“华龙一号”ZH-65型蒸汽发生器研发

2018-01-19张富源何戈宁何劲松

中国核电 2017年4期

张富源,吴琳,何戈宁,黄伟,何劲松,李磊

(中国核动力研究设计院,四川成都 610041)

蒸汽发生器是核电厂最重要的设备之一,其主要功能是把反应堆冷却剂从堆芯带出的热量通过SG的U形传热管传递给二次侧的给水,产生合格品质的饱和蒸汽供发电;在停堆过程中或某些事故工况时带出堆芯衰变余热;防止放射性物质从一回路泄漏到二回路。因此,SG是反应堆冷却剂系统的核安全一级主设备。

在2010年前,国内大、中型压水堆核电厂的SG,如大亚湾核电站、岭澳核电站的55/19B型SG、秦山二期 (包括秦山2期扩建、昌江)核电厂的60F型SG等,都是由外国公司负责设计的。2007年开始的国内自主设计的二代加改进型M310机组核电厂 (如红沿河、宁德、阳江、方家山、福清1～4号机组)的改进型55/19B型SG,虽由我院自主设计,但无完全的自主知识产权,不具备出口条件。

“华龙一号”是我国自主研发的具有完全自主知识产权的第三代压水堆核电技术,是用于实施国家核电走出国门战略的核电自主品牌。“华龙一号”要走出国门,就必须攻克SG自主知识产权的难关。

1 设计技术研究

1.1 研发目标

完成具有自主知识产权的第三代核电蒸汽发生器自主研发。研发的蒸汽发生器应可用于 “华龙一号”工程项目,并应具备对外技术转让的条件。

1.2 总体设计研发思路

ZH-65型SG采用成熟技术,在国内已有蒸汽发生器设计的基础上进行了改进设计。

重点追求设计、制造技术上的成熟性、安全性、可靠性、工程实用性及经济性,技术上达到第三代压水堆核电站SG的水平。

对关键部件以及蒸汽发生器总体热工水力性能,均进行试验验证。

具有自主知识产权,具备出口及设计技术转让条件。

1.3 设计规范

按2007版RCC-M[1]进行设计、制造、检验和试验。SG的一次侧 (构成反应堆冷却剂压力边界的)和二次侧承压边界的设计规范等级均为1级。

1.4 结构设计

ZH-65型SG为立式U形管自然循环式蒸汽发生器。其总体结构如图1所示,由两大部分组成。第一部分为换热部件,主要包括一次侧水室、管板、传热管管束及、承压壳体等。第二部分为在上部内置的汽水分离装置部件,主要包括汽水分离器和干燥器等。

反应堆冷却剂由进口接管进入下封头进口腔室并进入U形传热管,换热后返回下封头出口腔室,经出口接管流出SG。二次侧的给水由管束上方的给水接管进入SG,依靠自然循环,给水和再循环水沿管束套筒由下筒体的环形下降通道向下流动,在管板二次侧表面附近进入传热管束区,并沿管束向上流动。在管束区,二次侧流体被加热,产生的汽水混合物沿管束上升进入旋叶式汽水分离器,最后经干燥器分离后蒸汽流出SG,分离出的水作为再循环水再次进入下降通道。

图1 ZH-65型SG结构示意图Fig.1 Schematic of ZH-65 SG

1.5 材料

U形传热管材料为耐腐蚀性能等优良的镍-铬-铁合金 (简写为I-690TT)无缝钢管。材料标准为M 4105。

管板和其他承压件材料为锰-镍-钼合金钢(18 MND5)。

内件材料的设计均采用国内标准 (GB标准或NB标准)牌号。

1.6 热工水力设计

采用自主研发的设计软件 (见本文第3章)进行SG的热工水力设计。

1.7 应力分析

按照RCC-M规范要求进行应力分析和评价。

1.8 主要技术参数

ZH-65型SG的主要结构参数、主要技术指标及与55/19B型SG的比较见表1和表2。

表1 SG结构参数Table 1 Structural parameter of SG

续表

表2 SG主要技术指标Table 2 Main technical parameters of SG

可见,与二代加百万千瓦级55/19B型SG相比,自主研发的ZH-65型SG具有更高的热负荷,更大的蒸汽产量,更高的出口蒸汽压力,更好的抗震性能,以及更长的设计寿命。

ZH-65型SG与国外三代核电某型SG性能参数比较见表3。可见,ZH-65型SG在汽水分离装置出口蒸汽湿度、蒸汽压力、功率重量比、设计寿命等主要参数指标上达到或超过了国外三代核电蒸汽发生器的水平。

表3 主要性能参数对比Table 3 Comparison of main perfor mance parameters

2 设计软件研发

在ZH-65型SG的设计研发过程中,自主研发了SG相关专业设计所需的全套 (包括10个软件,见表4)计算分析软件,已获得7项软件著作权授权。完全具备了设计技术转让的条件。

表4 SG计算分析软件包Table 4 Software package for calculation and analysis of SG

3 主要设计改进与设计验证

3.1 主要设计改进

ZH-65型SG采用较小直径传热管、并采用三角形布管,在相对于55/19B型SG下部筒体直径基本不变的条件下、使总传热面积增大了近20%,结构更紧凑。

管子支承板 (TSP)的管孔采用完全自主设计的三叶梅花形管孔 (见图2),流动阻力较小、腐蚀产物不易聚积;加强了传热管U形弯曲段的管子支撑,能防止或缓解在汽水两相流横向冲击作用下产生微振磨损,提高传热管的使用可靠性、进而提高SG的使用寿命。

图2 新设计的TSP三叶梅花形管孔结构Fig.2 Newly designed plu m blosso m shape tube hole structure of TSP

管束弯管段布置了4组 (55/19B型SG布置3组防振条)自主设计的防振条,可以有效防止传热管产生流致振动的风险。

旋叶式汽水分离器在国内有成熟使用经验、有良好运行记录的汽水分离器上进行了改进。采用自主设计的双钩型波形板干燥器,使汽水分离性能有了较大的提升。

3.2 设计验证试验

对上述重要设计改进以及蒸汽发生器总体性能进行设计验证试验,这些试验均是大型热工水力试验,包括:

1)管子支承板水力特性试验;

2)传热管束流致振动试验;

3)汽水分离装置试验;

4)综合性能试验;

5)其他试验。

目前,设计验证试验已经全部完成,实验结果证明了ZH-65型设计的合理性,性能完全满足设计要求。综合性能实验台架如图3所示。

图3 综合性能试验台架Fig.3 Co mprehensive perfor mance test rig

4 关键材料及零部件研制

4.1 ϕ17.48镍-铬-铁合金传热管研制

U形传热管是蒸汽发生器最关键的零部件之一,但之前第三代核电SG传热管均依赖进口。为了实现ZH-65型蒸汽发生器镍基690合金U形传热管的国产化,解决出口蒸汽发生器的传热管从国外采购受限的问题,与国内制造厂联合开展ϕ17.48 mm×1.02 mm规格的690合金U形传热管研制,并通过研制成果鉴定。鉴定意见认为,研制管技术性能指标达到国外同类管材先进水平,部分性能优于国外水平。目前,研制件已应用于 “华龙一号”工程项目。