核电蒸汽发生器热工水力稳态特性分析

摘 要：探讨核电蒸汽发生器热工水力稳态特性，并对其结构和设计参数进行优化，同时验证不同功率水平下，污垢和堵管程度对蒸汽发生器运行状态的影响。结果显示，随着负荷的不断增加，蒸汽发生器双侧回路的传热系数逐渐变大，但其变化速率小于负荷的变化率，其中无堵管污垢情况下的总热传导系数高于有堵管污垢情况下的传导系数;同时，蒸汽发生器负荷率不断增加，入口、出口温度以及平均温度逐渐上升;负荷率>60%以后，出口温度的上升速率逐渐缩小，且平均温度的上升速率呈放缓态势;随着负荷率的增加，蒸汽发生器的循环倍率由20降到3.4。因此，为了满足蒸汽发生器的散热需要，使其处于额定状态，要对其运行参数进行调整，使其呈现动态的稳定状态，以保障运行安全。

关键词：核电;蒸汽发生器;稳态特性

0    引言

蒸汽发生器作为核电站重要的大型换热装置，其运行状态直接关系到核电厂的安全，所以全面分析其稳定运行机理具有十分重要的实践意义[1]。蒸汽发生器位于一回路主冷却剂与二回路介质之间，对两者的热交换具有重要影响。因为介质、主冷却剂的流动状态会对蒸汽发生器的经济系统、稳定性产生重要影响，所以蒸汽发生器稳定性的研究，就是介质、主冷却剂水动力学的计算与分析[2]。本文将在综合前人研究结果的基础上，结合实际案例和数学算法，从水动力学的角度对经济发生器稳定状态进行分析。

1    相关参数的数学描述

1.1    蒸汽发生器热平衡描述

（1）假设二回路产生蒸汽量为Q1，其计算公式如下：

Q1=G1（Ii-Ij）                          （1）

式中：G1为二回路中介质的流量（t/h）;Ii、Ij分别为介质的入口热焓和出口热焓（kJ/kg）。

（2）假设一回路吸收蒸汽量為Q2，其计算公式如下：

Q2=G2（Is-Iw）          （2）

式中：G2为一回路中冷却剂的流量（t/h）;Is、Iw分别为冷却剂的入口热焓和出口热焓（kJ/kg）。

（3）一、二回路热能平衡，其计算公式如下：

Q1=μQ2       （3）

式中：μ为一、二回路中的热损失，核电站推荐值为0.01～0.03。

1.2    蒸汽发生器热工描述

蒸汽发生器热工计算是通过二回路计算发生器的热传导面积，计算公式如下：

Q=K·ΔT·A         （4）

式中：Q为发生器产生的热量（J）;K为热传导系数[J/（m2·℃）];ΔT为热传导的温度变化差（℃）;A为发生器吸收热量的面积（m2）。

1.3    蒸汽发生器水力描述

（1）一回路流动阻力计算。

假设介质阻力为ΔP，那么单相的介质流动公式为：

ΔP=ΔPt+ΔPh        （5）

式中：ΔPt为介质流动摩擦力（Pa）;ΔPh为局部阻力（Pa）。

（2）双侧介质循环的计算。

双侧水循环的计算是求得循环回路的运动压头、流动阻力以及压头与阻力之间的关系和平衡系数，为水循环的降温速度、循环倍率（介质水的重量/蒸汽重量）提供依据，最后，对各个结果的合理性进行校对，使其处于合理范围[3]。

一般来说，核电蒸汽发生器的工作压力为3.0～7.0 MPa，所以蒸汽的重度差值（蒸汽重量流量/汽水混合物总重量）变化较大，以实现蒸汽的自我循环。二次侧蒸汽混合物的浴管高度上升后，会持续产生水蒸气，再次增加重度差。其中，介质循环平衡的计算公式如下：

（H-Hb）r′-Hrrmix=ΔPd+ΔPr+ΔPs                   （6）

式中：H、Hb、Hr为水、汽水、蒸汽的高度（m）;r′为蒸汽的重度（N/m3）;rmix为汽水混合物的重度（N/m3）;ΔPd、ΔPr和ΔPs分别为上、下通道和汽水的阻力（Pa）。

由公式（6）可知，双侧介质循环处于平衡之后，介质的流动压力Pm大于循环回路中的阻力，其计算公式如下：

Pm=Hr（r′-rmix）                      （7）

由此可知，蒸汽发生器中的压力提高以后，水汽的重度差就会减小，致使运动压头的压力减小，保持介质双向循环的稳定。

2    相关计算结果与静态特性的分析

2.1    相关参数的设置

以A核电站Ⅱ期的40万kW蒸汽发生器为例，对其参数进行设置，计算不同功率条件下，新发生器的运行状态（无管道堵塞、无污垢等阻碍）、运行一段时间后（10%的堵塞和污垢）的运行状态，以及出口的蒸汽压力、双侧循环的倍率、双侧装水量等热工数值。

蒸汽发生器的规格如表1所示。

蒸汽发生器的额定参数如表2所示。

2.2    热工水力稳态特性计算结果

依据上述蒸汽发生器实际结构参数、设计参数，对其进行热工水力特性计算，判断发生器静态特性的热工水力关系曲线[4-5]。静态特性是核电站在不同负荷情况下，处于稳定状态时发生器、双侧传热的平均温度变化规律[6-7]，如图1、图2、图3所示。

由图1可知，随着负荷的不断增加，蒸汽发生器双侧回路的传热系数逐渐变大，但其变化速率小于负荷的变化率。其中，无堵管污垢情况下的总热传导系数高于有堵管污垢情况下的传导系数。

由图2可知，蒸汽发生器负荷率不断增加，入口、出口温度以及平均温度逐渐上升。负荷率>60%以后，出口温度的上升速率逐渐减小，且平均温度的上升速率呈放缓态势。

由图3可知，随着负荷率的变化，蒸汽发生器的循环倍率由20降到3.4，而且蒸汽发生器的循环倍率变化幅度和波动比较平缓，说明其循环倍率并未随着蒸汽发生器的负荷增加，而呈现抖动性变化。在负荷增加的过程中，循环倍率呈现小幅度的上升和下降，其原因是蒸汽发生器含气率变化对流动压头产生了影响，即含气率会增加流动压头的阻力。

由图1、图2、图3可知，蒸汽发生器中循环导管的污垢会降低其换热系数，其原因是堵管会缩小蒸汽发生器的散热面积，降低介质的流动速度及其传导系数。因此，导管的污垢程度对蒸汽发生器换热系数、介质的热传导影响较大。

3    结语

通过对A核电站Ⅱ期40万kW蒸汽发生器结构参数、设计参数进行分析，可以得到以下几方面结论：

（1）热传导系数是蒸汽发生器散热的主要参数，其受管壁的热阻、厚度和污垢影响，蒸汽发生器传热性能与介质的流动速度、热传导接触面积密切相关。

（2）蒸汽发生器的总换热系数大于单侧换热系数，其散热总量与介质的流动速度密切相关。

（3）随着反应堆的负荷增加，双侧气压逐渐减小，管道污垢、堵管会对气压产生阻碍作用，影响热传导。在核电站运行过程中，污垢、堵管会减小蒸汽发生器雙侧换热系数，进一步降低单侧出口的气压，影响介质的热传导。为了满足蒸汽发生器的散热需要，使其处于额定状态，要对其运行参数进行调整，使其呈现动态的稳定状态，以保障运行安全。

[参考文献]

[1] 何戈宁，李孝佳，丛腾龙，等.海洋条件下U型管蒸汽发生器传热管倒流特性研究[J].核动力工程，2021，42（3）：37-41.

[2] 郑军伟，赵东阳，刘东亮.某核电机组汽轮机超速保护控制反复动作原因分析与处理[J].核安全，2021，20（3）：59-64.

[3] 何磊.高温气冷堆设计分析管理体系研究[J].电力设备管理，2021（7）：71-72.

[4] 胡家祺.连接部件对某屏蔽电机温度场影响的数值模拟[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2021.

[5] 刘宇生，许超，马帅，等.ACME台架非能动水箱热工水力现象研究[J].核动力工程，2021，42（S1）：5-10.

[6] 彭述明，夏佳文，王毅韧，等.我国核安全技术发展战略研究[J].中国工程科学，2021，23（3）：113-119.

[7] 王建，陈杰，汤晨瑾，等.华龙一号机组MSLB事故下反应堆安全性仿真分析[J].仪器仪表用户，2021，28（7）：67-71.

收稿日期：2021-08-12

作者简介：朱景艳（1983—），女，山东荣成人，硕士研究生，华能山东石岛湾核电有限公司培训中心理论教员，研究方向：反应堆物理热工。