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.ppt

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 ü蒸汽发生器是产生汽轮机 所需蒸汽的换热设备 ü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 ü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 v蒸汽发生器概述 Ø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８座情况严重 •国外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1979～1994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30～40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 ü 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，ü 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 Ø蒸汽发生器的基本技术要求 ü 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 ü 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 ü 蒸汽发生器的所有部件应该绝对地安全可靠 ü 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 ü 必须排除加剧腐蚀的任何可能性，特别是一回路中的腐蚀 ü 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 ü 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。

ü 保证蒸汽发生器具有高的技术经济指标 第二章 Ø 蒸汽发生器的分类ü 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； ü 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； ü 按传热管形状可分为: Ｕ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 ü 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和列管式直流蒸汽发 生器第二章 电厂名称单位Yankee Rowe秦山 核电厂美滨 二号Stade大亚湾 核电厂WNP-5WNP-4WWER- 1000类型立式 U形管立式 U形管立式 U形管立式 U形管立式 U形管立式 U形管立式 直管卧式 U形管国家及制造厂美国西屋中国上海锅 炉厂日本三菱 重工德国 西门子法国 法马通美国燃烧工程 公司美国巴布柯 克．威尔柯克 斯公司俄罗斯每台热功率MW150517.572847496519001880749一回路压力MPa13.815.215.415.515.515.515.513.9冷却剂进口温度℃293316.1320311.1327.6327.3331323冷却剂出口温度℃268287.9289284.6292.4295.8298289冷却剂流量t/h475612000122401100016754372733600014400二回路蒸汽压力MPa3.435.545.344.976.897.327.146.28二回路蒸汽温度℃243282269265284289306278.5蒸汽产量t/h258101014298981938390537951469给水温度℃160220221207.5226232240.5220传热面积m212503072.94120451054299700126915040传热管外径mm19.12222.2252219.0519.0515.912传热管壁厚mm1.81.21.271.21.091.070.861.2传热管数目根162029773260260544741600015648传热管材料ss304I-800I-600I-800I-690I-600I-6000Cr18Ni10Ti上筒体外径m2.593.634.223.604.4846.223.720下筒体外径m2.162.83.232.743.4464.823.7204(内径)总高m12.317.319.315.720.820.8823.013.84净重t85211.5277330750490264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 Ø 工作原理 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。

ü 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v立式U形管自然循环蒸汽发生器第二章 第二章 l 基本结构与流程 ü 蒸汽发生器由上、下封头、管板 、Ｕ形管束、汽水分离装置及筒 体组件构成 ü 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Ｕ形管束将热量传递给 二次侧工质冷却剂流出Ｕ形管 束后，经过出口水室，再从下封 头出口管流出，由主冷却剂泵送 回反应堆第二章 ü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Ｕ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l自然循环蒸汽发生器的优点是： ü水容积大； ü蓄热量大； ü缓冲性好； ü对自动控制的要求不高 ü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l自然循环蒸汽发生器的缺点是： ü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 ü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 ü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，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 Ø 结构设计 l 传热管： ü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φ12～22 mm，壁厚小于1.5 mm ü在1968年以前,传热管材料大多使用18-8型奥氏体不锈钢 ü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 ü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）； ü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 钢钢号密度/ (g/cm3)导热导热系数/ (W/m.℃)热热膨胀胀系数/ （×10-6/℃）抗拉强度/ MPa屈服极限/ MPa 1Cr18Ni9Ti8.015.48(100℃)18.5(0～538℃)539196 Inconel-600 (退火)8.4214.65(室温) 19.26(316℃)14.1(20～300℃)≥549(室温)≥240(室温) 215(300℃) Incoloy-8008.0211.72(室温) 16.74(316℃)16.1(20～300℃)491(300℃)167(300℃)Inconel-69017.6(350℃)14.7(20～300℃)≥551276～448田湾核电电厂秦山一期秦山三期秦山二期大亚亚湾、岭奥核 电电厂蒸汽发发生器数量42423传热传热管材料0Cr18Ni10TiI-800I-800I-690TTI-690TT 传热传热面积积，m261153077.531775632.55435 传热传热管根数110002977355046404478 外径×壁厚，mmф16×1.5ф22×1.2ф15.9×1.13ф19.05×1.09ф19.05×1.09ü 中国核电厂蒸汽发生器传热管材料与参数 ü 蒸汽发生器传热管材主要性能 第二章 l 管板： ü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。

ü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 ü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、 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 ü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 ü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 l 下封头： ü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。

ü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 ü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 ü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40％～50％，使下封头应力状态十 分复杂 ü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 l 管束支撑组件： ü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 ü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。