1、第五講蒸汽發(fā)生器,左圖為工人們?yōu)檎羝l(fā)生器作牽引固定工作。,中國自主化百萬千瓦級蒸汽發(fā)生器順利吊裝2008年08月29日，深圳嶺澳核電站二期一號機組，CPR1000,右圖為蒸汽發(fā)生器正被吊裝到龍門架二十米平臺。,作用：1、作為熱交換設(shè)備，產(chǎn)生蒸汽；2、作為連接設(shè)備，隔離一、二回路。,類型按照工質(zhì)流動方式：自然循環(huán)式、強迫循環(huán)式；按傳熱管形狀：U型管、直管、螺旋管等；按設(shè)備安裝方式：立式、臥式。在壓水堆核電廠中廣泛使用的蒸汽發(fā)生器有兩種類型：一種是帶汽水分離器的飽和蒸汽發(fā)生器；一種是立式直管強迫循環(huán)型蒸汽發(fā)生器。在近代核電廠中，以前者應(yīng)用較廣。,表3.4幾種主要的蒸汽發(fā)生器,蒸汽發(fā)生器對于核電廠

2、的安全運行十分重要。壓水堆核電廠運行經(jīng)驗表明，蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂事故在核電廠事故中居首要地位。據(jù)報道，國外壓水堆核電廠的非計劃停堆次數(shù)中約有四分之一是因有關(guān)蒸汽發(fā)生器問題造成的。蒸汽發(fā)生器傳熱管面積占一回路承壓邊界面積的80左右，傳熱管壁一般為11.2mm。因而，傳熱管是整個一回路壓力邊界中最薄弱的部分。運行經(jīng)驗也表明，傳熱管是蒸汽發(fā)生器內(nèi)的事故多發(fā)區(qū)域。蒸汽發(fā)生器傳熱管的可靠性主要取決于傳熱管的完好性。只要有一根蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂就可能造成放射性物質(zhì)的泄漏及核電廠長期停閉。,1992年，在205座核電廠中報告蒸汽發(fā)生器有問題的達172座。同年，美國壓水堆核電廠的負荷因子由于蒸汽發(fā)生器問題

3、(包括傳熱管破損和更換蒸汽發(fā)生器)而降低3.31%，占年負荷因子總降低值的12.7%。從19791994年，已有55臺蒸汽發(fā)生器因傳熱管嚴重損壞而被更換，其實際使用壽命平均僅為約14年(壽命最短者僅8年)，遠未達到3040年的設(shè)計壽命。美國1992年更換磨石-2堆的兩臺蒸汽發(fā)生器，停堆192天，耗資1.9億美元?？梢姡羝l(fā)生器的可靠性是比較低的，它嚴重地影響核電廠運行的安全性、經(jīng)濟性及可靠性。,各核電國家都把改進和研究蒸汽發(fā)生器技術(shù)作為完善壓水堆核電廠技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，制定了龐大的改進研究計劃，其中包括蒸汽發(fā)生器熱工水力分析、腐蝕與傳熱管材料的研制、蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進、無損探傷技術(shù)、傳熱

4、管振動、磨損疲勞研究和二回路水質(zhì)控制等。這些課題涉及多種學(xué)科。,（一）特征1自然循環(huán)；2產(chǎn)生飽和蒸汽；3一回路水在由管板連接的U型管組成的管束內(nèi)流動；4在管束上方裝有汽水分離器和蒸汽干燥裝置。,立式飽和蒸汽發(fā)生器,法國設(shè)計的55/19型蒸汽發(fā)生器,法國55/19型蒸汽發(fā)生器的主要設(shè)計參數(shù),大亞灣核電站蒸汽發(fā)生器采用法國法馬通公司的55/19B型蒸汽發(fā)生器,傳熱管為19.051.09mm的因科鎳690TT。蒸汽量為539kg/s,蒸汽壓力為6.75MPa。,立式U型管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器是由外殼水室、管板和管束、蒸汽干燥裝置等組成。,（二）結(jié)構(gòu),外殼由鐵素體鋼板制成。包括上封頭（蒸汽出口管咀中有若

5、干由小直徑文丘里管組成的限流器，在主蒸汽管道破裂事故時限制最大蒸汽流量）、上筒體（設(shè)有給水管咀并與給水環(huán)管相連，管上設(shè)有若干倒置J型管；設(shè)有人孔，必要時可更換干燥器）、下筒體（靠近管板處設(shè)有若干個檢查孔，以便檢查該區(qū)傳熱管表面和管板的二次側(cè)表面，必要時可沖洗管板表面淤渣）以及錐形體。一回路水室（下封頭），它焊在管板上，用因科鎳隔板分割成冷卻劑進、出口兩個水室。是蒸汽發(fā)生器中承受壓差最大的部件，通常呈半球形。,1、外殼水室,采用倒J形管是為了防止水排空。早期采用給水環(huán)底部打孔的形式，當水位降至給水環(huán)以下時，給水環(huán)中充滿蒸汽，給水再次進入時，過冷水使蒸汽迅速凝結(jié)，造成局部真空，形成水錘現(xiàn)象。,管束

6、：因科鎳管，倒U型排列，管子焊接在管板上。管板：低合金鋼鍛造而成，很厚（500-700mm）。隔板（管束支撐板）：管子按正方形柵格布置，其間距以支撐板來維持，在管束整個長度方向設(shè)有7-8塊支撐板，支撐板之間用拉桿固定。,2、管板和管束,管板,管板是一二次側(cè)壓力邊界的一部分，一般選用高強度低合金鋼材制造。鍛件毛胚重達50-100噸，成品直徑約為2.5-3.5米，厚約500-700毫米，屬超厚鍛件。一回路冷卻劑側(cè)有9-10毫米厚的不銹鋼堆焊層。由于管板大而厚，且開有密集的深孔上萬個，且對孔徑公差、節(jié)距公差和管孔光潔度等都要求很高，故它的制造工藝難度很大，生產(chǎn)周期也較長。深鉆孔是蒸汽發(fā)生器制造的關(guān)鍵

7、工藝。,為了確保一回路系統(tǒng)的密封性，“U”型傳熱管和管板的連接是十分重要的問題。通常采用脹接和焊接雙重連接形式。一般在管板鉆孔的全深度上進行脹管，以保證管子管板間貼合良好。脹接后的管子在管板堆焊層的一側(cè)再進行密封焊。目的：減少在管板表面的雜質(zhì)淤積及管子與管板間隙的干濕交替現(xiàn)象，可能引起化學(xué)物的濃集。管板二次側(cè)表面附近，是發(fā)生傳熱管腐蝕最嚴重的區(qū)域之一。,早期的支撐板采用圓形管孔和流水孔結(jié)構(gòu)；新的設(shè)計普遍采用四葉梅花孔(右圖)。這種開孔將支撐孔和流通孔道結(jié)合在一起，增加了管-孔之間的流速，減少了腐蝕產(chǎn)物和化學(xué)物質(zhì)的沉積，使得該區(qū)的腐蝕狀況大為改善。,支撐板,抗振桿：在管束拱形部分，籍抗振桿固定以

8、避免運行中由于流體流動誘發(fā)震動導(dǎo)致管板損壞。圍板：鋼制圍板，給水在這個圍板和蒸汽發(fā)生器外殼的內(nèi)側(cè)間與再循環(huán)水混合后向下流動，通過圍板底部與管板之間的空隙向上流而沖刷管束。,“U”型傳熱管,“U”型管采用無縫管材，其材料需有良好的抗腐蝕性能，并要求在運行溫度下有高的強度。,管徑選擇：小管徑：管壁薄，傳熱好，耗材少，可使設(shè)備體積小。但過細的管子剛性差，易發(fā)生振動。且“U”型管數(shù)量多，增加了管板的鉆孔數(shù)目。大管徑：管壁厚，傳熱差，設(shè)備體積增大，并增加了單根管的長度，使拉管工藝難度增大。但抗振安全性好。歐美大型蒸汽發(fā)生器的管徑約為22mm左右。,材料選擇：現(xiàn)代多數(shù)選用因科鎳（如Inconel690）或

9、用因科洛依（如Incoloy800）等鎳基合金，經(jīng)特殊工藝處理后，強度高，管壁薄（22mm管徑的壁厚一般為1.21.3mm）。故熱阻小，所需總換熱面積小，但材料價格較昂貴。常用管徑為22mm、19mm、15.8mm，相應(yīng)壁厚為1.27mm、1.09mm、0.86mm。過去使用的18-8不銹鋼，強度低，管壁厚，換熱面積大，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕損失要比鎳基合金產(chǎn)生的晶間腐蝕的幾率大得多。,水質(zhì)控制：在運行時，要保持水質(zhì)成堿性(pH10)和減少水中的含氧量以減緩腐蝕速率；減少給水的含鹽量以降低管壁積垢，提高傳熱效果（故現(xiàn)代大型核電站采用揮發(fā)性水處理，以減少給水中含鹽量）。,18-8不銹鋼在氧離子、氯離子存在

10、的情況下，最容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，這是蒸汽發(fā)生器中引人注目的問題。腐蝕易發(fā)生在：“U”型管和管板的脹接處、接近管板上表面處和固定管束的支撐板和防震格架等處。故要嚴格控制運行水質(zhì)，并對爐水進行定期與連續(xù)的排污；改進制造工藝，消除殘余應(yīng)力。,二次側(cè)水與管束接觸后，在倒“U”型管束的管外空間上升時被加熱汽化，對帶有大量水分的水蒸汽混合物的干燥分兩個階段進行。第一步：水蒸汽混合物離開管束后先通過旋流葉片式分離器（粗分離器）；,3、蒸汽干燥裝置,（大亞灣）汽水分離器由16個直徑為500mm的旋葉式分離器組成，每個分離器采用兩只切向疏水口和兩級疏水，設(shè)計了4片導(dǎo)流螺旋葉片，升角為30。每個分離器的額定負荷為3

11、3.6kg/s。,在分離筒內(nèi)裝有一組固定的螺旋葉片。當汽水混合物流過時，由直線運動變?yōu)槁菪€運動，由于離心力作用使汽水分離，在中心形成汽柱而在筒壁形成環(huán)狀水層。水沿壁面螺旋上升至阻擋器，然后折返流經(jīng)分離筒與外套筒構(gòu)成的疏水通道而進入水空間。當出口管內(nèi)徑與汽水兩相充分分層時的蒸汽柱大致相同時，能取得良好的分離效果。,第二步：從分離器出來的蒸汽通過人字形干燥器（細分離器）。經(jīng)干燥后有了一定干度的飽和蒸汽（其額定濕度為0.25%）匯集于頂部，從蒸汽出口管引出，經(jīng)二回路主蒸汽管通往汽輪機。,汽水混合物在波紋板間流動過程中多次改變流動方向，從而使夾帶的小水滴被分離出來。波紋板上的多道擋水鉤收集板面水膜并

12、捕集蒸汽流中的水滴，分離出的水匯集后沿凹槽流入疏水裝置。,汽水分離器是自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的重要部件。這不僅由于合格的蒸汽品質(zhì)是汽輪機安全經(jīng)濟運行的重要條件之一，還由于自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的尺寸在很大程度上取決于汽水分離裝置的結(jié)構(gòu)和工作特性。,飽和蒸汽發(fā)生器是用自然循環(huán)式的，其原理圖見右圖。在這類蒸汽發(fā)生器里，循環(huán)回路由下降通道、上升通道和連接它們的管束圍板缺口以及汽水分離器等組成。,（三）飽和蒸汽發(fā)生器的運行原理,運行中的問題,蒸汽發(fā)生器的運行主要有兩個問題：水位的保持腐蝕的限制,1、蒸汽發(fā)生器的水位蒸汽發(fā)生器的水位，是指在蒸汽發(fā)生器筒體和管束外圍板之間的環(huán)形腔室內(nèi)測得的水位，也就是冷水柱的水位

13、。若水位過高，將導(dǎo)致流向汽輪機的蒸汽濕度過大；若水位過低，會引起一回路冷卻不充分，有導(dǎo)致堆芯燒毀的危險。管束因溫度升高將可能破裂；同時，使蒸汽進入給水環(huán)，故在給水管道中有產(chǎn)生汽錘的危險。,蒸汽發(fā)生器水位的調(diào)節(jié)，是依靠控制給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的進水流量閥門而實現(xiàn)的，可以通過改變汽動給水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)整給水管和給汽管間的壓力差，而以測得的壓力差與負荷變化的整定值比較。,水位的調(diào)節(jié)(P102),2、腐蝕的限制,蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠的主要設(shè)備，也是核電廠運行中發(fā)生故障最多的設(shè)備之一。大多數(shù)故障是由于各種腐蝕（晶間腐蝕、晶間應(yīng)力腐蝕、微振磨損、凹陷和耗蝕）使“U”型管或管子與管板接頭處發(fā)生泄漏。隨著給水進入

14、二次側(cè)的非揮發(fā)性雜質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物會在平管板上沉積成泥渣堆，也會積聚在支撐板與管子間的縫隙里和沉積在傳熱管外壁。這些沉積物中有許多是化學(xué)性質(zhì)活潑的雜質(zhì)和氧化物,為傳熱管的腐蝕提供了環(huán)境條件。,1993年1月，美國特洛伊(Trojan)成為第一個因蒸汽發(fā)生器事故而永久性停堆的機組。1993年1月25日，載恩(Zion)核電站2臺機組又因蒸汽發(fā)生器的事故而提前停堆。1989年法國的1300核電站，因蒸汽發(fā)生器管板上存在著金屬微粒，運行中被氧化而引起傳熱管產(chǎn)生凹痕。美國愛迪生公司印第安角2核電站是于2000年2月15日因蒸汽發(fā)生器管道破裂而停堆的。,為了保證蒸汽發(fā)生器的可靠性，大亞灣核電站蒸汽發(fā)生器在每

15、次換料停堆期間都要進行機械清洗（采用法國SRA公司的機械清洗裝置）；秦山核電站也于1998年7月第4次換料停堆后首次機械清洗了蒸汽發(fā)生器。機械清洗技術(shù)目前以美國的CECIL裝置為最先進，能實現(xiàn)沖洗、檢查與外來物取出一體化。,2.1機械清洗,2.2化學(xué)清洗,盡管機械清洗已有重大進展,但仍局限于管板上泥渣堆的沖洗,還不能解決如下問題:(1)清除支撐板上的沉積物;(2)清除支撐板與管子縫隙中的沉積物;(3)清除管子上的污垢。上述問題采用化學(xué)清洗能得到解決。美國-方法使用了高效緩蝕劑,均勻腐蝕量小，通過一系列的四氧化三鐵和銅的溶解步驟,來清除管板上的泥渣;德國方法不含緩蝕劑,采用了一個低溫(60)除銅

16、流程,還有一個高溫(150200)除鐵流程，漂洗容易,不殘留有害的含硫緩蝕劑;同時,高溫加速溶解使清洗時間縮短;法國方法具有上述2種方法的優(yōu)點,清洗廢液量小,但是,也殘留含硫的緩蝕劑。,限制腐蝕的措施主要有：選用合適的管材；加快管板部位的水流速以改善清洗作用；控制水質(zhì)，降低溫度；對所有傳熱管進行熱處理，以消除殘余應(yīng)力和改善晶相組織；更換防振桿。,多年來研究者都在尋找高性能耐腐蝕傳熱管材料。早期的核電廠中，廣泛采用奧氏體不銹鋼作為傳熱管材，由于這類材料在含Cl-，O2，OH-的高溫水中對應(yīng)力腐蝕破裂敏感（主要的應(yīng)力是管子在制造和裝配時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力）。近年來，壓水堆核電廠中已廣泛采用因科鎳-69

17、0作為傳熱管材，提高了鎳含量可以大大提高材料耐氯離子應(yīng)力腐蝕能力，但鎳含量較高的因科鎳-690對晶間應(yīng)力腐蝕（晶界發(fā)生與應(yīng)力有關(guān)）敏感。因此，人們在試用含鎳量中等的因科鎳-800。,優(yōu)點傳熱系數(shù)很大，熱交換是以泡核沸騰形式進行的；U型管可自由膨脹；蓄水容積大，具有緩沖作用，對給水及蒸汽自動控制要求不高；可以通過排污量調(diào)整水質(zhì)；可應(yīng)用在常規(guī)鍋爐中得到的經(jīng)驗。,（四）飽和蒸汽發(fā)生器的優(yōu)缺點,缺點只能得到飽和蒸汽，對汽輪機中間去濕裝置的要求高；飽和蒸汽溫度低，因此蒸汽壓力相對較低，使得二回路效率不太好；上部的干燥設(shè)備占很大體積，使蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜；為防振，管子拱形部分的固定很困難；管板有很大的尺寸

18、，造成一些結(jié)構(gòu)上的困難。,（五）臥式U型管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器,俄羅斯和一些東歐國家的壓水堆核電廠，廣泛采用臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。這種臥式蒸汽發(fā)生器為水平放置的單殼體結(jié)構(gòu)。給水預(yù)熱、二次側(cè)蒸汽的產(chǎn)生、汽水分離及蒸汽干燥都在同一個外殼內(nèi)進行。,優(yōu)點：1）沒有水平管板，取而代之的是立式圓柱形連箱。在聯(lián)箱表面不會形成滯流區(qū)。2）具有較大的蒸汽空間，單位蒸發(fā)面的負荷較立式蒸汽發(fā)生器的小，因而采用較簡單的汽水分離裝置就能保證蒸汽質(zhì)量滿足標準。缺點：1）出口蒸汽的濕度對水位波動比較敏感，因而對水位控制要求校高。2）臥式安放，不便于在安全殼內(nèi)布置。,俄羅斯的這種蒸汽發(fā)生器經(jīng)過幾次改進，包括采用較小直徑的傳熱管使受熱面積增加，聯(lián)箱內(nèi)腔結(jié)構(gòu)改進以便允許修理和更換有缺陷的傳熱管。新型大功率蒸汽發(fā)生器為-1000y型，示于圖3.34。其蒸發(fā)量為1470t/h，殼體直徑為4.4m，長14.5m，傳熱管尺寸161.5mm，共有傳熱管9157根。我國田灣核電站采用這種蒸汽發(fā)生器。,在少數(shù)壓水堆核電廠中采用了直流式蒸汽發(fā)生器。如