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1、1 蒸汽发生器 核电厂系统与设备 Nuclear Power Plant System and Equipment 2 蒸汽发生器是产生汽轮 机所需蒸汽的换热设备 。是一、二回路的枢纽 。蒸汽发生器能否安全 、可靠地运行对整个核 动力装置的经济性和安 全可靠性有着十分重要 的影响。 据压水堆核电厂事故统 计表明，蒸汽发生器在 核电厂事故中居重要地 位。 蒸汽发生器的作用和地位 3 蒸汽发生器的作用和地位 4 1993年1月，美国特洛伊(Trojan)成为第一个因蒸汽 发生器事故而永久性停堆的机组。1993年1月25日， 载恩(Zion)核电站2台机组又因蒸汽发生器的事故而 提前停堆。 1989
2、年法国的1300核电站，因蒸汽发生器管板 上存在着金属微粒，运行中被氧化而引起传热管产 生凹痕。 美国爱迪生公司印第安角2核电站是于2000年2月15 日因蒸汽发生器管道破裂而停堆的。 5 6 蒸汽发生器的分类 7 8 1自然循环； 2产生饱和蒸汽； 3一回路水在由管板连接的U型管组成的管束内流动； 4在管束上方装有汽水分离器和蒸汽干燥装置。 立式饱和蒸汽发生器 （一）特征 9 自然循环蒸汽发生器 10 循环倍率循环倍率 l l 定义：定义：在两相流中在两相流中, ,循环倍率是指两相介质的总质循环倍率是指两相介质的总质 量与气相介质质量之比量与气相介质质量之比 l l 在自然循环蒸汽发生器中指
3、二次侧水需要经过几在自然循环蒸汽发生器中指二次侧水需要经过几 次循环流动才能完全变为次循环流动才能完全变为干干饱和蒸汽饱和蒸汽. . l l 通常情况下循环倍率大于通常情况下循环倍率大于1 1 11 l定义：在蒸汽发生器中,如果水和汽水混合物的 循环不需要外加能量，而是依靠水和汽水混合 物的密度差进行水循环，则称其为自然循环蒸 汽发生器。 自然循环蒸汽发生器又可分为立式自然循环蒸 汽发生器和卧式自然循环蒸汽发生器。 自然循环蒸汽发生器 12 立式自然循环蒸汽发生器 13 蒸发器 14 法国设计的55/19型蒸汽发生器 15 总体参数 型号 传热量/MW 总传热 面积/ 管侧 设计绝对压 力/M
4、Pa 设计温度/ 运行绝对压 力/MPa 反应堆冷却剂温度/ 进口 出口 反应堆冷却剂流量/(m/h) 压降/MPa 反应堆冷却剂容积/m 冷态 热态 水压试验绝对压 力/MPa 传热管直径/mm 55/19 969 5.429 17.23 343 15.5 327 293 23790 0.331 30.6 31.6 22.9 19.05 传热管壁厚度/mm 传热管数目 壳侧 设计绝 度压力/MPa 水压试验绝对压 力/MPa 设计温度/ 蒸汽参数 绝对压 力/Ma 温度/ 最大湿度/% 流量/(t/h) 给水温度/ 尺寸和重量 下部直径/mm 上部直径/mm 总高度/mm 无水总重/t 满水
5、总重/t 1.09 4.474 8.6 12.85 343 6.89 283.6 0.25 1938 226 3446 4484 20848 329.5 505 法国55/19型蒸汽发生器的技术参数 16 大亚湾核电站蒸汽发生器采用法国法马通公 司的55/19B 型蒸汽发生器，传热管为19.05 1.09 mm 的因科镍690TT，总重约50 t。蒸汽 量为539 kg/s，蒸汽压力为6.75 MPa。 17 立式U型管自然循环蒸 汽发生器是由蒸发段（ 下筒体）、汽水分离段 （上筒体）两大部分组 成。 （二）结构 18 1、蒸发段 19 “U”型传热管 小管径：管壁薄，传热好，耗材少，可使设备
6、体积小。但 过细的管子刚性差，易发生振动。且“U”型管数量多，增加 了管板的钻孔数目。 大管径：管壁厚，传热差，设备体积增大，并增加了单 根管的长度，使拉管工艺难度增大。但抗振安全性好。 欧美大型蒸汽发生器的管径约为22 mm。 管径选择 20 现代多数选用因科镍（如Inconel 690）或用因科洛 依（如Incoloy 800）等镍基合金，经特殊工艺处理后 ，强度高，管壁薄（22mm管径的壁厚一般为1.2- 1.3mm）。故热阻小，所需总换热面积小，但材料价 格较昂贵。 常用管径为22 mm、19 mm、15.8 mm，相应壁厚为 1.27mm、1.09mm、0.86mm。 在1968年以
7、前,传热管材料大多使用18-8型奥氏体不锈钢。强 度低，管壁厚，换热面积大，产生应力腐蚀损失要比镍基合金 产生的晶间腐蚀的几率大得多。 材料选择 21 后来由于出现了氯离子应力腐蚀破裂事故，大都改用只经工 厂退火处理的Inconel-600合金（即I-600MA）。这种管型在早 期运行中性能良好，到70年代中期相继发生了耗蚀、凹痕和晶 间腐蚀现象。 大约从80年代中期开始使用经特殊热处理的Inconel-600合金 （即I-600TT），90年代以后主要使用经特殊热处理的Inconel- 690合金（即I-690TT）； 联邦德国则从70年代开始一直使用Incoloy-800合金（即I-800
8、 ）。传热管在被弯成U形后，对于弯管直径小的传热管还需要 再次进行热处理以消除残余应力。 22 田湾核电厂秦山一期秦山三期秦山二期 大亚湾、岭奥 核电厂 蒸汽发生器数量 42423 传热 管材料 0Cr18Ni10TiI-800I-800I-690TTI-690TT 传热 面积，m2 61153077.531775632.55435 传热 管根数 110002977355046404478 外径壁厚，mm 161.5221.215.91.1319.051.0919.051.09 中国核电厂蒸汽发生器传热管材料与参数 23 24 管 板 管板锻件毛胚重达50-100吨，成品直径约为2.5-3.5
9、米， 厚约500-700毫米，属超厚锻件。一回路冷却剂侧有9-10 毫米厚的因科镍600的堆焊层。 由于管板大而厚，且开有密集的深孔上万个，且对 孔径公差、节距公差和管孔光洁度等都要求很高，故它 的制造工艺难度很大，生产周期也较长。深钻孔是蒸汽 发生器制造的关键工艺。 u由于二次侧水不断被蒸发，水中的垢物浓缩积聚在管板上，在传热管端 部可能产生应力腐蚀。因此，在管板上表面水平地装设有两根多孔的管道 ，供连续排污至蒸汽发生器排污系统（APG）进行处理。 25 为了确保一回路系统的密封性，“U”型传热管和管 板的连接是十分重要的问题。通常采用胀接和焊接双 重连接形式。 一般在管板钻孔的全深度上进行
10、胀管，以保证管 子管板间贴合良好。胀接后的管子在管板堆焊层的一 侧再进行密封焊。 目的：减少在管板表面的杂质淤积及管子与管板间隙 的干湿交替现象，可能引起化学物的浓集。（如氯离子沉 积造成应力腐蚀）管板二次侧表面附近，是发生传热管腐 蚀最严重的区域之一。 26 27 28 研究表明，管子支撑部位局部几 何结构对缝隙区传热、传质过程 具有重要影响。 早期核蒸汽发生器由于使用圆形 管孔和流水孔结构(图2-3a)，导 致在缝隙区出现局部缺液传热状 态，由此产生化学物质浓缩，这 是造成传热管凹陷及支撑板破裂 的主要原因。 经过改进的设计为三叶形孔（图 2-3b）或四叶形孔（图2-3d）。 这使得该区域
11、的腐蚀状况大为改 善. 如果采用栅格形支撑则更为有利 (图2-3c)。 支撑板 29 不锈钢制成，厚30mm。固定管 束，以防受流体流动产生振动。 新的设计普遍采用四叶梅花孔( 右图)。这种开孔将支撑孔和流 通孔道结合在一起，增加了管- 孔之间的流速，减少了腐蚀产物 和化学物质的沉积，使得该区的 腐蚀状况大为改善。 支撑板 30 抗振杆：在管束拱形部分，籍抗振杆固定以避 免运行中由于流体流动诱发震动导致管板损坏 。 31 32 33 p给水环嘴稍低于旋叶式汽水分离器。 p在给水环顶部焊接了一些倒J形管，给 水进入环管后，从J形管流出，进入下 降通道，可以避免水位降低到给水环管 以下时环管内水被
12、排空，防止给水再次 进入时由于环管内蒸汽遇冷凝结而产生 “水锤”现象（正常运行时，给水环管被 淹没在水下）。 p在给水管与上筒体的贯穿处，由于给水 温度大大低于筒体温度，直接焊接会造 成应力集中，因此常常采用如图2-5b所 示的套管结构来均匀温度场。 给水环嘴给水环嘴 34 F什么是水锤现象？ 当水位降低到给水环以下时，给水环中充满蒸汽。给水 再次进入时，过冷水使蒸汽迅速凝结，造成局部真空，给 水涌入这一空间，给水环和给水管路产生很大的动载荷， 这就是水锤现象。 35 在管束套筒顶部，装有旋叶式汽水分离器，对蒸发段的水 进行第一次汽水分离。 在每个分离器内装有一组固定的螺旋叶片，使汽水混合物
13、向上流过时由直线运动转为螺旋运动，密度较大的水由于 离心力的作用而被甩向外围，这样在中心形成蒸汽柱，而 筒壁内侧则形成水柱。 在筒壁沿切线方向开有疏水口。 2、汽水分离段 一级汽水分离器一级汽水分离器 36 （大亚湾）汽水分离器由16个直径为500 mm的旋叶式分 离器组成，每个分离器采用两只切向疏水口和两级疏水， 设计了4片导流螺旋叶片，升角为30。每个分离器的额定 负荷为33.6 kg/s。 37 是六角形带钩波形板分离器，在六 角形内部还有六块波纹型分离器。 携带小水滴的蒸汽进入六角形带钩 波形板分离器，在波纹板内被迫曲 折流动，蒸汽通过时容易改变方向 ，而密度较大的水不能，水不断附 在
14、波纹板上，随后流入蒸汽发生器 环状空间。 2、汽水分离段 二级汽水分离器二级汽水分离器 38 二次侧水与管束接触后，在倒“U”型管束的管外空 间上升时被加热汽化，对带有大量水分的水蒸汽混 合物的干燥分两个阶段进行。 o 第一步：水蒸汽混合物离开管束后先通过旋流叶 片式分离器（粗分离器）； F 在分离筒内装有一组固定的螺旋叶片。当汽水混合物流过时 ，由直线运动变为螺旋线运动，由于离心力作用使汽水分离， 在中心形成汽柱而在筒壁形成环状水层。 F 水沿壁面螺旋上升至阻挡器，然后折返流经分离筒与外套筒 构成的疏水通道而进入水空间。当出口管内径与汽水两相充分 分层时的蒸汽柱大致相同时，能取得良好的分离效
15、果。 汽水分离过程 39 o 第二步：从分离器出来的蒸汽通过人字形干燥器 （细分离器）。 汽水混合物在波纹板间流动过程中多次改变流动 方向，从而使夹带的小水滴被分离出来。波纹板上的 多道挡水钩收集板面水膜并捕集蒸汽流中的水滴，分 离出的水汇集后沿凹槽流入疏水装置。 汽水分离过程 40 经干燥后有了一定干度的饱和蒸汽（其额 定湿度为0.25%）汇集于顶部，从蒸汽出口管 引出，经二回路主蒸汽管通往汽轮机。 汽水分离器是自然循环蒸汽发生器的重要部 件。这不仅由于合格的蒸汽品质是汽轮机安 全经济运行的重要条件之一，还由于自然循 环蒸汽发生器的尺寸在很大程度上取决于汽 水分离装置的结构和工作特性。 汽水
16、分离过程 41 2、汽水分离段 p蒸汽发生器顶部蒸汽出口接管内装有一只因科镍600制 成的限流器。 p作用：当蒸汽管道破裂时限制蒸汽流量，以防止一回路 过冷造成反应堆重新临界及对安全壳产生的压力。 p流量控制器是一个钢制的锻件，内装7只收缩-扩张喷管 ，蒸汽流过时产生压降，使得蒸汽流量降低。 限流器限流器 42 饱和蒸汽发生器是用自然循 环式的，其原理图见右图。 在这类蒸汽发生器里，循环 回路由下降通道、上升通道 和连接它们的管束围板缺口 以及汽水分离器等组成。 （三）饱和蒸汽发生器的运行原理 43 F自然循环 管束套筒将二次的水分为上升通道和下降通道。 下降通道内流动的是低温的给水和汽水分离器分离出 来的饱和水的混合物，属单相水（过冷水）。 上升通道流动的是汽水混合物，在相同的压力下，单 相水的密度大于汽水混合物的密度，两者的密度差导致管 束套筒两
