核電蒸汽發(fā)生器熱工水力穩(wěn)態(tài)特性分析

引言

蒸汽發(fā)生器作為核電站重要的大型換熱裝置,其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到核電廠的安全,所以全面分析其穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)理具有十分重要的實(shí)踐意義。蒸汽發(fā)生器位于一回路主冷卻劑與二回路介質(zhì)之間,對兩者的熱交換具有重要影響。因?yàn)榻橘|(zhì)、主冷卻劑的流動狀態(tài)會對蒸汽發(fā)生器的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響,所以蒸汽發(fā)生器穩(wěn)定性的研究,就是介質(zhì)、主冷卻劑水動力學(xué)的計算與分析。本文將在綜合前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際案例和數(shù)學(xué)算法,從水動力學(xué)的角度對經(jīng)濟(jì)發(fā)生器穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析。

1相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)描述

1.1蒸汽發(fā)生器熱平衡描述

（1）假設(shè)二回路產(chǎn)生蒸汽量為Q₁,其計算公式如下:

式中:G₁為二回路中介質(zhì)的流量（t/h）:I_i、I_j分別為介質(zhì)的入口熱恰和出口熱?。╧J/kg）。

（2）假設(shè)一回路吸收蒸汽量為02,其計算公式如下:

式中:G₂為一回路中冷卻劑的流量（t/h）:I_s、I_w分別為冷卻劑的入口熱恰和出口熱恰（kJ/kg）。

（3）一、二回路熱能平衡,其計算公式如下:

式中:μ為一、二回路中的熱損失,核電站推薦值為0.01~0.03。

1.2蒸汽發(fā)生器熱工描述

蒸汽發(fā)生器熱工計算是通過二回路計算發(fā)生器的熱傳導(dǎo)面積,計算公式如下:

式中:Q為發(fā)生器產(chǎn)生的熱量（J）:K為熱傳導(dǎo)系數(shù)[J/（m²?℃）]:ΔT為熱傳導(dǎo)的溫度變化差（℃）:A為發(fā)生器吸收熱量的面積（m²）。

1.3蒸汽發(fā)生器水力描述

（1）一回路流動阻力計算。

假設(shè)介質(zhì)阻力為ΔP,那么單相的介質(zhì)流動公式為:

式中:AP_t為介質(zhì)流動摩擦力（Pa）:ΔP_h為局部阻力（Pa）。

（2）雙側(cè)介質(zhì)循環(huán)的計算。

雙側(cè)水循環(huán)的計算是求得循環(huán)回路的運(yùn)動壓頭、流動阻力以及壓頭與阻力之間的關(guān)系和平衡系數(shù),為水循環(huán)的降溫速度、循環(huán)倍率（介質(zhì)水的重量/蒸汽重量）提供依據(jù),最后,對各個結(jié)果的合理性進(jìn)行校對,使其處于合理范圍。

一般來說,核電蒸汽發(fā)生器的工作壓力為3.0～7.0MPa,所以蒸汽的重度差值（蒸汽重量流量/汽水混合物總重量）變化較大,以實(shí)現(xiàn)蒸汽的自我循環(huán)。二次側(cè)蒸汽混合物的浴管高度上升后,會持續(xù)產(chǎn)生水蒸氣,再次增加重度差。其中,介質(zhì)循環(huán)平衡的計算公式如下:

式中:H、Hb、Hr為水、汽水、蒸汽的高度（m）:r'為蒸汽的重度（N/～3）:r～ix為汽水混合物的重度（N/～3）:APd、APr和APs分別為上、下通道和汽水的阻力（Pa）。

由公式（6）可知,雙側(cè)介質(zhì)循環(huán)處于平衡之后,介質(zhì)的流動壓力P～大于循環(huán)回路中的阻力,其計算公式如下:

由此可知,蒸汽發(fā)生器中的壓力提高以后,水汽的重度差就會減小,致使運(yùn)動壓頭的壓力減小,保持介質(zhì)雙向循環(huán)的穩(wěn)定。

2相關(guān)計算結(jié)果與靜態(tài)特性的分析

2.1相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

以A核電站Ⅱ期的40萬kw蒸汽發(fā)生器為例,對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,計算不同功率條件下,新發(fā)生器的運(yùn)行狀態(tài)（無管道堵塞、無污垢等阻礙）、運(yùn)行一段時間后（10%的堵塞和污垢）的運(yùn)行狀態(tài),以及出口的蒸汽壓力、雙側(cè)循環(huán)的倍率、雙側(cè)裝水量等熱工數(shù)值。

蒸汽發(fā)生器的規(guī)格如表1所示。

蒸汽發(fā)生器的額定參數(shù)如表2所示。

2.2熱工水力穩(wěn)態(tài)特性計算結(jié)果

依據(jù)上述蒸汽發(fā)生器實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計參數(shù),對其進(jìn)行熱工水力特性計算,判斷發(fā)生器靜態(tài)特性的熱工水力關(guān)系曲線。靜態(tài)特性是核電站在不同負(fù)荷情況下,處于穩(wěn)定狀態(tài)時發(fā)生器、雙側(cè)傳熱的平均溫度變化規(guī)律,如圖1、圖2、圖3所示。

由圖1可知,隨著負(fù)荷的不斷增加,蒸汽發(fā)生器雙側(cè)回路的傳熱系數(shù)逐漸變大,但其變化速率小于負(fù)荷的變化率。其中,無堵管污垢情況下的總熱傳導(dǎo)系數(shù)高于有堵管污垢情況下的傳導(dǎo)系數(shù)。

由圖2可知,蒸汽發(fā)生器負(fù)荷率不斷增加,入口、出口溫度以及平均溫度逐漸上升。負(fù)荷率>60%以后,出口溫度的上升速率逐漸減小,且平均溫度的上升速率呈放緩態(tài)勢。

由圖3可知,隨著負(fù)荷率的變化,蒸汽發(fā)生器的循環(huán)倍率由20降到3.4,而且蒸汽發(fā)生器的循環(huán)倍率變化幅度和波動比較平緩,說明其循環(huán)倍率并未隨著蒸汽發(fā)生器的負(fù)荷增加,而呈現(xiàn)抖動性變化。在負(fù)荷增加的過程中,循環(huán)倍率呈現(xiàn)小幅度的上升和下降,其原因是蒸汽發(fā)生器含氣率變化對流動壓頭產(chǎn)生了影響,即含氣率會增加流動壓頭的阻力。

由圖1、圖2、圖3可知,蒸汽發(fā)生器中循環(huán)導(dǎo)管的污垢會降低其換熱系數(shù),其原因是堵管會縮小蒸汽發(fā)生器的散熱面積,降低介質(zhì)的流動速度及其傳導(dǎo)系數(shù)。因此,導(dǎo)管的污垢程度對蒸汽發(fā)生器換熱系數(shù)、介質(zhì)的熱傳導(dǎo)影響較大。

3結(jié)語

通過對A核電站1期40萬kw蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析,可以得到以下幾方面結(jié)論:

（1）熱傳導(dǎo)系數(shù)是蒸汽發(fā)生器散熱的主要參數(shù),其受管壁的熱阻、厚度和污垢影響,蒸汽發(fā)生器傳熱性能與介質(zhì)的流動速度、熱傳導(dǎo)接觸面積密切相關(guān)。

（2）蒸汽發(fā)生器的總換熱系數(shù)大于單側(cè)換熱系數(shù),其散熱總量與介質(zhì)的流動速度密切相關(guān)。

(3）隨著反應(yīng)堆的負(fù)荷增加,雙側(cè)氣壓逐漸減小,管道污垢、堵管會對氣壓產(chǎn)生阻礙作用,影響熱傳導(dǎo)。在核電站運(yùn)行過程中,污垢、堵管會減小蒸汽發(fā)生器雙側(cè)換熱系數(shù),進(jìn)一步降低單側(cè)出口的氣壓,影響介質(zhì)的熱傳導(dǎo)。為了滿足蒸汽發(fā)生器的散熱需要,使其處于額定狀態(tài),要對其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使其呈現(xiàn)動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài),以保障運(yùn)行安全。

20220223_6215c3aca70e6__由圖1可知