蒸汽发 生器的顶 部,如图2 -9所示。 第二章 ü联邦德国的“奥托· 哈恩”号商船上的压 水堆核动力装置也采 用了螺旋管直流蒸汽 发生器,结构简图如 图2-10所示[6]。 ü蒸汽发生器坐落在反 应堆内活性区的上方 ,传热管的尺寸为 φ19×1.2 mm,总重 量13吨。 第二章 ü蒸汽发生器由传热管束、进口联箱、出口联箱和套筒等组成。 ü传热管束分为3个独立单元,每个单元由54根螺旋管组成,3个单元共 计162根传热管。 ü螺旋管的两端分别固定在进出口联箱的管板上,螺旋管之间用型材轴 向贯通于管的两边使管束固定,防止振动和相互摩擦。 ü套筒为内外两层同心薄板构成的环形腔,腔的宽度为470 mm,高度为 3.3 m。内外套筒之间有定位铁,防止管束横向偏移。外套筒的顶端加 强部分支撑在压力容器的凸缘上,内套筒的底端亦有加强措施坐落在 圆环上,圆环用螺栓固定在活性区支撑结构的支撑平台上。 ü内外套筒的上下端两端都有6根型铁均匀地布置在周边上,将两个套筒 连接起来,上部套筒承担悬挂管束型材的任务。 ü运行时,二回路给水从入口进入蒸汽发生器内,向下引至环形腔底部 ,再经螺旋管由下往上流动变成过热蒸汽,过热度为36℃,由上部出 口流出。 第二章 l螺旋管直流蒸汽发生器由于自身特殊的结构形式,其传热管的设计加 工与其它形式的蒸汽发生器相比有着很大的不同。 ü设计时,首先根据结构设计选定转筒的直径和传热管的直径,然后给 出管内流体的流速,并确定传热管数目,选定传热管层数。层与层之 间的距离根据冷却剂在管间的流速确定。 ü由于各层盘管的直径不同,因此一般通过改变各层内螺旋管头数的方 法使传热管长度相等,保证各层螺旋管出口蒸汽参数相同。缠绕在大 直径层上的传热管头数应比较多一些,缠绕高度由蒸汽发生器的布置 条件和水阻力允许值决定。 l螺旋管的卷管方法基本有两种: ü一种是自由卷管,即每一根管在组装到支撑件之前就卷成螺旋管,经 检验质量合格后再将螺旋管逐根地穿到支撑板架上。对于大型气冷堆 蒸汽发生器的螺旋管,这种加工方法对支撑是有困难的,从时间和空 间上也不经济。 ü另一种加工方法是先往中心支撑脊柱处缠绕螺旋管,然后再往这一排 螺旋管上卷第二排,加上支撑带使盘管间的距离能准确控制满足设计 要求。螺旋管每卷一圈便从卷管机上取下进行尺寸检查,装配、调整 支撑,同时卷管机可以接着卷另外一圈螺旋管,从而提高了设备的利 用率。 ü俄罗斯在第四代船用压水堆设计中采用了一体化结构,所使用的 蒸汽发生器为高效盒式直流蒸汽发生器。 ü如,在VPBER-600反应堆中,蒸汽发生器由12个模块组成,其中有 6个矩形模块和6个梯形模块,模块和模块之间由围筒隔开。 ü每个模块又被分成18个组件,几个组件组合成独立的子模块,整 个蒸汽发生器共包括216个单元组件。 ü蒸汽发生器的主要参数如表2-5所示。 v盒式高效直流蒸汽发生器 第二章 第二章 参数数值值参数数值值 一回路 冷却剂剂流量,kg/s10140模块块数12 压压力,MPa15.7包括:矩形6 入口温度,℃325 梯形6 入口温度,℃294独立小组组数216 压压力损损失,MPa0.343蒸汽发发生元件数66396 二回路 蒸汽生产产能力,kg/s905换热换热 面积积,m214260 蒸汽压压力,MPa6.38换热换热 面积紧积紧 凑性,m2/m3342 给给水温度,℃230有效换热换热 区的热热功率密度, MW/m3 45 蒸汽温度,℃305干中,t180 压压力损损失,MPa1.47 表2-5 蒸汽发生器的主要参数 第二章 ü盒式蒸汽发生器 的每个模块都是 由蒸汽发生单元 组件、联箱、给 水管、蒸汽管、 围筒、带密封装 置的管嘴和高强 度密封管接头组 成。 ü结构简图如图2- 11所示。 第二章 ü工作时,二回路给水首先通过模块联箱中央的给水管分配到各个单元 组件,然后再进一步分配到每一个蒸汽发生元件。 ü水在向上流动的过程中被逐步转变成过热蒸汽,然后通过蒸汽管进入 联箱的蒸汽空间,并最终排出蒸汽发生器。 ü一回路冷却剂则从压力腔进入模块,在蒸汽发生元件之间向下流动, 把热量传给二次侧工质。 ü在围筒下部,冷却剂穿过带密封装置的管嘴离开模块,再次进入堆芯 入口。 l与传统的直流蒸汽发生器相比,盒式高效直流蒸汽发生器不仅体积热 负荷大大提高,而且安全可靠性也得到明显的提高,这主要得益于: ü(1)选用了性能优异的钛合金材料。这样既提高了蒸汽发生器的耐腐蚀 能力,也降低了温差应力; ü(2)采用了模块化设计。在发生回路泄漏的情况下,可以查找泄漏位置 和隔离任何泄漏组件。隔离一个组件,换热面积只减少1/216; ü(3)尽可能多地采用了标准化、统一化零部件,使不同类型和尺寸的部 件能在自动化生产过程中安排并行的工艺流程,从而保证了蒸汽发生 器的质量。 l前面介绍的自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发生器都各有优缺点: ü自然循环蒸汽发生器对管材、水质和自动控制水平的要求比较低,但 只能产生饱和蒸汽,效率低,需要增加汽水分离器; ü直流蒸汽发生器虽然效率高,结构紧凑,但是对管材、水质和自动控 制水平都提出了更高的要求。 l如何将两种蒸汽发生器的优点结合起来,克服缺点,设计出一种新型 的蒸汽发生器应该是一个值得努力的研究方向。 ü俄罗斯就曾设计过一种产生过热蒸汽的自然循环蒸汽发生器,设计方 案如图2-12所示。 ü它由两部分组成,下部为蒸发传热面和一、二次汽水分离器,上部为 过热传热面。上、下均为螺旋管,蒸发和过热传热管规格相同,即外 径为12mm,壁厚为1.2 mm。蒸发传热管材料为0Cr18Ni9Ti,过热传 热管材为含镍量35-40%的耐蚀合金(相当于因科洛依-800)。这种蒸汽 发生器虽然没有得到实际应用,但其设计思想还是值得学习的。 ü法国就曾在CAP反应堆一体化设计中保持蒸汽发生器的正常水位低于 传热管高度,使传热管上部具有干燥作用。 v产生过热蒸汽的自然循环蒸汽发生器 第二章 第二章
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本文标题:压水堆蒸汽发生器的工作原理与结构设计蒸汽发生器概述
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