[精选]核电厂系统与设备(第四讲)13764.pptx
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1、核电厂系统及设备核电厂系统及设备第四讲第四讲（20112012学年第学年第2学期）学期）主讲：田丽霞主讲：田丽霞11.概述概述蒸汽发生器是压水堆核电厂一、二回路的枢蒸汽发生器是压水堆核电厂一、二回路的枢纽，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生纽，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧，产生蒸汽推动汽轮机作功。器二次侧，产生蒸汽推动汽轮机作功。蒸汽发生器是蒸汽发生器是分隔一、二次侧介质的屏障分隔一、二次侧介质的屏障，它对于核电厂的安全运行起十分重要的作用。它对于核电厂的安全运行起十分重要的作用。2345678910压水堆核电厂运行经验表明，压水堆核电厂运行经验表明，蒸汽发生器蒸汽发生器传热管断
2、裂事故在核电厂事故中居首要地传热管断裂事故在核电厂事故中居首要地位位。据报道，国外压水堆核电厂的据报道，国外压水堆核电厂的非计划停堆非计划停堆事故中约有四分之一是因蒸汽发生器问题事故中约有四分之一是因蒸汽发生器问题造成的。造成的。11蒸汽发生器传热管面积占一回路承压边界蒸汽发生器传热管面积占一回路承压边界面积的面积的8080左右，传热管壁一般为左右，传热管壁一般为11.2mm11.2mm。因而传热管是整个一回路压力边界中最薄因而传热管是整个一回路压力边界中最薄弱的部分。弱的部分。12因此，各核电国家都把改进和研究蒸汽发因此，各核电国家都把改进和研究蒸汽发生器技术作为完善压水堆核电厂技术的重生器
3、技术作为完善压水堆核电厂技术的重要环节，制定了庞大的改进研究计划，其要环节，制定了庞大的改进研究计划，其中包括蒸汽发生器热工水力、腐蚀与传热中包括蒸汽发生器热工水力、腐蚀与传热管材料的研制、蒸汽发生器结构设计的改管材料的研制、蒸汽发生器结构设计的改进、无损探伤技术、传热管振动、磨损疲进、无损探伤技术、传热管振动、磨损疲劳研究和二回路水质控制等。这些课题涉劳研究和二回路水质控制等。这些课题涉及多种学科。及多种学科。13蒸汽发生器的分类：蒸汽发生器的分类：蒸汽发生器可按蒸汽发生器可按工质流动方式、传热管形状、工质流动方式、传热管形状、安放形式以及结构特点安放形式以及结构特点分类：分类：按照二回路工
4、质在蒸汽发生器中流动方式，按照二回路工质在蒸汽发生器中流动方式，可分为可分为自然循环蒸汽发生器和直流自然循环蒸汽发生器和直流(强迫循强迫循环环)蒸汽发生器；蒸汽发生器；14按传热管形状可分为按传热管形状可分为U U形管、直管、螺旋管形管、直管、螺旋管蒸汽发生器；蒸汽发生器；按设备的安放方式可分为按设备的安放方式可分为立式和卧式蒸汽立式和卧式蒸汽发生器发生器；按结构特点还有带预热器和不带预热器的按结构特点还有带预热器和不带预热器的蒸汽发生器。蒸汽发生器。15在压水堆核电厂使用较广泛的有三种：立在压水堆核电厂使用较广泛的有三种：立式式U U形管自然循环蒸汽发生器、卧式自然循形管自然循环蒸汽发生器、
5、卧式自然循环蒸汽发生器和立式直流蒸汽发生器。环蒸汽发生器和立式直流蒸汽发生器。其中其中立式立式U U形管自然循环蒸汽发生器应用最形管自然循环蒸汽发生器应用最为广泛为广泛。表。表3.33.3给出了几种主要蒸汽发生器给出了几种主要蒸汽发生器的特征。的特征。16几种主要的蒸汽发生器几种主要的蒸汽发生器1718表表3.5 59/19型蒸汽发生器的型蒸汽发生器的主要设计参数主要设计参数192 蒸汽发生器典型结构蒸汽发生器典型结构和工质流程和工质流程2.1 立式自然循环立式自然循环U形管蒸汽发生器形管蒸汽发生器 2.1.1 工质流程工质流程反应堆冷却剂经进口接管进入入口水室，然后进入反应堆冷却剂经进口接管
6、进入入口水室，然后进入U U形管束，流经传热管内时，将热量传给二次侧，形管束，流经传热管内时，将热量传给二次侧，冷却剂经出口水室离开蒸汽发生器。冷却剂经出口水室离开蒸汽发生器。二次侧给水通过给水环分配到环形下降通道内，与二次侧给水通过给水环分配到环形下降通道内，与由汽水分离器分离出来的再循环水混合后，在底部由汽水分离器分离出来的再循环水混合后，在底部经管束套筒缺口折流向上，进入传热管束区，沿管经管束套筒缺口折流向上，进入传热管束区，沿管间流道向上吸收一次侧的热量，被加热至沸腾，产间流道向上吸收一次侧的热量，被加热至沸腾，产生蒸汽。生蒸汽。20汽水混合物离开传热管束后经上升段进入汽水混合物离开传
7、热管束后经上升段进入第一级汽水分离器，由此分离出大部分水第一级汽水分离器，由此分离出大部分水分，再进入由人字型板组成的第二级汽水分，再进入由人字型板组成的第二级汽水分离器。分离出的水向下经疏水管，与其分离器。分离出的水向下经疏水管，与其它再循环水混合。经二次分离的蒸汽湿度它再循环水混合。经二次分离的蒸汽湿度降至降至0.25%0.25%以下，经出口管送往汽轮机。以下，经出口管送往汽轮机。212.1.2 结构结构立式自然循环立式自然循环U U形管蒸汽发形管蒸汽发生器结构大致生器结构大致分成两部分，分成两部分，加热段和汽水加热段和汽水分离段。分离段。221）加热段结构）加热段结构a U形管束形管束b
8、 管板管板c 下封头下封头d 支撑隔板及防振拉条支撑隔板及防振拉条e 管束套筒管束套筒f 二次侧流量分配板二次侧流量分配板23a U形管束形管束传热管对保障核电厂安全运行极为重要。传热管对保障核电厂安全运行极为重要。为寻找高性能耐腐蚀的传热管材，作了大为寻找高性能耐腐蚀的传热管材，作了大量工作。量工作。6060年代后，美国采用年代后，美国采用InconelInconel600600合金，近几年改用合金，近几年改用Inconel690Inconel690合金。合金。该材料的抗腐蚀能力有显著改善。该材料的抗腐蚀能力有显著改善。24b 管板管板管板是一二次侧压力边界的一部分，它用低管板是一二次侧压力
9、边界的一部分，它用低合金高强度钢锻造而成。蒸汽发生器的管板合金高强度钢锻造而成。蒸汽发生器的管板厚度达厚度达500700mm500700mm，属超厚锻件，要求材料，属超厚锻件，要求材料具有优良的塑韧性及淬透性。大型管板的管具有优良的塑韧性及淬透性。大型管板的管孔达近万个，而且对孔径公差、节距公差、孔达近万个，而且对孔径公差、节距公差、管孔光洁度都要求很高。深钻孔成为蒸汽发管孔光洁度都要求很高。深钻孔成为蒸汽发生器制造的关键工艺生器制造的关键工艺,也是决定管板制造加也是决定管板制造加工周期的重要因素。工周期的重要因素。25262728c 下封头下封头下封头是蒸汽发生器中承受压差最大的部下封头是蒸
10、汽发生器中承受压差最大的部件，通常呈半球形。由于表面开有四个大件，通常呈半球形。由于表面开有四个大孔，应力状态十分复杂，通常采用冲压成孔，应力状态十分复杂，通常采用冲压成型制造，技术难度大；有的采用低合金钢型制造，技术难度大；有的采用低合金钢铸造铸造(大亚湾大亚湾)，工艺较简单，但须严格控，工艺较简单，但须严格控制铸件质量。制铸件质量。29D D 支撑隔板及防振拉条支撑隔板及防振拉条管束是呈正方形排列的倒管束是呈正方形排列的倒U U形管。管束直段形管。管束直段分布有若干块支撑板，用以保持管子之间分布有若干块支撑板，用以保持管子之间的间距。的间距。U U形管的顶部弯曲段有防振杆防止管子振动。形管
11、的顶部弯曲段有防振杆防止管子振动。30早期的支撑板采用圆形管孔和流水孔结构，早期的支撑板采用圆形管孔和流水孔结构，导致在缝隙区出现局部缺液传热状态，因此导致在缝隙区出现局部缺液传热状态，因此产生化学物质浓缩。产生化学物质浓缩。新的设计普遍采用新的设计普遍采用四叶梅花孔四叶梅花孔（图（图3.303.30）。）。这种开孔将支撑孔和流通孔道结合在一起，这种开孔将支撑孔和流通孔道结合在一起，增加了管增加了管-孔之间的流速，减少了腐蚀产物孔之间的流速，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和化学物质的沉积，使得该区的腐蚀状况大为改善。为改善。31图图3.30 支撑板四叶梅花形孔支撑板四叶梅
12、花形孔32e 管束套筒管束套筒管束套筒包围传热管束，降二次侧水分成管束套筒包围传热管束，降二次侧水分成下降通道与上升通道。其下端由支撑块支下降通道与上升通道。其下端由支撑块支撑，留有间隙，使下降通道的水通过，进撑，留有间隙，使下降通道的水通过，进入管束区。入管束区。33F F 流量分配板流量分配板在管束下部略高于管板处，有一块流量分在管束下部略高于管板处，有一块流量分配板。板上钻的管孔比传热管的直径大，配板。板上钻的管孔比传热管的直径大，在中心处钻一大孔用于分配流量。流量分在中心处钻一大孔用于分配流量。流量分配板与配板与U U形管束中间设置的挡块相结合，保形管束中间设置的挡块相结合，保证在平面
13、上给水分布大致均匀并以足够大证在平面上给水分布大致均匀并以足够大的流速冲刷管板表面。的流速冲刷管板表面。342 2）汽水分离段）汽水分离段汽水分离器汽水分离器蒸汽发生器的上部设有两级汽水分离器。汽蒸汽发生器的上部设有两级汽水分离器。汽水混合物离开传热管束后经上升段首先进入水混合物离开传热管束后经上升段首先进入旋叶式分离器，除掉大部分水分，然后进入旋叶式分离器，除掉大部分水分，然后进入第二级分离器进一步除湿。第二级分离器一第二级分离器进一步除湿。第二级分离器一般是人字型板式干燥器。般是人字型板式干燥器。35A A 旋叶式分离器旋叶式分离器在分离筒内装有一组固定的螺旋叶片，当汽在分离筒内装有一组固
14、定的螺旋叶片，当汽水混合物流过时，水混合物流过时，由直线运动变为螺旋线运由直线运动变为螺旋线运动动，由于，由于离心力作用离心力作用使汽水分离，在中心形使汽水分离，在中心形成汽柱而在筒壁形成环状水层。水沿壁面螺成汽柱而在筒壁形成环状水层。水沿壁面螺旋上升至阻挡器，然后折返流经分离筒与外旋上升至阻挡器，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。套筒构成的疏水通道而进入水空间。363738b b 第二级汽水分离器一般采用图第二级汽水分离器一般采用图3.323.32所示的所示的带钩波纹板分离器。汽水混合物在波纹板带钩波纹板分离器。汽水混合物在波纹板间流动过程中多次改变流动方向，从而使间流动
15、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水滴，分离出的水汇集后沿凹槽流入疏水装置。装置。39402.1.3 汽水分离器的主要性能指标汽水分离器的主要性能指标a a、出口的蒸汽湿度、出口的蒸汽湿度欧美各国规定，自然循环蒸汽发生器的蒸汽湿度为欧美各国规定，自然循环蒸汽发生器的蒸汽湿度为0.25%0.25%。这就要求分离器具有高的分离效率。这就要求分离器具有高的分离效率。b b、分离器的阻力、分离器的阻力在蒸汽发生器二次侧自然循环的
16、总压降中，分离器在蒸汽发生器二次侧自然循环的总压降中，分离器的阻力占有重要份额。目前倾向于提高循环倍率，的阻力占有重要份额。目前倾向于提高循环倍率，要解决的重要课题之一是降低分离器的阻力。但是要解决的重要课题之一是降低分离器的阻力。但是这通常与提高分离效率是相矛盾的。这通常与提高分离效率是相矛盾的。41c c、单位面积的蒸汽负荷、单位面积的蒸汽负荷提高单位面积的蒸汽负荷意味着减小蒸汽发生器上提高单位面积的蒸汽负荷意味着减小蒸汽发生器上筒体的直径。这是决定分离器尺寸的重要指标，目筒体的直径。这是决定分离器尺寸的重要指标，目前已达到前已达到100kg/(m100kg/(m2 2s)s)的水平。的水
17、平。d d、蒸汽下携带量、蒸汽下携带量蒸汽下携带量定义为一次分离后疏水中所含蒸汽的蒸汽下携带量定义为一次分离后疏水中所含蒸汽的重量百分数。正常运行时，此值应小于重量百分数。正常运行时，此值应小于1%1%。42为了充分利用一次侧为了充分利用一次侧出口区的传热面，在出口区的传热面，在U U形管束一回路侧出形管束一回路侧出口布置了一体化预热口布置了一体化预热器。在预热器中装有器。在预热器中装有横隔板，使工质横向横隔板，使工质横向冲刷管束。部分给水冲刷管束。部分给水由下部筒体进入预热由下部筒体进入预热器，在预热区被加热器，在预热区被加热至接近饱和温度。至接近饱和温度。CANDU CANDU采用。采用。
18、432.2 卧式卧式U形管自然循环蒸汽发生形管自然循环蒸汽发生器器44俄罗斯和一些东欧国家的压水堆核电中，广俄罗斯和一些东欧国家的压水堆核电中，广泛采用这种卧式自然循环蒸汽发生器。它是泛采用这种卧式自然循环蒸汽发生器。它是一种水平放置的单壳体结构。一种水平放置的单壳体结构。这种蒸汽发生器的给水预热、二次侧蒸汽的这种蒸汽发生器的给水预热、二次侧蒸汽的产生、汽水分离及蒸汽干燥都在同一个外壳产生、汽水分离及蒸汽干燥都在同一个外壳内进行。壳体由圆柱形筒体和封头组成。内进行。壳体由圆柱形筒体和封头组成。45壳体沿高度方向分成两部分：上部为汽水分壳体沿高度方向分成两部分：上部为汽水分离器，下部为淹没在水面
19、以下的离器，下部为淹没在水面以下的U U形管加热形管加热区。区。U U形管束固定在两个立式圆柱形联箱上。形管束固定在两个立式圆柱形联箱上。传热管束采用奥氏体不锈钢，管子内表面进传热管束采用奥氏体不锈钢，管子内表面进行电化学抛光，外表面进行研磨，以提高管行电化学抛光，外表面进行研磨，以提高管材的抗腐蚀能力。材的抗腐蚀能力。46给水通过管束上方的给水总管进入蒸汽发生给水通过管束上方的给水总管进入蒸汽发生器。装在联箱上的给水分配短管垂直插入到器。装在联箱上的给水分配短管垂直插入到U U形管束中间，给水通过这些多孔配水管进形管束中间，给水通过这些多孔配水管进入换热器区域。入换热器区域。正常水位一般控制
20、在正常水位一般控制在最上一排传热管以上最上一排传热管以上300300400 mm400 mm。47百叶窗式汽水分离器用来提高蒸汽干度百叶窗式汽水分离器用来提高蒸汽干度。在百叶窗汽水分离器的上方装备有在百叶窗汽水分离器的上方装备有集汽顶集汽顶板板。它是一块多孔隔板，用来使流向蒸汽。它是一块多孔隔板，用来使流向蒸汽母管的汽流变得均匀、稳定。母管的汽流变得均匀、稳定。为保证水质，在壳体最低点设有连续排污为保证水质，在壳体最低点设有连续排污管。管。48卧式蒸汽发生器的优缺点：卧式蒸汽发生器的优缺点：这种蒸汽发生器的最大优点是：没有水平管这种蒸汽发生器的最大优点是：没有水平管板，取而代之的是立式圆柱形连
21、箱。在联箱板，取而代之的是立式圆柱形连箱。在联箱表面不会形成滞流区。传热管根部具有一定表面不会形成滞流区。传热管根部具有一定的流速，杂质不会在这里沉积和浓缩，因而的流速，杂质不会在这里沉积和浓缩，因而可避免传热管与联箱结合部位的腐蚀破裂。可避免传热管与联箱结合部位的腐蚀破裂。这已被良好的运行记录所证明。这已被良好的运行记录所证明。49另一个优点是：具有较大的蒸汽空间，单位另一个优点是：具有较大的蒸汽空间，单位蒸发面的负荷较立式蒸汽发生器的小，因而，蒸发面的负荷较立式蒸汽发生器的小，因而，采用较简单的汽水分离装置（百叶窗式）就采用较简单的汽水分离装置（百叶窗式）就能保证蒸汽质量满足标准。能保证蒸
22、汽质量满足标准。卧式蒸汽发生器的缺点是：出口蒸汽的湿卧式蒸汽发生器的缺点是：出口蒸汽的湿度对水位波动比较敏感，因而对水位控制要度对水位波动比较敏感，因而对水位控制要求较高。另一个缺点是卧式安放，不便于在求较高。另一个缺点是卧式安放，不便于在安全壳内布置。安全壳内布置。502.3 直流式蒸汽发生器直流式蒸汽发生器在直流式蒸汽发生器中，二次侧工质的流动在直流式蒸汽发生器中，二次侧工质的流动靠强迫循环。在热侧流体的加热下，给水经靠强迫循环。在热侧流体的加热下，给水经预热、蒸发、过热而达到所要求的温度。预热、蒸发、过热而达到所要求的温度。直流蒸汽发生器有管外直流和管内直流两类。直流蒸汽发生器有管外直流
23、和管内直流两类。管内直流指二次侧工质在传热管内流动，这管内直流指二次侧工质在传热管内流动，这种型式多用于核动力舰船。在压水堆核电厂种型式多用于核动力舰船。在压水堆核电厂中均采用管外直流蒸汽发生器，即二次侧工中均采用管外直流蒸汽发生器，即二次侧工质在传热管之间流动。质在传热管之间流动。51图图3.353.35为美国为美国B&W B&W 公司公司设计的直流蒸汽发生器设计的直流蒸汽发生器原理图。它是一种直管原理图。它是一种直管型的管壳式蒸汽发生器。型的管壳式蒸汽发生器。一次侧冷却剂由上封头一次侧冷却剂由上封头入口进入，流经传热管入口进入，流经传热管后由下封头出口流出。后由下封头出口流出。二次侧给水通
24、过环形给二次侧给水通过环形给水管进入传热管束，相水管进入传热管束，相继被预热、沸腾，最后继被预热、沸腾，最后成为过热蒸汽。成为过热蒸汽。52优点优点：出口得到的通常是出口得到的通常是过热蒸汽，有较过热蒸汽，有较高的热效率。高的热效率。它的传热管是直管式，且它的传热管是直管式，且不带汽水分离器、蒸汽干燥装置等，因此不带汽水分离器、蒸汽干燥装置等，因此便于制造和组装便于制造和组装。53严重缺点：严重缺点：二回路水容量小，一旦给水二回路水容量小，一旦给水中断，二回路容易烧干中断，二回路容易烧干，不能把一回路热量，不能把一回路热量传出去，而引起事故，因此对给水自动控制传出去，而引起事故，因此对给水自动
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