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1、压水堆蒸汽发生器的工 作原理与结构设计蒸汽 发生器概述,第二章,蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。 蒸汽发生器既是一回路设备，又是二回路设备，被称为一、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。,蒸汽发生器概述,蒸汽发生器的作用与地位,第二章,第二章,1977年一年，在79座运行的压水堆核电厂，就有34座发生了蒸汽发生器传热管破损 美国核管会（NRC）在1982年发表的调查报告指出，美国正在运行的48座核电厂中，有40座发生了蒸汽发生器事故，其中座情况严重。 国外
2、PWR核电厂的非计划停准次数中约有四分之一是因有关蒸汽发生器问题而造成的 1992年，在205座反应堆中，报告蒸汽发生器有问题的达172座。同年美国PWR的负荷因子由于蒸汽发生器问题(包括传热管破损和更换蒸汽发生器)而降低了3.31,占年负荷因子总降低值的12.7。 从19791994年，已有55台蒸汽发生器因传热管严重破损而被迫更换，其实际使用寿命平均仅约为14年（最短者仅8年），远未达到3040年的设计寿命。 美国1992年更换磨石-2堆的两台蒸汽发生器，停堆192天，耗费1.9亿美元,一些蒸汽发生器的可靠性是比较低的，它对核电厂的安全、可靠性和经济效益有重大影响。因此，各国都把研究与改进
3、蒸汽发生器当作完善压水堆核电厂技术的重要环节，并制定了庞大的研究计划， 主要包括：蒸汽发生器热工水力分析；腐蚀理论与传热管材料的研制；无损探伤技术；振动、磨损、疲劳研究；改进结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改进水质控制等。,第二章,蒸汽发生器的基本技术要求,蒸汽发生器及其部件的设计，必须保证供给核电站在任何运行工况下所需要的蒸汽量及规定的蒸汽参数。 蒸汽发生器的容量应该最大限度地满足功率负荷的需要，而且要求随着单机容量的增加，其技术经济指标会得到相应的改善。 蒸汽发生器的所有部件应该绝对地安全可靠。 蒸汽发生器各零、部件的装配，必须保证在密封面上排除一回路工质漏入二回路中去的可能性。 必须排除
4、加剧腐蚀的任何可能性，特别是一回路中的腐蚀。 蒸汽发生器必须产生必要纯度的蒸汽，以保证蒸汽过热器在高温下可靠运行，并保证汽轮机可靠而经济地运行。 蒸汽发生器应该设计得简单紧凑，应该便于安装使用，便于发现损坏并排除故障，并有可能彻底疏干。 保证蒸汽发生器具有高的技术经济指标。,第二章,蒸汽发生器的分类,按照工质流动方式可分为：自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发生器； 按蒸汽发生器的外形可分为：卧式蒸汽发生器和立式蒸汽发生器； 按传热管形状可分为: 形管、直管、螺旋管以及由其它形状传热管构成的蒸汽发生器。 目前在压水堆核动力装置中使用的蒸汽发生器主要有：立式U形管自然循环发生器、卧式自然循环蒸汽发生器
5、和列管式直流蒸汽发生器。,第二章,表2-2 压水堆核动力装置中几种典型蒸汽发生器的基本参数,第二章,工作原理 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。,立式U形管自然循环蒸汽发生器,第二章,第二章,基本结构与流程 蒸汽发生器由上、下封头、管板、形管束、汽水分离装置及筒体组件构成。 在一次侧，来自反应堆的冷却剂由下封头进口管进入进口水室，然后通过形管束将热量传递给二次侧工质。冷却剂流出形管束后，经过出口水室，再从下封头出口管流出，
6、由主冷却剂泵送回反应堆。,第二章,在二次侧，二回路给水由给水泵输送到蒸汽发生器的给水管，通过给水分配环管进入管束衬筒与壳体之间所形成的环形下降通道向下流动，通过衬筒与管板二次侧表面之间的缺口处进入并横向冲刷管束，然后折流向上，进入管束空间。水在形管束空间吸收来自一回路侧的热量，被逐渐加热到饱和温度并不断产生蒸汽。当汽水混合物向上流动并离开弯头区时，大约有25%的饱和水蒸发为蒸汽。汽水混和物继续上行，首先进入一次粗分离器分离出大部分水份，带有细小水滴的湿蒸汽继续向上流动，经过重力分离后进入二级汽水分离（干燥）器，进一步将蒸汽湿度降至0.25%以下后，由蒸汽导管引出，送往汽轮机做功。分离出的饱和水
7、全部进入环形下降通道，与二回路给水混合后成为循环水。,蒸发器,16只,自然循环蒸汽发生器的优点是： 水容积大； 蓄热量大； 缓冲性好； 对自动控制的要求不高。 由于可进行锅内水处理和排污，可适当降低对传热管材和二回路水质的要求，从而简化了系统并提高了设备的安全可靠性。,自然循环蒸汽发生器的缺点是： 为保证蒸汽品质，需要装设汽水分离设备，使蒸汽发生器的结构复杂，尺寸增大。 由于自然循环蒸汽发生器产生饱和蒸汽，因此需要在汽轮机高低压缸之间装设汽水分离再热器或在汽轮机内加装分离级，使系统复杂化，投资提高。 静态特性较差。特别是在采用一回路冷却剂平均温度不变的运行方案时，当蒸汽负荷从满负荷降到零负荷时
8、，蒸汽发生器压力将增加几十个大气压，使筒体的设计压力和给水泵的轴承载荷都大大增加。,第二章,结构设计 传热管： 蒸汽发生器的传热面积是由大量小直径薄壁无缝U形管组成，通常选用传热管的外径为1222 mm，壁厚小于1.5 mm。 在1968年以前,传热管材料大多使用18-8型奥氏体不锈钢。 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
9、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）。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。,第二章,中国核电厂蒸汽发生器传热管材料与参数,蒸汽发生器传热管材主要性能,第二章,管板： 管板是传热管束的支撑基础，与传热管一起构成蒸汽发生器一、二次侧的分界。 一般用低合金高强度钢锻造而成。大型蒸汽发生器的管板厚度达500-700mm，直径3 m左右，重量达20吨以上，属于超厚锻件，因此要求材料具有优良的塑韧性及淬透性。 为了与管子连接，管板上要钻数千乃至上万个小孔，而且对孔径公差
10、、节距公差、形位公差及管孔光洁度、垂直度都有很高的要求。因而，深孔钻成为蒸汽发生器制造的关键工艺。整个蒸汽发生器的生产周期在很大程度上取决于管板锻造和钻孔所耗费的时间。现在普遍采用多轴数控深孔钻床进行管孔加工。,第二章,下方与冷却剂接触的表面，需堆焊一层镍基合金，这样即抗腐蚀，又适合于同管子的焊接。 管板二次侧表面附近，是传热管发生腐蚀事故最集中的区域之一。这主要是由于在管板表面的污垢沉积以及管子与管板间的间隙中出现的干湿交替现象，引起化学物质的浓缩。因此，新型蒸汽发生器传热管与管板间的连接除进行焊接外，还采用管板全长度胀管工艺，以消除管子与管板间的间隙，避免化学物质在间隙内浓缩。,下封头：
11、下封头是蒸汽发生器中承受高压并与大气接触的唯一部件，通常设计成半球形，内侧堆焊镍基合金，并通过隔板将其分割为两个水室，每个水室都有一个连接到一回路的接管和人孔。 为了便于维修，在水室和人孔的最低点都设有疏水管，以保证能将蒸汽发生器彻底疏干。 人孔盖的密封由两道被压紧的“O”形密封环保证。在两道密封环之间有引漏管与报警装置相连，用来监测第一道密封环的密封性。 半球形下封头虽然是最合理的承压形状，但由于开有四个大孔（二个人孔及进、出口管嘴），开孔总面积达4050，使下封头应力状态十分复杂。 下封头通常在重型水压机下冲压成型，然后焊接冷却剂进出口管嘴，工艺过程比较复杂。有些蒸汽发生器的下封头采用低合
12、金钢或碳素钢铸造而成，工艺过程相对简化，但必须严格控制铸件质量。,第二章,管束支撑组件： 传热管束四周用衬筒包围，从而将汽水流道分隔成上升通道与下降通道。 管束直段有若干块支撑隔板，在弯管区有防振条，用以固定管束，提高自振频率，防止在运行中由于流动诱发振动导致管束损坏。隔板轴向通过拉杆和套筒用螺拴固定，径向通过一些防止管束整体震动的楔子固定在衬筒上，再将衬筒用螺栓固定在筒体上。 支撑隔板结构的设计，应考虑二次侧流体的通过能力、流动阻力，限制流动引起的振动及管孔间隙中的化学物质浓缩。 在管束下部管板上面还设置了流量分配挡板和排污管，前者用于保证中心区仍有足够的流速，避免腐蚀产物的积累，消除淤渣，
13、减少管子产生腐蚀破裂的危险；后者用于连续排污，控制水质。,第二章,第二章,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)。,汽水分离装置： 为了保证核动力装置能安全、经济地运行，蒸汽发生器出口的蒸汽湿度必须严格控制在0.25%以下。现代的立式自然循环蒸汽发生器一般都在上筒体
14、内设置两级汽水分离器，基本结构如图2-4所示。 第一级设置许多立式旋叶式汽水分离器(如图2-4a所示)，靠离心力分离出大约80%90%的水量； 第二级一般采用波形板分离器(如图2-4b所示)或丝网干燥器，依靠惯性力进行汽水分离。两级汽水分离器分离出的水全部通过疏水管导入下降环形流道与给水混合。 在两级汽水分离器之间留出一定的高度，进行自然重力分离。 同时，也常常在第一级汽水分离器前设置水下孔板、在第二级汽水分离器后设置均汽孔板，用于均匀蒸汽负荷，提高汽水分离器的效率。,第二章,第二章,给水管： 给水管是一圆形环管，位于上筒体内第一级汽水分离器的下面，是二回路给水进入蒸汽发生器的通道。 在给水环
15、管上焊有倒J形管，给水通过倒J形管进入环形下降空间，保证环管内总是充满水，防止蒸汽进入，从而避免由于蒸汽泡的突然破灭而引发水锤现象的发生（如图2-5a所示）。 由于U形传热管的进出口温度有较大差异，因此给水沿蒸汽发生器周向的分配是不均匀的，其中80%的给水到热侧，20%到冷侧。 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。,第二章,筒体组件： 蒸汽发生器筒体组件包括上封头、上筒体、锥形体、下筒体等。 上封头通常为标准椭球形，封头顶部有蒸汽出口管嘴，管嘴内设有限流器，用于在主蒸汽管道发生破裂事故时限制最大蒸汽
16、流量，从而限制蒸汽发生器二次侧部件和一回路系统的冷却速率，防止反应堆在紧急停堆后又重返临界。 限流器由七根小直径文丘里管组成，其中一根文丘里管位于管嘴中心线上，其余六根文丘里管在圆周方向上均匀分布。 由于汽水分离器和给水环管都安装在上筒体内，因此上筒体的直径一般要比下筒体粗，两者之间由锥形体连接。 上筒体还开有人孔以便对汽水分离器和传热管束上部进行检修，在下筒体靠近管板处设有若干个检查孔（手孔），以便检查该区域内的传热管表面和管板的二次侧表面，在必要时可用高压水冲洗管板上表面沉积的淤渣。 由于筒体组件只与二回路工质接触，因此，一般采用锅炉钢或低锰合金钢制造。,第二章,定义：所谓卧式自然循环蒸汽发生器，就是蒸汽发生器筒体轴线与地面平行的自然循环蒸汽发生器。 美国早期的核动力装置中曾采用卧式自然循蒸汽发生器（如，西平港核电站和“舡鱼”号核潜艇），但很快即被立式U形管式自然循环发生器代替， 俄罗斯（前苏联）在压水堆电厂核动力装置中则一直使用卧式自然循环蒸汽发生器，基本结构如图2-6所示。,卧式自然循环蒸汽发生器,第二章,蒸
