核電蒸汽發生器熱工水力穩態特性分析

摘 要：探討核電蒸汽發生器熱工水力穩態特性，并對其結構和設計參數進行優化，同時驗證不同功率水平下，污垢和堵管程度對蒸汽發生器運行狀態的影響。結果顯示，隨著負荷的不斷增加，蒸汽發生器雙側回路的傳熱系數逐漸變大，但其變化速率小于負荷的變化率，其中無堵管污垢情況下的總熱傳導系數高于有堵管污垢情況下的傳導系數;同時，蒸汽發生器負荷率不斷增加，入口、出口溫度以及平均溫度逐漸上升;負荷率>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勢;隨著負荷率的增加，蒸汽發生器的循環倍率由20降到3.4。因此，為了滿足蒸汽發生器的散熱需要，使其處于額定狀態，要對其運行參數進行調整，使其呈現動態的穩定狀態，以保障運行安全。

關鍵詞：核電;蒸汽發生器;穩態特性

0? ? 引言

蒸汽發生器作為核電站重要的大型換熱裝置，其運行狀態直接關系到核電廠的安全，所以全面分析其穩定運行機理具有十分重要的實踐意義[1]。蒸汽發生器位于一回路主冷卻劑與二回路介質之間，對兩者的熱交換具有重要影響。因為介質、主冷卻劑的流動狀態會對蒸汽發生器的經濟系統、穩定性產生重要影響，所以蒸汽發生器穩定性的研究，就是介質、主冷卻劑水動力學的計算與分析[2]。本文將在綜合前人研究結果的基礎上，結合實際案例和數學算法，從水動力學的角度對經濟發生器穩定狀態進行分析。

1? ? 相關參數的數學描述

1.1? ? 蒸汽發生器熱平衡描述

（1）假設二回路產生蒸汽量為Q1，其計算公式如下：

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

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

（2）假設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? ? 蒸汽發生器熱工描述

蒸汽發生器熱工計算是通過二回路計算發生器的熱傳導面積，計算公式如下：

Q=K·ΔT·A? ? ? ? ?（4）

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

1.3? ? 蒸汽發生器水力描述

（1）一回路流動阻力計算。

假設介質阻力為ΔP，那么單相的介質流動公式為：

ΔP=ΔPt+ΔPh? ? ? ? （5）

式中：ΔPt為介質流動摩擦力（Pa）;ΔPh為局部阻力（Pa）。

（2）雙側介質循環的計算。

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

一般來說，核電蒸汽發生器的工作壓力為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，以實現蒸汽的自我循環。二次側蒸汽混合物的浴管高度上升后，會持續產生水蒸氣，再次增加重度差。其中，介質循環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，雙側介質循環處于平衡之后，介質的流動壓力Pm大于循環回路中的阻力，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，保持介質雙向循環的穩定。

2? ? 相關計算結果與靜態特性的分析

2.1? ? 相關參數的設置

以A核電站Ⅱ期的40萬kW蒸汽發生器為例，對其參數進行設置，計算不同功率條件下，新發生器的運行狀態（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，以及出口的蒸汽壓力、雙側循環的倍率、雙側裝水量等熱工數值。

蒸汽發生器的規格如表1所示。

蒸汽發生器的額定參數如表2所示。

2.2? ? 熱工水力穩態特性計算結果

依據上述蒸汽發生器實際結構參數、設計參數，對其進行熱工水力特性計算，判斷發生器靜態特性的熱工水力關系曲線[4-5]。靜態特性是核電站在不同負荷情況下，處于穩定狀態時發生器、雙側傳熱的平均溫度變化規律[6-7]，如圖1、圖2、圖3所示。

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

由圖2可知，蒸汽發生器負荷率不斷增加，入口、出口溫度以及平均溫度逐漸上升。負荷率>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勢。

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

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

3? ? 結語

通過對A核電站Ⅱ期40萬kW蒸汽發生器結構參數、設計參數進行分析，可以得到以下幾方面結論：

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

（2）蒸汽發生器的總換熱系數大于單側換熱系數，其散熱總量與介質的流動速度密切相關。

（3）隨著反應堆的負荷增加，雙側氣壓逐漸減小，管道污垢、堵管會對氣壓產生阻礙作用，影響熱傳導。在核電站運行過程中，污垢、堵管會減小蒸汽發生器雙側換熱系數，進一步降低單側出口的氣壓，影響介質的熱傳導。為了滿足蒸汽發生器的散熱需要，使其處于額定狀態，要對其運行參數進行調整，使其呈現動態的穩定狀態，以保障運行安全。

[參考文獻]

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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中心理論教員，研究方向：反應堆物理熱工。