蒸汽发生器运行极限计算

郭正荣，张宝锋

(1.东方电气股份有限公司核设备设计所，四川 成都610036；2.中广核工程有限公司，广东 深圳518124)

蒸汽发生器一次侧与二次侧压力超差，出口湿蒸汽含量超标，管系振动都会严重影响其寿命或危害系统其他设备，为确保安全运行，需计算确定蒸汽发生器的允许运行区间。允许运行区间由蒸汽发生器正常运行时的一回路介质平均温度与不至于产生上述三现象的一回路介质极限平均温度曲线围成（见图1），或由类似的压力曲线围成（见图2）。考虑压力差、湿蒸汽含量、管系振动等因素而确定的一回路冷却剂极限温度或二回路极限饱和压力，统称作蒸汽发生器的运行极限，也可分别称为差压极限、湿气极限和振动极限。运行极限用各负荷情况下，蒸汽发生器一回路冷却介质的平均温度曲线，二回路饱和压力曲线表示。

图1 用一回路冷却剂平均温度表达的运行极限曲线Fig.1 Operating limits indicated by the average temperature at primary side

图2 用饱和压力表达的运行极限曲线Fig.2 Operating limits indicated by the saturation pressure

1 差压极限

蒸汽发生器一回路的压力不随负荷变化，但二回路的饱和压力随负荷变化而变化，所以一回路与二回路间的压力差随负荷变化。对某种型号的蒸汽发生器而言，一回路与二回路最大压差值是可以确定的，所谓差压极限就是计算当蒸汽发生器运行在该极限差压条件下的一回路冷却剂的平均温度[1]。

确定蒸汽发生器一回路与二回路的极限差压需考虑的因素有：换热管的强度、管板的强度、系统的安全需要等。从极限差压考虑的原则看出其是一个恒定值，不随负荷变化。

由于一回路压力恒定，极限差压也恒定，所以在此情况下，二回路极限饱和压力恒定，并等于一回路压力减去极限差压。设定蒸汽发生器二回路的饱和压力，计算出各种负荷条件下的蒸汽发生器一回路冷却剂的平均温度，即可获得差压温度极限（见图1），此时的差压压力曲线是一条水平线（见图2）。

2 湿汽极限

蒸汽发生器的上部装有分离器、干燥器，蒸汽出口装有限流器，这三大部件控制和影响出口湿蒸汽含量。湿汽极限就是计算当经过限流器后的湿蒸汽含量达到系统可以接受最大值时的一回路冷却剂平均温度或二回路饱和压力。

湿汽极限的计算过程需按限流器、干燥器、分离器的顺序，从每个部件的出口参数出发，根据部件的处理能力推算出该部件的入口介质参数。蒸汽发生器的管系末端参数等同于分离器入口参数，根据管系末端参数，计算确定各种负荷下的一回路冷却剂平均温度和二回路饱和压力，该温度和压力即为湿汽极限[1]（见图1、图2）。

湿汽极限与差压极限在70%～80%负荷区间内存在一交点，当负荷高于此交点后，湿汽极限高于压差极限，此时湿汽极限起作用，当一回路冷却剂平均温度高于湿汽极限时，设备安全，当温度低于湿汽极限而高于差压极限时，蒸汽出口湿汽超标，差压尚可，设备运行存在风险。

3 振动极限

蒸汽发生器管系内的流体介质横向冲击管束可能会引起管系振动[2]，引起振动时的介质横向临界流速cnU 计算公式为：

式中： fn——振动模式n对应的管系固有频率；

D ——换热管外径；

δn——模式n的阻尼比为ξn的对数衰减量，

β——康纳斯系数。

流体横向激励流速按式（2）计算：

式中：V (x)——沿管长x处的流体横向流速；

ρ(x)——沿管长x处的二次侧流体密度；

ρ0——二次侧流体参考密度；

φ (x)——模式n时在管长x处的位移；

m(x)——在管长x处单位长度上的等效质量；

m0——单位长度管子的参考质量；

L——管子长度。

当蒸汽发生器正常运行时，沿各换热管长度方向各点的介质横向流速及密度均不同，此时的稳定性系数（Sn）与该流场的动能（kinetic energy）对应，该稳定性系数小于最大允许限值，振动极限计算需将该稳定性系数设定为0.75，根据稳定性系数的定义和公式（1）、（2）可知，稳定性系数之比（Sn/0.75）正比于各自动能平方根之比，据此可求得振动限值条件下的流体动能，最后根据该动能迭代求解蒸汽发生器的一回路冷却剂平均温度和二次侧饱和压力。

由图1、图2可知：振动极限位于差压极限和湿汽极限的下方，且与其无交点，说明最终的运行极限不由振动极限确定，该型蒸汽发生器管系有足够的抗流致振动稳定性。

蒸汽发生器的可运行区域如图1、图2所示，在该区域运行不会发生一、二次侧压力超压、湿蒸汽含量超标、管系振动的情况。

[1]John G. Collier, John R. Thome. Convective Boiling and Condensation [J].

[2]M. K. Au-Yang. Flow-induced vibration of power and process plant components [J].