蒸汽發生器運行極限計算

郭正榮，張寶鋒

(1.東方電氣股份有限公司核設備設計所，四川 成都610036；2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳518124)

蒸汽發生器一次側與二次側壓力超差，出口濕蒸汽含量超標，管系振動都會嚴重影響其壽命或危害系統其他設備，為確保安全運行，需計算確定蒸汽發生器的允許運行區間。允許運行區間由蒸汽發生器正常運行時的一回路介質平均溫度與不至于產生上述三現象的一回路介質極限平均溫度曲線圍成（見圖1），或由類似的壓力曲線圍成（見圖2）。考慮壓力差、濕蒸汽含量、管系振動等因素而確定的一回路冷卻劑極限溫度或二回路極限飽和壓力，統稱作蒸汽發生器的運行極限，也可分別稱為差壓極限、濕氣極限和振動極限。運行極限用各負荷情況下，蒸汽發生器一回路冷卻介質的平均溫度曲線，二回路飽和壓力曲線表示。

圖1 用一回路冷卻劑平均溫度表達的運行極限曲線Fig.1 Operating limits indicated by the average temperature at primary side

圖2 用飽和壓力表達的運行極限曲線Fig.2 Operating limits indicated by the saturation pressure

1 差壓極限

蒸汽發生器一回路的壓力不隨負荷變化，但二回路的飽和壓力隨負荷變化而變化，所以一回路與二回路間的壓力差隨負荷變化。對某種型號的蒸汽發生器而言，一回路與二回路最大壓差值是可以確定的，所謂差壓極限就是計算當蒸汽發生器運行在該極限差壓條件下的一回路冷卻劑的平均溫度[1]。

確定蒸汽發生器一回路與二回路的極限差壓需考慮的因素有：換熱管的強度、管板的強度、系統的安全需要等。從極限差壓考慮的原則看出其是一個恒定值，不隨負荷變化。

由于一回路壓力恒定，極限差壓也恒定，所以在此情況下，二回路極限飽和壓力恒定，并等于一回路壓力減去極限差壓。設定蒸汽發生器二回路的飽和壓力，計算出各種負荷條件下的蒸汽發生器一回路冷卻劑的平均溫度，即可獲得差壓溫度極限（見圖1），此時的差壓壓力曲線是一條水平線（見圖2）。

2 濕汽極限

蒸汽發生器的上部裝有分離器、干燥器，蒸汽出口裝有限流器，這三大部件控制和影響出口濕蒸汽含量。濕汽極限就是計算當經過限流器后的濕蒸汽含量達到系統可以接受最大值時的一回路冷卻劑平均溫度或二回路飽和壓力。

濕汽極限的計算過程需按限流器、干燥器、分離器的順序，從每個部件的出口參數出發，根據部件的處理能力推算出該部件的入口介質參數。蒸汽發生器的管系末端參數等同于分離器入口參數，根據管系末端參數，計算確定各種負荷下的一回路冷卻劑平均溫度和二回路飽和壓力，該溫度和壓力即為濕汽極限[1]（見圖1、圖2）。

濕汽極限與差壓極限在70%～80%負荷區間內存在一交點，當負荷高于此交點后，濕汽極限高于壓差極限，此時濕汽極限起作用，當一回路冷卻劑平均溫度高于濕汽極限時，設備安全，當溫度低于濕汽極限而高于差壓極限時，蒸汽出口濕汽超標，差壓尚可，設備運行存在風險。

3 振動極限

蒸汽發生器管系內的流體介質橫向沖擊管束可能會引起管系振動[2]，引起振動時的介質橫向臨界流速cnU 計算公式為：

式中： fn——振動模式n對應的管系固有頻率；

D ——換熱管外徑；

δn——模式n的阻尼比為ξn的對數衰減量，

β——康納斯系數。

流體橫向激勵流速按式（2）計算：

式中：V (x)——沿管長x處的流體橫向流速；

ρ(x)——沿管長x處的二次側流體密度；

ρ0——二次側流體參考密度；

φ (x)——模式n時在管長x處的位移；

m(x)——在管長x處單位長度上的等效質量；

m0——單位長度管子的參考質量；

L——管子長度。

當蒸汽發生器正常運行時，沿各換熱管長度方向各點的介質橫向流速及密度均不同，此時的穩定性系數（Sn）與該流場的動能（kinetic energy）對應，該穩定性系數小于最大允許限值，振動極限計算需將該穩定性系數設定為0.75，根據穩定性系數的定義和公式（1）、（2）可知，穩定性系數之比（Sn/0.75）正比于各自動能平方根之比，據此可求得振動限值條件下的流體動能，最后根據該動能迭代求解蒸汽發生器的一回路冷卻劑平均溫度和二次側飽和壓力。

由圖1、圖2可知：振動極限位于差壓極限和濕汽極限的下方，且與其無交點，說明最終的運行極限不由振動極限確定，該型蒸汽發生器管系有足夠的抗流致振動穩定性。

蒸汽發生器的可運行區域如圖1、圖2所示，在該區域運行不會發生一、二次側壓力超壓、濕蒸汽含量超標、管系振動的情況。

[1]John G. Collier, John R. Thome. Convective Boiling and Condensation [J].

[2]M. K. Au-Yang. Flow-induced vibration of power and process plant components [J].