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
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， 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。
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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
电厂名称 单位
Yankee Rowe
立式 U形管
秦山 核电厂
立式 U形管
美滨 二号
立式 U形管
Stade
大亚湾 核电厂
立式 U形管
WNP-5
WNP-4
WWER1000
卧式 U形管
类型
立式 U形管
立式 U形管
立式 直管 美国巴布柯 克．威尔柯克 斯公司 1880 15.5 331 298 36000 7.14 306 3795 240.5 12691 15.9
中国核电厂蒸汽发生器传热管材料与参数
田湾核电厂 蒸汽发生器数量 传热管材料 传热面积，m2 传热管根数 外径×壁厚，mm 4 0Cr18Ni10Ti 6115 11000 ф16×1.5 秦山一期 2 I-800 3077.5 2977 ф22×1.2 秦山三期 4 I-800 3177 3550 ф15.9×1.13 秦山二期 2 I-690TT 5632.5 4640 ф19.05×1.09 大亚湾、岭奥核 电厂 3 I-690TT 5435 4478 ф19.05×1.09

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• 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
法国 法马通 965 15.5 327.6 292.4 16754 6.89 284 1938 226 5429 19.05
美国燃烧工程 公司 1900 15.5 327.3 295.8 37273 7.32 289 3905 232 9700 19.05
俄罗斯
每台热功率 一回路压力 冷却剂进口温度 冷却剂出口温度 冷却剂流量 二回路蒸汽压力 二回路蒸汽温度 蒸汽产量 给水温度 传热面积 传热管外径
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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
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蒸汽发生器概述
蒸汽发生器的作用与地位
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。
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下封头：
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40％～50％，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。
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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 : 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。 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。
蒸发器
16只
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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，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。
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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。
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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φ 12～22 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I600TT），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）。 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。
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基本结构与流程
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。 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。
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国家及制造厂
美国西屋
中国上海锅 炉厂 517.5 15.2 316.1 287.9 12000 5.54 282 1010 220 3072.9 22
日本三菱 重工 728 15.4 320 289 12240 5.34 269 1429 221 4120 22.225
德国 西门子 474 15.5 311.1 284.6 11000 4.97 265 898 207.5 4510 22
MW MPa ℃ ℃ t/h MPa ℃ t/h ℃ m2 mm
150 13.8 293 268 4756 3.43 243 258 160 1250 19.1
749 13.9 323 289 14400 6.28 278.5 1469 220 5040 12
传热管壁厚
传热管数目 传热管材料 上筒体外径 下筒体外径 总高 净重
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。
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蒸汽发生器传热管材主要性能
钢号 1Cr18Ni9Ti Inconel-600 (退火) Incoloy-800 Inconel-690 密度/ (g/cm3) 8.0 8.42 8.02 导热系数/ (W/m.℃) 15.48(100℃) 14.65(室温) 19.26(316℃) 11.72(室温) 16.74(316℃) 17.6(350℃) 热膨胀系数/ （×10-6/℃） 18.5(0～538℃) 14.1(20～300℃) 16.1(20～300℃) 14.7(20～300℃) 抗拉强度/ MPa 539 ≥549(室温) 491(300℃) ≥551 屈服极限/ MPa 196 ≥240(室温) 215(300℃) 167(300℃) 276～448
mm
根
1.8
1620 ss304
1.2
2977 I-800 3.63 2.8 17.3 211.5
1.27
3260 I-600 4.22 3.23 19.3 277
1.2
2605 I-800 3.60 2.74 15.7
1.09
4474 I-690 4.484 3.446 20.8 330
1.07
0.86
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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500700mm，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、 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。 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。
16000
1.2
15648 0Cr18Ni10Ti
I-600 6.22 4.82 20.88 750
I-600 3.720 3.720 23.0 490
m m m t
2.59 2.16 12.3 85
4(内径) 13.84 264
第二章
立式U形管自然循环蒸汽发生器
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。