核电厂蒸发器性能监测探讨

罗娅彬　王赞娥　祁军

【摘 要】本文介绍了核电厂蒸发器性能监测的方法及应用，通过比较热功率、蒸汽压力、一次侧平均温度、污垢热阻及堵管率五个指标对蒸汽发生器进行评定，根据分析评定结果对蒸汽发生器热性能进行评定，并对蒸发器的未来运行状态进行预测，为蒸发器的运行和维修提供建议。

【关键词】蒸发器；性能监测；评定

1 蒸汽发生器热性能监测的意义

蒸汽发生器传热管在运行中，由于表面交替蒸发和湿润，导致二次侧流体中的杂质沉积在传热管表面，形成表面污垢。污垢热阻不仅增加了传热热阻，降低了蒸发器的换热效率，导致二次侧蒸汽压力降低，而且还会因为污垢层增厚而减小流通截面积，引起流动阻力增大和流动不稳定。由于传热管污垢热阻增加，导致传热管传热性能恶化，最终导致蒸汽发生器热工性能降质。

为了及时了解蒸汽发生器热性能最新的降质状况，就需要对蒸汽发生器进行性能监测。蒸汽发生器性能监测实际上就是对蒸汽发生器传热功能的监测，通过对核电厂的运行数据进行持续的分析计算，得到蒸汽发生器热性能参数的变化趋势，从而作为评价电厂运行状况的依据，并为核电厂全功率运行和蒸汽发生器二次侧的运行和维修提供指导。

2 蒸汽发生器热性能监测简介

蒸汽发生器性能监测主要研究蒸汽发生器传热管污垢对传热的影响。开展蒸汽发生器热性能监测，首先需要进行核电厂历史数据的收集，包括蒸汽发生器结构参数，设计参数及运行数据。然后进行蒸汽发生器热性能分析评定。分析评定主要通过蒸汽发生器热工水力分析程序SGTH来进行，它可以分为当前状态评定和未来运行状态预测。前者是评定现在的状态如何，以确定当前蒸汽发生器是否满足传热裕量的要求，后者是评定未来的热工性能如何发展，以确定未来蒸汽发生器是否满足传热裕量的要求。

在热性能分析评定中主要是通过比较热功率、蒸汽压力、一次侧平均温度、污垢热阻及堵管率五个指标来对蒸汽发生器进行评定，最后，根据分析评定结果对蒸汽发生器热性能进行评定及提出建议。其中传热系数是表征蒸汽发生器传热能力的主要参数，而污垢热阻则是其中随时间变化而变化，并导致蒸汽发生器传热能力下降的主要因素，是蒸汽发生器热性能分析的主要内容。

3 蒸汽发生器热性能监测的步骤

对于蒸汽发生器热性能的评价的步骤包括：

（1）根据蒸汽发生器的历史运行数据，计算出各个阶段蒸汽发生器的功率水平、蒸汽压力、平均传热系数及污垢热阻，描述其发展变化的过程，并与设计要求对比，对蒸汽发生器当前传热能力进行评价；

（2）根据计算结果，预测污垢热阻的发展趋势；

（3）根据污垢热阻的发展趋势，结合堵管数量的变化趋势，预测蒸汽发生器热工性能（热功率和蒸汽压力）的发展趋势。

蒸汽发生器性能监测的过程则是对蒸汽发生器的热性能进行定期或不定期的持续的分析评定的过程。

4 蒸汽发生器热性能监测应用

2014年对某电厂蒸汽发生器进行了热性能监测。电厂提供了2001年6月至2014年2月期间的运行数据，包括一次侧的压力、流量、进出口温度，二次侧蒸汽压力、给水流量、给水温度，排污流量，排污温度等。

根据采样数据，可以计算得到2001年-2014年这一区间蒸汽发生器的平均传热系数和污垢热阻的变化趋势（图1为污垢热阻变化趋势图）。蒸汽发生器的传热系数先增大，后减小；而污垢热阻先减小，后增大。由此可知，蒸发器的传热性能在起始阶段，随时间逐渐变好，后又逐渐恶化，这和污垢热阻变化趋势一致，污垢热阻先减小，后增大。

在污垢的形成过程中，一方面污垢物质会沉积到换热面上，从而增加热阻，但另一方面也存在污垢组分被流体冲击而剥离，使污垢热阻减小的现象，而计算得到的污垢热阻随时间的变化则是这两个现象形成结果的叠加对蒸汽发生器传热的影响。对计算所得的污垢热阻值进行分段线性拟合，发现污垢热阻的变化经历了三个过程：过程A，污垢热阻逐渐减小，且大于零；过程B，污垢热阻且进一步减小到某一值然后逐步增大，但始终小于零；过程C，污垢热阻大于零，且逐渐增大。每一个过程都和污垢的形成过程相对应。

A的过程是污垢生成的起始阶段，这一过程为污垢组分在传热管换热面上的增长过程。在A的发展过程中，污垢热阻逐步下降到0，这主要是由于在蒸汽发生器开始运行的阶段，传热管表面光洁度比较高，不利于传热，从而使热性能恶化，表现出的污垢热阻值反而比较高。 随着清洁换热面和不洁净流体的不断接触，局部传热管表面有初始污垢出现，少量污垢的生成相当于增加了传热管表面的粗糙度。在对流换热模式下，传热管表面粗糙度的增加，中断了热边界层的发展，使流动始终处于热边界层发展之中，而不能达到充分发展，因而努塞尔数始终处于较高的值，同时，表面粗糙度的增加减小了粘性底层厚度，从而有利于湍流扩散，使传热得到强化；而在沸腾传热模式下，传热管表面粗糙度的增加相当于在加热表面增加了汽化核心的数目，大量的沸腾汽泡在加热壁面上生成，在一定程度上提高了液体微层的扰动程度从而提高了对流传热性能，因此表现出平均传热系数升高，污垢热阻下降。

在B过程，污垢热阻继续减小，出现了负值。在B的过程中，当由污垢引起的蒸汽发生器一、二次侧传热热阻的减小大于污垢层导热热阻的增长时，表现出来的污垢热阻值继续减小，为负值，反之，污垢热阻逐渐增大，当两者相等时，污垢热阻值为零。

C过程是污垢的发展阶段，污垢热阻随时间逐渐增大。当传热管换热面上的污垢继续生成下去时，生成的污垢要向三维方向发展，由于垂直方向上污垢的生长受到流体剪切力的作用而受到抑制，因此污垢向水平方向发展，当传热管换热表面基本被污垢组分覆盖后，污垢的沉积过程为污垢组分在污垢层上的增长过程。表面粗糙度由金属的粗糙度逐渐转化为污垢层的粗糙度，变化相对较小。污垢层随时间逐渐增大，最终导致传热性能降低，污垢热阻逐渐增大。

根据电厂提供的运行数据以及图1污垢热阻变化趋势图，如果蒸汽发生器传热管污垢热阻以目前的发展趋势增大，结合图中的分段线性拟合线，可以推算出未来五年内污垢热阻值大概为：

可以看出，污垢热阻总体上呈缓慢增长的趋势。按现阶段等效污垢热阻的发展趋势，在未来几年内，各个蒸汽发生器等效污垢热阻值不会超过设计值，蒸汽发生器可维持现阶段热功率水平运行，并保证蒸汽压力和蒸汽产量维持现阶段水平不变。需要强调的是，随着时间的推移，蒸汽发生器的等效污垢热阻增长速度可能会加快。因此需要密切监视蒸汽发生器热工参数的变化，定期分析等效污垢热阻随时间的变化趋势及其超过设计值的时间点。同时，应采取相应的措施控制污垢的增长，使蒸汽发生器保持较好的运行状态。

5 总结

蒸汽发生器性能监测，是基于蒸汽发生器设计数据、结构数据及历史运行数据，对蒸汽发生器的传热性能进行及时评价，并对今后一定时期内蒸汽发生器传热性能进行预测，为蒸汽发生器运行和检修提供依据。

通过对蒸汽发生器的传热能力进行持续监测，一方面可以及时了解蒸汽发生器热性能最新的降质状况，从而对蒸汽发生器的老化降质情况做出评价，另一方面，也可以对在蒸汽发生器老化管理活动中采取的运行控制措施和老化缓解措施的效果进行评价，它们是否能够如预期的那样能够有效的控制和缓解蒸汽发生器老化降质的继续发展。

[责任编辑：杨玉洁]