核電廠蒸發器性能監測探討

羅婭彬　王贊娥　祁軍

【摘 要】本文介紹了核電廠蒸發器性能監測的方法及應用，通過比較熱功率、蒸汽壓力、一次側平均溫度、污垢熱阻及堵管率五個指標對蒸汽發生器進行評定，根據分析評定結果對蒸汽發生器熱性能進行評定，并對蒸發器的未來運行狀態進行預測，為蒸發器的運行和維修提供建議。

【關鍵詞】蒸發器；性能監測；評定

1 蒸汽發生器熱性能監測的意義

蒸汽發生器傳熱管在運行中，由于表面交替蒸發和濕潤，導致二次側流體中的雜質沉積在傳熱管表面，形成表面污垢。污垢熱阻不僅增加了傳熱熱阻，降低了蒸發器的換熱效率，導致二次側蒸汽壓力降低，而且還會因為污垢層增厚而減小流通截面積，引起流動阻力增大和流動不穩定。由于傳熱管污垢熱阻增加，導致傳熱管傳熱性能惡化，最終導致蒸汽發生器熱工性能降質。

為了及時了解蒸汽發生器熱性能最新的降質狀況，就需要對蒸汽發生器進行性能監測。蒸汽發生器性能監測實際上就是對蒸汽發生器傳熱功能的監測，通過對核電廠的運行數據進行持續的分析計算，得到蒸汽發生器熱性能參數的變化趨勢，從而作為評價電廠運行狀況的依據，并為核電廠全功率運行和蒸汽發生器二次側的運行和維修提供指導。

2 蒸汽發生器熱性能監測簡介

蒸汽發生器性能監測主要研究蒸汽發生器傳熱管污垢對傳熱的影響。開展蒸汽發生器熱性能監測，首先需要進行核電廠歷史數據的收集，包括蒸汽發生器結構參數，設計參數及運行數據。然后進行蒸汽發生器熱性能分析評定。分析評定主要通過蒸汽發生器熱工水力分析程序SGTH來進行，它可以分為當前狀態評定和未來運行狀態預測。前者是評定現在的狀態如何，以確定當前蒸汽發生器是否滿足傳熱裕量的要求，后者是評定未來的熱工性能如何發展，以確定未來蒸汽發生器是否滿足傳熱裕量的要求。

在熱性能分析評定中主要是通過比較熱功率、蒸汽壓力、一次側平均溫度、污垢熱阻及堵管率五個指標來對蒸汽發生器進行評定，最后，根據分析評定結果對蒸汽發生器熱性能進行評定及提出建議。其中傳熱系數是表征蒸汽發生器傳熱能力的主要參數，而污垢熱阻則是其中隨時間變化而變化，并導致蒸汽發生器傳熱能力下降的主要因素，是蒸汽發生器熱性能分析的主要內容。

3 蒸汽發生器熱性能監測的步驟

對于蒸汽發生器熱性能的評價的步驟包括：

（1）根據蒸汽發生器的歷史運行數據，計算出各個階段蒸汽發生器的功率水平、蒸汽壓力、平均傳熱系數及污垢熱阻，描述其發展變化的過程，并與設計要求對比，對蒸汽發生器當前傳熱能力進行評價；

（2）根據計算結果，預測污垢熱阻的發展趨勢；

（3）根據污垢熱阻的發展趨勢，結合堵管數量的變化趨勢，預測蒸汽發生器熱工性能（熱功率和蒸汽壓力）的發展趨勢。

蒸汽發生器性能監測的過程則是對蒸汽發生器的熱性能進行定期或不定期的持續的分析評定的過程。

4 蒸汽發生器熱性能監測應用

2014年對某電廠蒸汽發生器進行了熱性能監測。電廠提供了2001年6月至2014年2月期間的運行數據，包括一次側的壓力、流量、進出口溫度，二次側蒸汽壓力、給水流量、給水溫度，排污流量，排污溫度等。

根據采樣數據，可以計算得到2001年-2014年這一區間蒸汽發生器的平均傳熱系數和污垢熱阻的變化趨勢（圖1為污垢熱阻變化趨勢圖）。蒸汽發生器的傳熱系數先增大，后減小；而污垢熱阻先減小，后增大。由此可知，蒸發器的傳熱性能在起始階段，隨時間逐漸變好，后又逐漸惡化，這和污垢熱阻變化趨勢一致，污垢熱阻先減小，后增大。

在污垢的形成過程中，一方面污垢物質會沉積到換熱面上，從而增加熱阻，但另一方面也存在污垢組分被流體沖擊而剝離，使污垢熱阻減小的現象，而計算得到的污垢熱阻隨時間的變化則是這兩個現象形成結果的疊加對蒸汽發生器傳熱的影響。對計算所得的污垢熱阻值進行分段線性擬合，發現污垢熱阻的變化經歷了三個過程：過程A，污垢熱阻逐漸減小，且大于零；過程B，污垢熱阻且進一步減小到某一值然后逐步增大，但始終小于零；過程C，污垢熱阻大于零，且逐漸增大。每一個過程都和污垢的形成過程相對應。

A的過程是污垢生成的起始階段，這一過程為污垢組分在傳熱管換熱面上的增長過程。在A的發展過程中，污垢熱阻逐步下降到0，這主要是由于在蒸汽發生器開始運行的階段，傳熱管表面光潔度比較高，不利于傳熱，從而使熱性能惡化，表現出的污垢熱阻值反而比較高。 隨著清潔換熱面和不潔凈流體的不斷接觸，局部傳熱管表面有初始污垢出現，少量污垢的生成相當于增加了傳熱管表面的粗糙度。在對流換熱模式下，傳熱管表面粗糙度的增加，中斷了熱邊界層的發展，使流動始終處于熱邊界層發展之中，而不能達到充分發展，因而努塞爾數始終處于較高的值，同時，表面粗糙度的增加減小了粘性底層厚度，從而有利于湍流擴散，使傳熱得到強化；而在沸騰傳熱模式下，傳熱管表面粗糙度的增加相當于在加熱表面增加了汽化核心的數目，大量的沸騰汽泡在加熱壁面上生成，在一定程度上提高了液體微層的擾動程度從而提高了對流傳熱性能，因此表現出平均傳熱系數升高，污垢熱阻下降。

在B過程，污垢熱阻繼續減小，出現了負值。在B的過程中，當由污垢引起的蒸汽發生器一、二次側傳熱熱阻的減小大于污垢層導熱熱阻的增長時，表現出來的污垢熱阻值繼續減小，為負值，反之，污垢熱阻逐漸增大，當兩者相等時，污垢熱阻值為零。

C過程是污垢的發展階段，污垢熱阻隨時間逐漸增大。當傳熱管換熱面上的污垢繼續生成下去時，生成的污垢要向三維方向發展，由于垂直方向上污垢的生長受到流體剪切力的作用而受到抑制，因此污垢向水平方向發展，當傳熱管換熱表面基本被污垢組分覆蓋后，污垢的沉積過程為污垢組分在污垢層上的增長過程。表面粗糙度由金屬的粗糙度逐漸轉化為污垢層的粗糙度，變化相對較小。污垢層隨時間逐漸增大，最終導致傳熱性能降低，污垢熱阻逐漸增大。

根據電廠提供的運行數據以及圖1污垢熱阻變化趨勢圖，如果蒸汽發生器傳熱管污垢熱阻以目前的發展趨勢增大，結合圖中的分段線性擬合線，可以推算出未來五年內污垢熱阻值大概為：

可以看出，污垢熱阻總體上呈緩慢增長的趨勢。按現階段等效污垢熱阻的發展趨勢，在未來幾年內，各個蒸汽發生器等效污垢熱阻值不會超過設計值，蒸汽發生器可維持現階段熱功率水平運行，并保證蒸汽壓力和蒸汽產量維持現階段水平不變。需要強調的是，隨著時間的推移，蒸汽發生器的等效污垢熱阻增長速度可能會加快。因此需要密切監視蒸汽發生器熱工參數的變化，定期分析等效污垢熱阻隨時間的變化趨勢及其超過設計值的時間點。同時，應采取相應的措施控制污垢的增長，使蒸汽發生器保持較好的運行狀態。

5 總結

蒸汽發生器性能監測，是基于蒸汽發生器設計數據、結構數據及歷史運行數據，對蒸汽發生器的傳熱性能進行及時評價，并對今后一定時期內蒸汽發生器傳熱性能進行預測，為蒸汽發生器運行和檢修提供依據。

通過對蒸汽發生器的傳熱能力進行持續監測，一方面可以及時了解蒸汽發生器熱性能最新的降質狀況，從而對蒸汽發生器的老化降質情況做出評價，另一方面，也可以對在蒸汽發生器老化管理活動中采取的運行控制措施和老化緩解措施的效果進行評價，它們是否能夠如預期的那樣能夠有效的控制和緩解蒸汽發生器老化降質的繼續發展。

[責任編輯：楊玉潔]