壓水堆蒸汽發(fā)生器的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器概述

1、壓水堆蒸汽發(fā)生器的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器概述,第二章,蒸汽發(fā)生器是產(chǎn)生汽輪機(jī)所需蒸汽的換熱設(shè)備。蒸汽發(fā)生器既是一回路設(shè)備，又是二回路設(shè)備，被稱為一、二回路的樞紐。蒸汽發(fā)生器能否安全、可靠地運(yùn)行對(duì)整個(gè)核動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性有著十分重要的影響。據(jù)壓水堆核電廠事故統(tǒng)計(jì)表明，蒸汽發(fā)生器在核電廠事故中居重要地位。,蒸汽發(fā)生器概述,蒸汽發(fā)生器的作用與地位,第二章,第二章,1977年一年，在79座運(yùn)行的壓水堆核電廠，就有34座發(fā)

2、生了蒸汽發(fā)生器傳熱管破損 美國(guó)核管會(huì)（NRC）在1982年發(fā)表的調(diào)查報(bào)告指出，美國(guó)正在運(yùn)行的48座核電廠中，有40座發(fā)生了蒸汽發(fā)生器事故，其中８座情況嚴(yán)重。 國(guó)外PWR核電廠的非計(jì)劃停準(zhǔn)次數(shù)中約有四分之一是因有關(guān)蒸汽發(fā)生器問題而造成的 1992年，在205座反應(yīng)堆中，報(bào)告蒸汽發(fā)生器有問題的達(dá)172座。同年美國(guó)PWR的負(fù)荷因子由于蒸汽發(fā)生器問題(包括傳熱管破損和更換蒸汽發(fā)生器)而降低了3.31％,占年負(fù)荷因子總降低值的12.7％。

3、從1979～1994年，已有55臺(tái)蒸汽發(fā)生器因傳熱管嚴(yán)重破損而被迫更換，其實(shí)際使用壽命平均僅約為14年（最短者僅8年），遠(yuǎn)未達(dá)到30～40年的設(shè)計(jì)壽命。美國(guó)1992年更換磨石-2堆的兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器，停堆192天，耗費(fèi)1.9億美元,一些蒸汽發(fā)生器的可靠性是比較低的，它對(duì)核電廠的安全、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益有重大影響。因此，各國(guó)都把研究與改進(jìn)蒸汽發(fā)生器當(dāng)作完善壓水堆核電廠技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，并制定了龐大的研究計(jì)劃，主要包括：蒸汽發(fā)生器熱工水力分

4、析；腐蝕理論與傳熱管材料的研制；無損探傷技術(shù)；振動(dòng)、磨損、疲勞研究；改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少腐蝕化學(xué)物的濃縮；改進(jìn)水質(zhì)控制等。,第二章,蒸汽發(fā)生器的基本技術(shù)要求,蒸汽發(fā)生器及其部件的設(shè)計(jì)，必須保證供給核電站在任何運(yùn)行工況下所需要的蒸汽量及規(guī)定的蒸汽參數(shù)。蒸汽發(fā)生器的容量應(yīng)該最大限度地滿足功率負(fù)荷的需要，而且要求隨著單機(jī)容量的增加，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)會(huì)得到相應(yīng)的改善。蒸汽發(fā)生器的所有部件應(yīng)該絕對(duì)地安全可靠。 蒸汽發(fā)生器各零、部件的裝配，必須保

5、證在密封面上排除一回路工質(zhì)漏入二回路中去的可能性。 必須排除加劇腐蝕的任何可能性，特別是一回路中的腐蝕。 蒸汽發(fā)生器必須產(chǎn)生必要純度的蒸汽，以保證蒸汽過熱器在高溫下可靠運(yùn)行，并保證汽輪機(jī)可靠而經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。 蒸汽發(fā)生器應(yīng)該設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單緊湊，應(yīng)該便于安裝使用，便于發(fā)現(xiàn)損壞并排除故障，并有可能徹底疏干。保證蒸汽發(fā)生器具有高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。,第二章,蒸汽發(fā)生器的分類,按照工質(zhì)流動(dòng)方式可分為：自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器和直流蒸汽發(fā)生器；按蒸汽發(fā)

6、生器的外形可分為：臥式蒸汽發(fā)生器和立式蒸汽發(fā)生器；按傳熱管形狀可分為: Ｕ形管、直管、螺旋管以及由其它形狀傳熱管構(gòu)成的蒸汽發(fā)生器。目前在壓水堆核動(dòng)力裝置中使用的蒸汽發(fā)生器主要有：立式U形管自然循環(huán)發(fā)生器、臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器和列管式直流蒸汽發(fā)生器。,第二章,表2-2 壓水堆核動(dòng)力裝置中幾種典型蒸汽發(fā)生器的基本參數(shù),第二章,工作原理 定義：在蒸汽發(fā)生器中,如果水和汽水混合物的循環(huán)不需要外加能量，而是依靠水和汽水混合物的密度差進(jìn)行水

7、循環(huán)，則稱其為自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器又可分為立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器和臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。,立式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器,第二章,,,第二章,基本結(jié)構(gòu)與流程 蒸汽發(fā)生器由上、下封頭、管板、Ｕ形管束、汽水分離裝置及筒體組件構(gòu)成。 在一次側(cè)，來自反應(yīng)堆的冷卻劑由下封頭進(jìn)口管進(jìn)入進(jìn)口水室，然后通過Ｕ形管束將熱量傳遞給二次側(cè)工質(zhì)。冷卻劑流出Ｕ形管束后，經(jīng)過出口水室，再?gòu)南路忸^出口管流出，由主冷卻劑泵送回反應(yīng)堆。,,,第二

8、章,在二次側(cè)，二回路給水由給水泵輸送到蒸汽發(fā)生器的給水管，通過給水分配環(huán)管進(jìn)入管束襯筒與殼體之間所形成的環(huán)形下降通道向下流動(dòng)，通過襯筒與管板二次側(cè)表面之間的缺口處進(jìn)入并橫向沖刷管束，然后折流向上，進(jìn)入管束空間。水在Ｕ形管束空間吸收來自一回路側(cè)的熱量，被逐漸加熱到飽和溫度并不斷產(chǎn)生蒸汽。當(dāng)汽水混合物向上流動(dòng)并離開彎頭區(qū)時(shí)，大約有25%的飽和水蒸發(fā)為蒸汽。汽水混和物繼續(xù)上行，首先進(jìn)入一次粗分離器分離出大部分水份，帶有細(xì)小水滴的濕蒸汽繼續(xù)向上

9、流動(dòng)，經(jīng)過重力分離后進(jìn)入二級(jí)汽水分離（干燥）器，進(jìn)一步將蒸汽濕度降至0.25%以下后，由蒸汽導(dǎo)管引出，送往汽輪機(jī)做功。分離出的飽和水全部進(jìn)入環(huán)形下降通道，與二回路給水混合后成為循環(huán)水。,蒸發(fā)器,,,16只,,,,,,自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是：水容積大；蓄熱量大；緩沖性好；對(duì)自動(dòng)控制的要求不高。由于可進(jìn)行鍋內(nèi)水處理和排污，可適當(dāng)降低對(duì)傳熱管材和二回路水質(zhì)的要求，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)并提高了設(shè)備的安全可靠性。,自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的缺點(diǎn)

10、是：為保證蒸汽品質(zhì)，需要裝設(shè)汽水分離設(shè)備，使蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸增大。由于自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生飽和蒸汽，因此需要在汽輪機(jī)高低壓缸之間裝設(shè)汽水分離再熱器或在汽輪機(jī)內(nèi)加裝分離級(jí)，使系統(tǒng)復(fù)雜化，投資提高。靜態(tài)特性較差。特別是在采用一回路冷卻劑平均溫度不變的運(yùn)行方案時(shí)，當(dāng)蒸汽負(fù)荷從滿負(fù)荷降到零負(fù)荷時(shí)，蒸汽發(fā)生器壓力將增加幾十個(gè)大氣壓，使筒體的設(shè)計(jì)壓力和給水泵的軸承載荷都大大增加。,第二章,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳熱管：蒸汽發(fā)生器的傳熱面積

11、是由大量小直徑薄壁無縫U形管組成，通常選用傳熱管的外徑為φ12～22 mm，壁厚小于1.5 mm。在1968年以前,傳熱管材料大多使用18-8型奧氏體不銹鋼。后來由于出現(xiàn)了氯離子應(yīng)力腐蝕破裂事故，大都改用只經(jīng)工廠退火處理的Inconel-600合金（即I-600MA）。這種管型在早期運(yùn)行中性能良好，到70年代中期相繼發(fā)生了耗蝕、凹痕和晶間腐蝕現(xiàn)象。大約從80年代中期開始使用經(jīng)特殊熱處理的Inconel-600合金（即I-600TT

12、），90年代以后主要使用經(jīng)特殊熱處理的Inconel-690合金（即I-690TT）；聯(lián)邦德國(guó)則從70年代開始一直使用Incoloy-800合金（即I-800）。傳熱管在被彎成U形后，對(duì)于彎管直徑小的傳熱管還需要再次進(jìn)行熱處理以消除殘余應(yīng)力。,第二章,中國(guó)核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管材料與參數(shù),蒸汽發(fā)生器傳熱管材主要性能,第二章,管板：管板是傳熱管束的支撐基礎(chǔ)，與傳熱管一起構(gòu)成蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)的分界。一般用低合金高強(qiáng)度鋼鍛造而成。大

13、型蒸汽發(fā)生器的管板厚度達(dá)500-700mm，直徑3 m左右，重量達(dá)20噸以上，屬于超厚鍛件，因此要求材料具有優(yōu)良的塑韌性及淬透性。為了與管子連接，管板上要鉆數(shù)千乃至上萬個(gè)小孔，而且對(duì)孔徑公差、節(jié)距公差、形位公差及管孔光潔度、垂直度都有很高的要求。因而，深孔鉆成為蒸汽發(fā)生器制造的關(guān)鍵工藝。整個(gè)蒸汽發(fā)生器的生產(chǎn)周期在很大程度上取決于管板鍛造和鉆孔所耗費(fèi)的時(shí)間?，F(xiàn)在普遍采用多軸數(shù)控深孔鉆床進(jìn)行管孔加工。,第二章,下方與冷卻劑接觸的表面，需堆

14、焊一層鎳基合金，這樣即抗腐蝕，又適合于同管子的焊接。管板二次側(cè)表面附近，是傳熱管發(fā)生腐蝕事故最集中的區(qū)域之一。這主要是由于在管板表面的污垢沉積以及管子與管板間的間隙中出現(xiàn)的干濕交替現(xiàn)象，引起化學(xué)物質(zhì)的濃縮。因此，新型蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板間的連接除進(jìn)行焊接外，還采用管板全長(zhǎng)度脹管工藝，以消除管子與管板間的間隙，避免化學(xué)物質(zhì)在間隙內(nèi)濃縮。,下封頭：下封頭是蒸汽發(fā)生器中承受高壓并與大氣接觸的唯一部件，通常設(shè)計(jì)成半球形，內(nèi)側(cè)堆焊鎳基合金，

15、并通過隔板將其分割為兩個(gè)水室，每個(gè)水室都有一個(gè)連接到一回路的接管和人孔。為了便于維修，在水室和人孔的最低點(diǎn)都設(shè)有疏水管，以保證能將蒸汽發(fā)生器徹底疏干。人孔蓋的密封由兩道被壓緊的“O”形密封環(huán)保證。在兩道密封環(huán)之間有引漏管與報(bào)警裝置相連，用來監(jiān)測(cè)第一道密封環(huán)的密封性。半球形下封頭雖然是最合理的承壓形狀，但由于開有四個(gè)大孔（二個(gè)人孔及進(jìn)、出口管嘴），開孔總面積達(dá)40％～50％，使下封頭應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜。下封頭通常在重型水壓機(jī)下沖壓成

16、型，然后焊接冷卻劑進(jìn)出口管嘴，工藝過程比較復(fù)雜。有些蒸汽發(fā)生器的下封頭采用低合金鋼或碳素鋼鑄造而成，工藝過程相對(duì)簡(jiǎn)化，但必須嚴(yán)格控制鑄件質(zhì)量。,第二章,管束支撐組件：傳熱管束四周用襯筒包圍，從而將汽水流道分隔成上升通道與下降通道。管束直段有若干塊支撐隔板，在彎管區(qū)有防振條，用以固定管束，提高自振頻率，防止在運(yùn)行中由于流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)導(dǎo)致管束損壞。隔板軸向通過拉桿和套筒用螺拴固定，徑向通過一些防止管束整體震動(dòng)的楔子固定在襯筒上，再將襯筒用

17、螺栓固定在筒體上。支撐隔板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮二次側(cè)流體的通過能力、流動(dòng)阻力，限制流動(dòng)引起的振動(dòng)及管－孔間隙中的化學(xué)物質(zhì)濃縮。在管束下部管板上面還設(shè)置了流量分配擋板和排污管，前者用于保證中心區(qū)仍有足夠的流速，避免腐蝕產(chǎn)物的積累，消除淤渣，減少管子產(chǎn)生腐蝕破裂的危險(xiǎn)；后者用于連續(xù)排污，控制水質(zhì)。,第二章,第二章,,研究表明，管子支撐部位局部幾何結(jié)構(gòu)對(duì)縫隙區(qū)傳熱、傳質(zhì)過程具有重要影響。早期核蒸汽發(fā)生器由于使用圓形管孔和流水孔結(jié)構(gòu)(圖2-

18、3a)，導(dǎo)致在縫隙區(qū)出現(xiàn)局部缺液傳熱狀態(tài)，由此產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)濃縮，這是造成傳熱管凹陷及支撐板破裂的主要原因。經(jīng)過改進(jìn)的設(shè)計(jì)為三葉形孔（圖2-3b）或四葉形孔（圖2-3d）。這使得該區(qū)域的腐蝕狀況大為改善.如果采用柵格形支撐則更為有利(圖2-3c)。,汽水分離裝置：為了保證核動(dòng)力裝置能安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，蒸汽發(fā)生器出口的蒸汽濕度必須嚴(yán)格控制在0.25%以下。現(xiàn)代的立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器一般都在上筒體內(nèi)設(shè)置兩級(jí)汽水分離器，基本結(jié)構(gòu)如圖2-

19、4所示。第一級(jí)設(shè)置許多立式旋葉式汽水分離器(如圖2-4a所示)，靠離心力分離出大約80%～90%的水量；第二級(jí)一般采用波形板分離器(如圖2-4b所示)或絲網(wǎng)干燥器，依靠慣性力進(jìn)行汽水分離。兩級(jí)汽水分離器分離出的水全部通過疏水管導(dǎo)入下降環(huán)形流道與給水混合。在兩級(jí)汽水分離器之間留出一定的高度，進(jìn)行自然重力分離。同時(shí)，也常常在第一級(jí)汽水分離器前設(shè)置水下孔板、在第二級(jí)汽水分離器后設(shè)置均汽孔板，用于均勻蒸汽負(fù)荷，提高汽水分離器的效率。,第

20、二章,,第二章,,給水管：給水管是一圓形環(huán)管，位于上筒體內(nèi)第一級(jí)汽水分離器的下面，是二回路給水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的通道。在給水環(huán)管上焊有倒J形管，給水通過倒J形管進(jìn)入環(huán)形下降空間，保證環(huán)管內(nèi)總是充滿水，防止蒸汽進(jìn)入，從而避免由于蒸汽泡的突然破滅而引發(fā)水錘現(xiàn)象的發(fā)生（如圖2-5a所示）。由于U形傳熱管的進(jìn)出口溫度有較大差異，因此給水沿蒸汽發(fā)生器周向的分配是不均勻的，其中80%的給水到熱側(cè)，20%到冷側(cè)。在給水管與上筒體的貫穿處，由于給

21、水溫度大大低于筒體溫度，直接焊接會(huì)造成應(yīng)力集中，因此常常采用如圖2-5b所示的套管結(jié)構(gòu)來均勻溫度場(chǎng)。,第二章,,筒體組件：蒸汽發(fā)生器筒體組件包括上封頭、上筒體、錐形體、下筒體等。上封頭通常為標(biāo)準(zhǔn)橢球形，封頭頂部有蒸汽出口管嘴，管嘴內(nèi)設(shè)有限流器，用于在主蒸汽管道發(fā)生破裂事故時(shí)限制最大蒸汽流量，從而限制蒸汽發(fā)生器二次側(cè)部件和一回路系統(tǒng)的冷卻速率，防止反應(yīng)堆在緊急停堆后又重返臨界。限流器由七根小直徑文丘里管組成，其中一根文丘里管位于管嘴

22、中心線上，其余六根文丘里管在圓周方向上均勻分布。由于汽水分離器和給水環(huán)管都安裝在上筒體內(nèi)，因此上筒體的直徑一般要比下筒體粗，兩者之間由錐形體連接。上筒體還開有人孔以便對(duì)汽水分離器和傳熱管束上部進(jìn)行檢修，在下筒體靠近管板處設(shè)有若干個(gè)檢查孔（手孔），以便檢查該區(qū)域內(nèi)的傳熱管表面和管板的二次側(cè)表面，在必要時(shí)可用高壓水沖洗管板上表面沉積的淤渣。由于筒體組件只與二回路工質(zhì)接觸，因此，一般采用鍋爐鋼或低錳合金鋼制造。,第二章,,定義：所謂臥式

23、自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，就是蒸汽發(fā)生器筒體軸線與地面平行的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。美國(guó)早期的核動(dòng)力裝置中曾采用臥式自然循蒸汽發(fā)生器（如，西平港核電站和“舡魚”號(hào)核潛艇），但很快即被立式U形管式自然循環(huán)發(fā)生器代替，俄羅斯（前蘇聯(lián)）在壓水堆電廠核動(dòng)力裝置中則一直使用臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，基本結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。,臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器,第二章,,蒸汽發(fā)生器采用單筒體結(jié)構(gòu)，U形管固定在兩個(gè)立式圓柱形聯(lián)箱上。傳熱管采用奧氏體不銹鋼，管子內(nèi)表面進(jìn)行

24、電化學(xué)拋光處理，外表面進(jìn)行研磨處理，表面質(zhì)量用超聲波監(jiān)督，以提高管材的抗腐蝕能力。筒體和聯(lián)箱的材料均采用高強(qiáng)度鋼，在筒體的上部空間布置了水平或V形波紋板汽水分離器和多孔板，汽水分離器與水面之間保持足夠的高度。因此，汽水混合物離開蒸發(fā)面后，首先進(jìn)行重力分離，然后進(jìn)入波紋板汽水分離器進(jìn)行細(xì)分離，以產(chǎn)生品質(zhì)合格的蒸汽。,為均勻蒸發(fā)面負(fù)荷，在筒體的上部空間布置了5根蒸汽引出管，引出管與水平集汽聯(lián)箱相連。在管束之上設(shè)有給水聯(lián)箱，裝在給水聯(lián)箱上

25、的給水分配管垂直插在U形管束中間，這樣該處的管排間隙就成了下降通道，另外的管排間隙和管束與筒體的間隙即為上升通道。當(dāng)然，這里的上升、下降通道并不象立式自然循環(huán)發(fā)生器的上升、下降通道那樣有明顯的分界面。二回路給水采用氨羧絡(luò)合劑的水化學(xué)處理，它與傳熱管材料相匹配，防止了氯離子腐蝕和其他類型的腐蝕。經(jīng)過長(zhǎng)期的電站運(yùn)行考驗(yàn)，該型蒸汽發(fā)生器具有良好的的運(yùn)行紀(jì)錄。臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的突出優(yōu)點(diǎn)是： (1) 安全可靠性好。它沒有水平管板，而是

26、采用了立式聯(lián)箱，這樣水平U形管根部汽水流動(dòng)通暢，不會(huì)形成滯流區(qū)，因而不會(huì)造成泥渣沉積和腐蝕介質(zhì)的濃縮，使傳熱管根部避免腐蝕破裂；(2) 蒸發(fā)面負(fù)荷較小，采用比較簡(jiǎn)單的汽水分離裝置即可保證蒸汽品質(zhì)；(3) 采用奧氏體不銹鋼傳熱管可以節(jié)省大量的鎳金屬，使得臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的價(jià)格比較低廉。,第二章,,臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的最大缺點(diǎn)是：(1) 體積大，重量大，金屬耗量大；(2) 由于受到鐵路運(yùn)輸?shù)南拗?，蒸汽發(fā)生器的體積不能過大，

27、因此單臺(tái)極限功率負(fù)荷受到限制，一般不超過200～300MW；(3) 在安全殼內(nèi)布置不方便；(4) 須嚴(yán)格控制二回路側(cè)水質(zhì)指標(biāo)，特別是氯離子指標(biāo)。與臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器相比，立式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是：(1) 避免了汽泡的停滯，改善了傳熱，使水循環(huán)更加安全可靠；(2) 單臺(tái)電功率比臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器高；(3) 作為傳熱管的U形管可以自由膨脹；(4) 結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)于相同出力的臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器來說，具有較

28、小的尺寸和重量，便于運(yùn)輸，易于布置；(5) 維修方便。與臥式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器相比，立式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的缺點(diǎn)是：(1) 二回路側(cè)管板上容易形成滯流區(qū)，引起二回路水在那里的流速過低，產(chǎn)生泥渣沉積、雜質(zhì)濃縮和在傳熱管上發(fā)生干濕交替。因此，傳熱管的腐蝕破損大多數(shù)都發(fā)生在這個(gè)區(qū)域。(2) 巨大的水平管板加工技術(shù)難度大、工藝復(fù)雜、成本高；(3) 蒸汽離開蒸發(fā)面時(shí)的流速高，除濕難度大。,第二章,,定義：在直流式蒸汽發(fā)生器中，二回

29、路工質(zhì)的流動(dòng)是依靠給水泵的壓頭來實(shí)現(xiàn)的，外力強(qiáng)迫二回路工質(zhì)一次流過傳熱管，隨著水沿傳熱管流動(dòng)，水被一回路冷卻劑加熱，給水經(jīng)過預(yù)熱、蒸發(fā)、過熱而達(dá)到所要求的溫度，通常直流式蒸汽發(fā)生器可以產(chǎn)生微過熱的蒸汽。直流式蒸汽發(fā)生器的主要特點(diǎn)是：強(qiáng)迫流動(dòng)；產(chǎn)生微過熱蒸氣；沒有內(nèi)部的水循環(huán)，給水一次流過加熱面而轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?。直流式蒸汽發(fā)生器又可分為管外直流蒸汽發(fā)生器和管內(nèi)直流蒸汽發(fā)生器管外直流蒸汽發(fā)生器是二回路工質(zhì)在傳熱管外流動(dòng)，而一回路冷卻

30、劑在傳熱管內(nèi)流動(dòng)，主要應(yīng)用于核電廠；管內(nèi)直流蒸汽發(fā)生器則是二回路工質(zhì)在傳熱管內(nèi)流動(dòng)，一回路冷卻劑在傳熱管外流動(dòng)，主要應(yīng)用于艦船核動(dòng)力裝置。使用最多的是圖2-7所示的列管式直流蒸汽發(fā)生器。,直流式蒸汽發(fā)生器,第二章,蒸汽發(fā)生器由上封頭、下封頭、上管板、下管板、筒體、襯筒和管束組成。球形封頭由低合金鋼板沖壓而成，一回路冷卻劑進(jìn)口接管位于上封頭，出口接管位于下封頭，上、下封頭都開有檢查孔和人孔，球形封頭和進(jìn)出口接管內(nèi)表面都堆焊有不銹鋼層

31、。管板用低合金鋼鍛件制造，在與一回路冷卻劑接觸的表面上堆焊與管材相同的材料。筒體采用碳素鋼或低合金鋼板卷板焊接而成。傳熱管目前均采用鎳基合金。在管束上裝有支撐板，其結(jié)構(gòu)與立式自然循環(huán)發(fā)生器相同。在傳熱管束外圍有襯筒，襯筒與筒體間圍成上下兩段環(huán)形通道，其中上段為過熱蒸汽的回流通道，下段為給水通道。,第二章,第二章,工作時(shí)，一回路冷卻劑從頂部接管進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的上封頭，向下流入傳熱管，將熱量傳給二回路工質(zhì)，然后進(jìn)入下封頭，經(jīng)出口接

32、管流出。二回路給水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器后，經(jīng)過襯筒和下管板間的間隙進(jìn)入預(yù)熱段，被加熱后又沿著管束向上流動(dòng)，并逐漸被加熱至沸騰狀態(tài)，直至被全部汽化為蒸汽，并達(dá)到過熱狀態(tài)。過熱蒸汽經(jīng)上襯筒和上管板間的間隙，折流向下進(jìn)入襯筒和筒體間的環(huán)形通道，最后自過熱蒸汽出口管引出。對(duì)奧康尼核電站1號(hào)機(jī)組的一臺(tái)蒸汽發(fā)生器的實(shí)際測(cè)量表明，當(dāng)一回路采用冷卻劑平均溫度線性增加的運(yùn)行方案時(shí)，過熱蒸汽溫度隨負(fù)荷的增加而增加，在高負(fù)荷時(shí)增加較慢，蒸發(fā)段的長(zhǎng)度隨負(fù)荷的增加

33、成直線關(guān)系增長(zhǎng)。因而，對(duì)蒸發(fā)段來說，飽和溫度將保持不變或變化很小。相應(yīng)地，當(dāng)直流蒸汽發(fā)生器的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，蒸汽壓力基本穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上。事實(shí)上，負(fù)荷在15%以上時(shí)，蒸汽壓力保持不變；負(fù)荷在15%以下時(shí)，蒸汽壓力的增加也很小；零負(fù)荷時(shí)，蒸汽壓力等于對(duì)應(yīng)冷卻劑平均溫度的飽和溫度。,第二章,直流蒸汽發(fā)生器的顯著優(yōu)點(diǎn)是：(1) 沒有汽水分離設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊；(2) 靜態(tài)性能好，蒸汽壓力穩(wěn)定；(3) 運(yùn)行的機(jī)動(dòng)性好，升降功率速

34、度快；(4) 產(chǎn)生過熱蒸汽，提高了裝置的熱效率直流蒸汽發(fā)生器的主要缺點(diǎn)是：(1) 由于無法象自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器那樣進(jìn)行鍋內(nèi)水處理和排污，因此由給水帶入的鹽分將大部分沉積在傳熱管表面，故對(duì)給水的品質(zhì)和傳熱管管材的性能要求較高；(2) 水容積小，蓄熱能力小，對(duì)給水自動(dòng)控制要求高。,第二章,在設(shè)計(jì)和使用直流蒸汽發(fā)生器時(shí)，有兩方面的問題應(yīng)給予足夠的重視： (1) 直管型直流蒸汽發(fā)生器必須解決好管束和筒體間熱膨脹差的補(bǔ)償問題。一般可通過

35、過熱蒸汽回流的辦法，即把過熱蒸汽引向筒體和襯筒間的環(huán)形通道向下流出來加熱筒體，使筒體和傳熱管的膨脹量相同。也可以在制造蒸汽發(fā)生器時(shí)預(yù)先在傳熱管內(nèi)造成拉應(yīng)力，即先把傳熱管的一端與管板脹焊好，然后在傳熱管溫度高于筒體溫度的情況下進(jìn)行傳熱管另一端與管板的脹焊，冷卻后便在傳熱管內(nèi)存在拉應(yīng)力。而在運(yùn)行時(shí)，傳熱管的膨脹量大于筒體的膨脹量，使傳熱管受到壓縮，從而消除傳熱管的拉應(yīng)力。(2) 直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)可能發(fā)生各種類型的兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性問題。當(dāng)兩

36、相流動(dòng)不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí)，蒸汽發(fā)生器內(nèi)將出現(xiàn)流量、溫度、壓力等熱工參數(shù)的周期性振蕩，引起機(jī)械振動(dòng)或熱應(yīng)力變化，從而導(dǎo)致設(shè)備工作性能降低，甚至誘發(fā)傳熱管的應(yīng)力腐蝕或燒毀。因此，在直流蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，必須避開流動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)或采取有效措施抑制流動(dòng)不穩(wěn)定性的發(fā)生，以確保蒸汽發(fā)生器能安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。,螺旋管式直流蒸汽發(fā)生器的傳熱面由螺旋管組成，在核動(dòng)力裝置中一般都是制成立式管內(nèi)直流蒸汽發(fā)生器，當(dāng)然在一些特殊場(chǎng)合也可以制成臥式直流蒸汽發(fā)生器。

37、螺旋管式直流蒸汽發(fā)生器的突出優(yōu)點(diǎn)是：(1) 傳熱管加工、布置比較簡(jiǎn)單，在一定的空間范圍內(nèi)可以布置更多的換熱面；(2) 螺旋管特殊的幾何結(jié)構(gòu)使管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生了二次流，使換熱得到強(qiáng)化，節(jié)省了換熱面；(3) 螺旋管可以相對(duì)自由膨脹，最大限度地消除了熱應(yīng)力。因此，螺旋管式直流蒸汽發(fā)生器不僅結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，而且還具有較高的可靠安全性，很適合于一體化核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的要求。目前，螺旋管式直流蒸汽發(fā)生器不僅用于壓水堆核動(dòng)力裝置，也已經(jīng)用

38、于氣冷堆、高溫氣冷堆、鈉冷堆及一些其它用途的工業(yè)設(shè)備中。,螺旋管式直流蒸汽發(fā)生器,第二章,第二章,前蘇聯(lián)（今俄羅斯）1958年投入運(yùn)行的“列寧”號(hào)破冰船上的壓水堆動(dòng)力裝置中安裝的就是螺旋管直流蒸汽發(fā)生器。不過最初使用的是管外直流蒸汽發(fā)生器，后因發(fā)生傳熱管泄漏事故而更新了蒸汽發(fā)生器，將二回路工質(zhì)由管外流動(dòng)改為管內(nèi)。進(jìn)一步改進(jìn)后的直流蒸汽發(fā)生器被用于“北極”號(hào)破冰船，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-8所示。用耐腐蝕合金制成的螺旋盤管管束裝在立式圓柱形筒體

39、內(nèi)，管束上部固定在筒體頂蓋上。管系分成20個(gè)獨(dú)立單元，在必要時(shí)任何一個(gè)破損的單元都可以關(guān)閉隔離，而不影響管束的正常工作，管系檢修工作可以在上部進(jìn)行。,,第二章,后來發(fā)展的緊湊型核動(dòng)力裝置將主循環(huán)泵放在了蒸汽發(fā)生器的頂部，如圖2-9所示。,,第二章,聯(lián)邦德國(guó)的“奧托·哈恩”號(hào)商船上的壓水堆核動(dòng)力裝置也采用了螺旋管直流蒸汽發(fā)生器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-10所示[6]。蒸汽發(fā)生器坐落在反應(yīng)堆內(nèi)活性區(qū)的上方，傳熱管的尺寸為φ19×

40、;1.2 mm，總重量13噸。,,第二章,蒸汽發(fā)生器由傳熱管束、進(jìn)口聯(lián)箱、出口聯(lián)箱和套筒等組成。傳熱管束分為3個(gè)獨(dú)立單元，每個(gè)單元由54根螺旋管組成，3個(gè)單元共計(jì)162根傳熱管。螺旋管的兩端分別固定在進(jìn)出口聯(lián)箱的管板上，螺旋管之間用型材軸向貫通于管的兩邊使管束固定，防止振動(dòng)和相互摩擦。套筒為內(nèi)外兩層同心薄板構(gòu)成的環(huán)形腔，腔的寬度為470 mm，高度為3.3 m。內(nèi)外套筒之間有定位鐵，防止管束橫向偏移。外套筒的頂端加強(qiáng)部分支撐在壓力

41、容器的凸緣上，內(nèi)套筒的底端亦有加強(qiáng)措施坐落在圓環(huán)上，圓環(huán)用螺栓固定在活性區(qū)支撐結(jié)構(gòu)的支撐平臺(tái)上。內(nèi)外套筒的上下端兩端都有6根型鐵均勻地布置在周邊上，將兩個(gè)套筒連接起來，上部套筒承擔(dān)懸掛管束型材的任務(wù)。運(yùn)行時(shí)，二回路給水從入口進(jìn)入蒸汽發(fā)生器內(nèi)，向下引至環(huán)形腔底部，再經(jīng)螺旋管由下往上流動(dòng)變成過熱蒸汽，過熱度為36℃，由上部出口流出。,第二章,螺旋管直流蒸汽發(fā)生器由于自身特殊的結(jié)構(gòu)形式，其傳熱管的設(shè)計(jì)加工與其它形式的蒸汽發(fā)生器相比有著很大

42、的不同。設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選定轉(zhuǎn)筒的直徑和傳熱管的直徑，然后給出管內(nèi)流體的流速，并確定傳熱管數(shù)目，選定傳熱管層數(shù)。層與層之間的距離根據(jù)冷卻劑在管間的流速確定。由于各層盤管的直徑不同，因此一般通過改變各層內(nèi)螺旋管頭數(shù)的方法使傳熱管長(zhǎng)度相等，保證各層螺旋管出口蒸汽參數(shù)相同。纏繞在大直徑層上的傳熱管頭數(shù)應(yīng)比較多一些，纏繞高度由蒸汽發(fā)生器的布置條件和水阻力允許值決定。螺旋管的卷管方法基本有兩種：一種是自由卷管，即每一根管在組裝到支

43、撐件之前就卷成螺旋管，經(jīng)檢驗(yàn)質(zhì)量合格后再將螺旋管逐根地穿到支撐板架上。對(duì)于大型氣冷堆蒸汽發(fā)生器的螺旋管，這種加工方法對(duì)支撐是有困難的，從時(shí)間和空間上也不經(jīng)濟(jì)。另一種加工方法是先往中心支撐脊柱處纏繞螺旋管，然后再往這一排螺旋管上卷第二排，加上支撐帶使盤管間的距離能準(zhǔn)確控制滿足設(shè)計(jì)要求。螺旋管每卷一圈便從卷管機(jī)上取下進(jìn)行尺寸檢查，裝配、調(diào)整支撐，同時(shí)卷管機(jī)可以接著卷另外一圈螺旋管，從而提高了設(shè)備的利用率。,俄羅斯在第四代船用壓水堆設(shè)計(jì)中采

44、用了一體化結(jié)構(gòu)，所使用的蒸汽發(fā)生器為高效盒式直流蒸汽發(fā)生器。如，在VPBER-600反應(yīng)堆中，蒸汽發(fā)生器由12個(gè)模塊組成，其中有6個(gè)矩形模塊和6個(gè)梯形模塊，模塊和模塊之間由圍筒隔開。每個(gè)模塊又被分成18個(gè)組件，幾個(gè)組件組合成獨(dú)立的子模塊，整個(gè)蒸汽發(fā)生器共包括216個(gè)單元組件。蒸汽發(fā)生器的主要參數(shù)如表2-5所示。,盒式高效直流蒸汽發(fā)生器,第二章,第二章,表2-5 蒸汽發(fā)生器的主要參數(shù),第二章,盒式蒸汽發(fā)生器的每個(gè)模塊都是由蒸汽發(fā)生單

45、元組件、聯(lián)箱、給水管、蒸汽管、圍筒、帶密封裝置的管嘴和高強(qiáng)度密封管接頭組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-11所示。,,第二章,工作時(shí)，二回路給水首先通過模塊聯(lián)箱中央的給水管分配到各個(gè)單元組件，然后再進(jìn)一步分配到每一個(gè)蒸汽發(fā)生元件。水在向上流動(dòng)的過程中被逐步轉(zhuǎn)變成過熱蒸汽，然后通過蒸汽管進(jìn)入聯(lián)箱的蒸汽空間，并最終排出蒸汽發(fā)生器。一回路冷卻劑則從壓力腔進(jìn)入模塊，在蒸汽發(fā)生元件之間向下流動(dòng)，把熱量傳給二次側(cè)工質(zhì)。在圍筒下部，冷卻劑穿過帶密封裝置的

46、管嘴離開模塊，再次進(jìn)入堆芯入口。與傳統(tǒng)的直流蒸汽發(fā)生器相比，盒式高效直流蒸汽發(fā)生器不僅體積熱負(fù)荷大大提高，而且安全可靠性也得到明顯的提高，這主要得益于：(1)選用了性能優(yōu)異的鈦合金材料。這樣既提高了蒸汽發(fā)生器的耐腐蝕能力，也降低了溫差應(yīng)力；(2)采用了模塊化設(shè)計(jì)。在發(fā)生回路泄漏的情況下，可以查找泄漏位置和隔離任何泄漏組件。隔離一個(gè)組件，換熱面積只減少1/216；(3)盡可能多地采用了標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化零部件，使不同類型和尺寸的部件能

47、在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中安排并行的工藝流程，從而保證了蒸汽發(fā)生器的質(zhì)量。,前面介紹的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器和直流蒸汽發(fā)生器都各有優(yōu)缺點(diǎn)：自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器對(duì)管材、水質(zhì)和自動(dòng)控制水平的要求比較低，但只能產(chǎn)生飽和蒸汽，效率低，需要增加汽水分離器；直流蒸汽發(fā)生器雖然效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，但是對(duì)管材、水質(zhì)和自動(dòng)控制水平都提出了更高的要求。如何將兩種蒸汽發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，克服缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型的蒸汽發(fā)生器應(yīng)該是一個(gè)值得努力的研究方向。俄羅斯就曾設(shè)

48、計(jì)過一種產(chǎn)生過熱蒸汽的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，設(shè)計(jì)方案如圖2-12所示。它由兩部分組成，下部為蒸發(fā)傳熱面和一、二次汽水分離器，上部為過熱傳熱面。上、下均為螺旋管，蒸發(fā)和過熱傳熱管規(guī)格相同，即外徑為12mm，壁厚為1.2 mm。蒸發(fā)傳熱管材料為0Cr18Ni9Ti，過熱傳熱管材為含鎳量35-40%的耐蝕合金(相當(dāng)于因科洛依-800)。這種蒸汽發(fā)生器雖然沒有得到實(shí)際應(yīng)用，但其設(shè)計(jì)思想還是值得學(xué)習(xí)的。法國(guó)就曾在CAP反應(yīng)堆一體化設(shè)計(jì)中保持蒸汽