CEFR過(guò)熱器熱流密度對(duì)結(jié)垢的影響研究與清洗周期評(píng)估方法的初步建立

張 琭，吳純良，詹佳碩，鄭向陽(yáng)，吳 強(qiáng)

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413；2.環(huán)境保護(hù)部與輻射安全中心，北京100082)

CEFR過(guò)熱器熱流密度對(duì)結(jié)垢的影響研究與清洗周期評(píng)估方法的初步建立

張 琭1，吳純良1，詹佳碩2，鄭向陽(yáng)2，吳 強(qiáng)1

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413；2.環(huán)境保護(hù)部與輻射安全中心，北京100082)

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)采用的過(guò)熱器作為鈉-水回路的壓力邊界，對(duì)反應(yīng)堆安全承擔(dān)著重要的作用。一旦其傳熱管汽側(cè)由于結(jié)垢腐蝕發(fā)生泄漏，將導(dǎo)致嚴(yán)重的鈉水反應(yīng)事故發(fā)生。因此對(duì)CEFR過(guò)熱器汽側(cè)結(jié)垢規(guī)律的研究對(duì)快堆安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。本文針對(duì)不同的水質(zhì)工況研究過(guò)熱器的結(jié)垢規(guī)律，同時(shí)還擬合出了相應(yīng)的結(jié)垢速率公式，對(duì)過(guò)熱器的清洗周期提出相應(yīng)的指導(dǎo)意見(jiàn)，對(duì)今后過(guò)熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

快堆；過(guò)熱器；結(jié)垢；過(guò)熱器清洗

蒸汽發(fā)生器是快堆主熱傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，是快堆二回路(介質(zhì)為液態(tài)鈉)和三回路(介質(zhì)為水/汽)的換熱邊界。過(guò)熱器是蒸汽發(fā)生器的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)將蒸發(fā)器出口的微過(guò)熱蒸汽加熱成高品質(zhì)的過(guò)熱蒸汽。同時(shí)也起著隔離反應(yīng)堆二、三回路的安全功能。過(guò)熱蒸汽溶解雜質(zhì)的能力較強(qiáng)，快堆過(guò)熱器蒸汽參數(shù)在13MPa左右，較一般壓水堆電站的參數(shù)要高，傳熱管雜質(zhì)沉積較為嚴(yán)重。結(jié)垢的后果一方面對(duì)蒸汽品質(zhì)起到影響，降低發(fā)電效率；另一方面造成對(duì)換熱管的腐蝕，極有可能造成嚴(yán)重的鈉水反應(yīng)事故發(fā)生。

從中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆并網(wǎng)發(fā)電期間的給水含鐵量數(shù)據(jù)看，鐵雜質(zhì)在快堆蒸汽發(fā)生器運(yùn)行過(guò)程中始終是一種主要雜質(zhì)，因此對(duì)鐵雜質(zhì)在過(guò)熱器傳熱管沉積結(jié)垢的評(píng)估研究以及過(guò)熱器清洗周期的評(píng)估就非常重要。目前關(guān)于結(jié)垢模擬方面的研究多集中于實(shí)驗(yàn)研究，并就實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)垢規(guī)律提出了不少模型，對(duì)換熱面上結(jié)垢過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬方面的研究較少，且多集中于恒壁面和恒熱流條件下的結(jié)垢的研究[1-8]，對(duì)于非恒定熱流密度的研究較少。

本文對(duì)CEFR過(guò)熱器傳熱管變熱流密度下結(jié)垢過(guò)程進(jìn)行模擬，同時(shí)也建立快堆過(guò)熱器結(jié)垢過(guò)程模擬的方法。同時(shí)還可以對(duì)過(guò)熱器的清洗周期提出相應(yīng)的指導(dǎo)意見(jiàn)，為今后過(guò)熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行提供必要的依據(jù)。

1 結(jié)垢評(píng)估方法建立

1.1 物理模型及假設(shè)

本文計(jì)算的過(guò)熱器傳熱管，管內(nèi)蒸汽流動(dòng)，入口溫度為370.3℃，壓力為13.3MPa，管外液態(tài)金屬鈉進(jìn)行逆向換熱流動(dòng)，液態(tài)金屬鈉入口溫度495℃，壓力為0.3MPa。管內(nèi)蒸汽含有一定濃度鐵雜質(zhì)。假設(shè)流動(dòng)、污垢等諸特性參數(shù)在各個(gè)方向上都是相同的，即各向同性且均勻分布，可將模型簡(jiǎn)化為二維模型，在此忽略重力的影響。

本文的結(jié)垢模型是基于以下假設(shè)而建立的：

1.只針對(duì)氧化鐵垢一種鐵垢進(jìn)行分析，不考慮其他類(lèi)型污垢的影響;

2.污垢沉積層特性參數(shù)在各個(gè)方向上是相同的，即各向同性的，且均勻分布；

3.忽略氧化鐵垢與換熱壁面間的接觸熱阻；

4.忽略氧化鐵垢對(duì)過(guò)熱蒸汽流動(dòng)的影響；

5.忽略流場(chǎng)對(duì)氧化鐵垢形成過(guò)程的影響，不考慮氧化鐵垢的剝離情況；

6.忽略化學(xué)反應(yīng)熱、耗散熱；

7.忽略過(guò)熱蒸汽通過(guò)傳熱管過(guò)程中鐵的濃度的變化；

(以過(guò)熱器最大熱流密度300kW/m2做恒熱流密度估算，最大雜質(zhì)含量100μg/L進(jìn)行估算，經(jīng)估算全程損失率4.5%，整個(gè)流程損失應(yīng)遠(yuǎn)小于該值，因此上面的假設(shè)完全合理。)

8.忽略結(jié)垢時(shí)間與溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)間不一致而引起的誤差。表1是工質(zhì)的主要參數(shù)。

表1 工質(zhì)主要參數(shù)Table 1 The main parameters of vapor

1.2 傳熱模型

要得到整個(gè)計(jì)算區(qū)域的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等，需要將質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程聯(lián)合求解[9]。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量方程：

r方向：

z方向：

其中：

能量方程：

1.3 結(jié)垢模型

國(guó)外研究單位通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)鍋爐上對(duì)氧化鐵垢的形成進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)氧化鐵垢的形成直接與鐵的氧化物含量和傳熱管上的局部熱負(fù)荷有關(guān)，并得出了氧化鐵垢形成速率可以按照下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[10]：

式中：AFe——氧化鐵垢的形成速度，mg/(cm2·h)；

q——爐管的局部熱負(fù)荷，W/m2；

KFe——比例系數(shù)，按照試驗(yàn)臺(tái)研究的結(jié)果，此系數(shù)值為5.7×10-14～8.3×10-14。

1.4 計(jì)算方法

首先計(jì)算出過(guò)熱器無(wú)垢光滑傳熱管穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)，以此作為起點(diǎn)，對(duì)結(jié)垢開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)認(rèn)為相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)，結(jié)垢的量極少，對(duì)溫度場(chǎng)不造成影響，不改變熱流密度的分布，因此在較短時(shí)間內(nèi)結(jié)垢的速率可以認(rèn)為是恒定的，從而計(jì)算出這一段時(shí)間的結(jié)垢的量。

結(jié)垢壁面等效導(dǎo)熱系數(shù)：

式中：NFe——氧化鐵垢厚度，m；λ1——垢層的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.232W/(m·k)；

λ2——管壁的導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)傳熱管平均壁溫按照下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

λ=-4×10-6×tw2-0.001×tw+39.13；

r2——傳熱管內(nèi)壁至管中心的距離，m；

r3——傳熱管外壁至管中心的距離，m；

Am——對(duì)數(shù)平均面積，m2。

根據(jù)上述計(jì)算出的換熱壁面的熱導(dǎo)率，更新后計(jì)算出新的熱流密度，再重新計(jì)算出新的結(jié)垢速率及新的換熱壁面熱導(dǎo)率。

本文采用CFD軟件進(jìn)行模擬計(jì)算不同的鐵雜質(zhì)濃度對(duì)過(guò)熱器傳熱管結(jié)垢速率的影響，以及熱流密度對(duì)結(jié)垢速率的影響，其計(jì)算流程圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算流程圖Fig.1 calculation process

2 結(jié)果與分析

2.1 5μg/L和10μg/L鐵含量運(yùn)行4800h后結(jié)垢的變化趨勢(shì)如圖1和圖2所示。

圖2 濃度為5μg/L時(shí)200天的垢層厚度變化趨勢(shì)Fig.2 The increasing trend of fouling layer thickness under 5 μg/L impurity concentration by 200days

圖3 濃度為10μg/L時(shí)200天的垢層厚度變化趨勢(shì)Fig.3 The increasing trend of fouling layer thickness under 10 μg/L impurity concentration by 200days

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，過(guò)熱器傳熱管蒸汽入口處結(jié)垢最嚴(yán)重，蒸汽出口處結(jié)垢最輕微。同時(shí)雜質(zhì)的濃度對(duì)結(jié)垢的速率影響很大，濃度越高，結(jié)垢越嚴(yán)重。對(duì)上述兩種鐵含量下的結(jié)垢速率的變化進(jìn)行了擬合，得到圖4和圖5的擬合曲線(xiàn)和公式。

通過(guò)圖4結(jié)垢速率曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到速率曲線(xiàn)的擬合公式是：

f=0.017 44-3.113 59×10-7×t

式中：f——結(jié)垢速率，μm/d;t——傳熱管運(yùn)行時(shí)間，h。

通過(guò)圖5結(jié)垢速率曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到速率曲線(xiàn)的擬合公式是：

f=0.034 85-1.125 42×10-6×t

式中：f—結(jié)垢速率，μm/d;t—傳熱管運(yùn)行時(shí)間，h。

圖4 濃度為5μg/L最大熱流密度處結(jié)垢速率曲線(xiàn)Fig.4 The scaling rate curve in the tube which has maximum heat flux under 5μg/L impurity concentration

圖5 濃度為10μg/L最大熱流密度處結(jié)垢速率曲線(xiàn)Fig.5 The scaling rate curve in the tube which has maximum heat flux under 10μg/L impurity concentration

按照上述結(jié)論，對(duì)中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆過(guò)熱器結(jié)垢量限值進(jìn)行了計(jì)算，并與常規(guī)電站及田灣核電站關(guān)于結(jié)垢量限值進(jìn)行了相關(guān)的比較，見(jiàn)表2。

從表2計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，快堆電站的直流式蒸汽發(fā)生器對(duì)結(jié)垢量的限值要求高于直流鍋爐及自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器的要求。同時(shí)，從計(jì)算結(jié)果的對(duì)比上看，該計(jì)算方法比較真實(shí)可靠。

表2 過(guò)熱器結(jié)垢限值比較Table 2 The comparison of different scaling limit values on superheater tube

注：表中的沉積物量，是反映在傳熱管熱負(fù)荷最高處取樣，用洗垢法測(cè)得的沉積物的量。

2.2 5μg/L和10μg/L鐵含量運(yùn)行4800h對(duì)壁面熱導(dǎo)率的影響

圖6和圖7為5 μg/L和10μg/L鐵含量運(yùn)行4 800 h對(duì)壁面熱導(dǎo)率的變化趨勢(shì)圖。

圖6 濃度為5μg/L時(shí)200天的壁面熱導(dǎo)率的變化趨勢(shì)Fig.6 The trend of thermal conductivity under 5μg/L impurity concentration by 200days

圖7 濃度為10μg/L時(shí)200天的壁面熱導(dǎo)率的變化趨勢(shì)Fig.7 The trend of thermal conductivity under 10μg/L impurity concentration by 200days

通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，從長(zhǎng)期運(yùn)行的結(jié)果來(lái)看，低濃度含鐵量對(duì)管壁熱導(dǎo)率的影響相對(duì)較小，與高濃度含鐵量短期內(nèi)造成的影響相當(dāng)，因此，對(duì)入口蒸汽雜質(zhì)濃度的控制非常重要。

2.3 不同截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系

現(xiàn)選取5μg/L的濃度下，計(jì)算出0.1m，0.3m，0.5m，0.7m，0.9m，1.1m(以蒸汽入口計(jì)，蒸汽入口端熱流密度較大，易于觀(guān)察)截面處熱流密度和結(jié)垢速率的關(guān)系，見(jiàn)圖8至圖13。

圖8 0.1m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.8 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.1 m section

圖9 0.3 m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.9 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.3 m section

圖10 0.5m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.10 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.5m section

圖11 0.7m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.11 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.7m section

圖12 0.9m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.12 The relationship between heat flux and the scaling rate at 0.9m section

圖13 1.1m截面處熱流密度與結(jié)垢速率的關(guān)系Fig.13 The relationship between heat flux and the scaling rate at 1.1m section

從上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽入口處的熱流密度持續(xù)下降，同時(shí)結(jié)垢速率也持續(xù)下降；主要是由于蒸汽入口處熱流密度很大導(dǎo)致結(jié)垢速率很快，過(guò)快的結(jié)垢速率會(huì)反向影響到傳熱效果，導(dǎo)致熱流密度持續(xù)下降。沿管程位置推移，靠后的截面位置處的熱流密度和結(jié)垢速率的下降趨于緩慢，直至在一個(gè)波動(dòng)但相對(duì)恒定的水平；主要是由于前方截面的換熱條件變差，蒸汽溫度提升變慢，導(dǎo)致靠后的截面位置處鈉-蒸汽兩側(cè)的溫差增大，使得熱流密度得到提高，增加了結(jié)垢速率。

3 結(jié)論

本文得出了以下結(jié)論：

1.快堆過(guò)熱器傳熱管蒸汽入口處結(jié)垢最嚴(yán)重，出口處最輕微；

2.通過(guò)擬合得到的鐵雜質(zhì)為5μg/L和10μg/L，在滿(mǎn)功率運(yùn)行條件下結(jié)垢速率曲線(xiàn)，從而計(jì)算出了快堆過(guò)熱器鐵運(yùn)行限時(shí)15000h的結(jié)垢限值分別為57.31 g/m2和113.474 g/m2，通過(guò)與現(xiàn)有一些標(biāo)準(zhǔn)比較，證明上述評(píng)估方法是比較真實(shí)可靠的；3.由于目前針對(duì)過(guò)熱器的清洗只有周期10000～15000h的規(guī)定，且此規(guī)定是在給水含鐵量低于5μg/L 時(shí)的清洗周期，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程并非如此，此研究給出的結(jié)垢速率公式可以針對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況估算出結(jié)垢的量，對(duì)過(guò)熱器的清洗周期給出重要的指導(dǎo)意見(jiàn)，避免過(guò)熱器超出設(shè)計(jì)范圍運(yùn)行；

4.本文建立了快堆過(guò)熱器結(jié)垢評(píng)估模型及方法，為后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證工作提供了指導(dǎo)，同時(shí)也為建立快堆蒸汽發(fā)生器結(jié)垢評(píng)估方法提供了基礎(chǔ)。

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The Study of heat flux density effects to Scaling Developmentin Superheater of China Experimental Fast Reactor andEstablishment of Cleaning Cycle Assessment

ZHANG Lu1，WU Chun-liang1，ZHAN Jia-shuo2，ZHENG Xiang-yang2，WU Qiang1

(1.China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China;2.Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing 100082，China)

The steam superheater worked as pressure boundary of Na-H2O loop in China Experimental Fast Reactor (CEFR)，which was quite important for nuclear reactor safety. Once the tubes separating the vapor from steam leak because of corrosion by scaling，Na-H2O reaction would lead to severe accident. So it’s critically important to study how the scaling develops on the water-steam sides. It shows us how the scaling development on the tube surfaces of steam loop in superheater under different water quality situations. Meanwhile，the scaling rate formula was found，which could provide some useful guidance on the superheater cleaning cycle，it also has an important role for the safe and stable operation of the superheater.

Fast Reactor; Superheater; Scaling; Superheater cleaning

2015-06-30

張 琭(1986—)，男，河南舞鋼人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆熱工和安全研究工作

詹佳碩：zhanjiashuo@chinansc.cn

TL35

A

0258-0918(2016)05-0640-06