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【摘 要】本文对蒸汽发生器的分类、工作原理及AP1000蒸汽发生器结构特点做了介绍，并着重对蒸汽发生器的热工水力分析的背景、参数、作用进行简要介绍。
【关键词】蒸汽发生器：AP1000；热工水力
Abstract： The article describes the principle of operation， style and brief structure for steam generator， specially discusses the thermal-hydraulic background ， parameters and effects.
Key Words： Steam Generator， AP1000， Thermal-hydraulic
蒸汽发生器是压水堆核电厂一回路、二回路的枢纽，它将反应堆产生的热量通过热交换传递给蒸汽发生器二次侧，产生蒸汽推动汽轮机做功。蒸汽发生器又是分隔核岛和常规岛的压力边界，保证将放射性介质封闭在一回路中，保障核电厂的运行安全，属于安全核一级设备。
1.蒸汽发生器工作原理、分类、结构概述
1.1 蒸汽发生器的分类：1）按照二回路工作介质在蒸汽发生器中流动方式，可分为自然循环蒸汽发生器和直流（强迫循环）蒸汽发生器；2）按传热管形状，可分为U形管、直管、螺旋管蒸汽发生器；3）按设备的安放方式，可分为立式和卧式蒸汽发生器；4）按结构特点，有带预热器和不带预热器的蒸汽发生器。
1.2 压水堆U形管蒸汽发生器工作原理：从反应堆来的冷却剂由蒸汽发生器进口接管进入水室封头，流经U形管，在流经U形管时将热量交换传给二回路给水，最后通过出口水室、出口接管流回反应堆。
二回路给水由上筒体处的给水接管进入给水环，与汽水分离后的疏水混合后，由筒体和包壳之间的环形通道下降到底部，在U形管外空间加热并汽化后，进入初级分离器和次级分离器进行汽、水分离，分离后的饱和蒸汽由顶部出口送到汽轮机，分离后的水重新加入下次换热循环。
1.3 AP1000蒸汽发生器结构
AP1000蒸汽发生器采用2台典型的直立式带有一体化汽水分离器的U型管自然循环蒸汽发生器。AP1000 蒸汽发生器结构见图1
2.AP1000 蒸汽发生器的热工水力概述
2.1 AP1000热工水力分析背景
热工水力分析以热工和水力理论公式为基础，采用一维、三维等分析软件对稳态、瞬态工况下的蒸汽发生器的整体及部件进行分析。首先，热工水力计算关系到蒸汽发生器具体设计尺寸的确定；其次关系到后期结构评定的准确性；第三诸如AP1000压水堆蒸汽发生器中，二次侧的两相流动可明显地改变流动工作介质的流动、传热特性；传热管的腐蚀、破损、泄漏等均对蒸汽发生器的可靠性与安全性会造成很大影响，通过热工水力计算可优化结构设计，提高核电厂运行的安全性。
2.2 热工水力分析技术参数
2.2.1管壁热阻
传热管的导热热阻，大小受管子尺寸和材料影响，方向沿壁厚方向。蒸汽发生器传热管一般采用小直径的薄壁管。直径小利于一次传热，但缺点是增加了一次侧流动阻力。
2.2.2污垢热阻
污垢热阻是水中的杂质沉积在管壁上产生的热阻，大小受传热管材料和工作介质水的影响。工程计算中，在计算总传热系数时通常忽略污垢热阻的影响，在确定传热面积时，通过采用一个考虑污垢影响系数的方法来实现污垢热阻的影响。系数一般可取10%左右。
2.2.3自然循环和循环倍率
蒸汽发生器二次侧水进行循环的动力是水的自重，或者说是工作介质在下降段和上升段的密度差，而不是依靠泵的强制循环，所以叫自然循环。
循环倍率是自然循环蒸汽发生器的重要特性参数，表征通过管束二次侧循环流量是否充分的一种定性的度量。定义为在蒸汽发生器中每产生单位质量蒸汽所需的循环水质量。一般所设计的蒸汽发生器的循环倍率要使管束区出口处的蒸汽含量不超过20～25%。在额定功率下，循环倍率约为3.7～3.8。循环倍率的大小可以体现蒸汽发生器内的工况，决定管束的布置和大小，传热是否合理，是否引起集中的化学腐蚀。如循环倍率过低，蒸汽份额过大，增加阻尼及流致振动，对设备及其运行极为不利。如循环倍率过高，则蒸汽中的水分过大，如果超过汽水分离器分离水份的能力时，水滴可能随蒸汽一起进入高压缸，危及汽轮机叶片。
2.2.4二次侧蒸汽压力
从上部管束区域到蒸汽的出口管嘴排除的“干”蒸汽，蒸汽压力将直接影响热效率，影响电力输出，其特点是热交换迅速。
蒸汽发生器中与蒸汽压力产生的相关主要部件包括管束和管板、初级汽水分离器、次级汽水分离器、出口管嘴。管束沿管板布置，是产生蒸汽压力的关键部件，采用耐腐蚀材料，拥有好的传热效率，尽可能用最少量级的管束产生最大的热效率，但是其运行时产生污垢，影响蒸汽的产生，进而影响最终的蒸汽压力。初级分离器位于管束的上部排除了从管束区产生的非常大的水分，分离的水通过下水管继续循环使用，次级分离器在初级分离之上过滤最终形成干蒸汽，蒸汽出口管嘴包含了7个文丘里管，在蒸汽管线破裂的情况下可以减少蒸汽流速。其作用既可以限制蒸汽质量和能量又可以防止安全壳内蒸汽过多而超压，减少蒸发器内部部件的载荷。
2.2.6湿蒸汽携带率（MCO）
定义为用于汽轮机发电的蒸汽中液态水的含量，通常代表了蒸汽质量，产生的原因是蒸汽中始终存在的液滴，并且在压降过程中会有水的产生，正常MCO小于0.25，最优热工设计条件下为MCO为0.12。湿蒸汽携带率计算采用ATHOS，用于计算不同设计工况下蒸汽发生器的管束区的流场分布，计算结果将用于蒸汽发生器流弹性失稳，流致振动等结构评定。
2.2.7一次侧流阻
定义为是由一次侧回路产生的对流动的阻力。相关的主要部件包括一次进口接管、水室封头、管束、一次侧出口接管。一次侧流阻必须在压力容器安全性的范围内，其通过冷却泵控制，通过管路中的流阻响应控制，蒸汽发生器各个部件可接受的流阻为可以保证一次流通速率在可接受的范围，10%的流阻是一次侧流速可接受的极限值。
2.3 热工水力分析作用
2.3.1 性能预测
性能预测指在结构设计前期通过已知的蒸汽发生器几何结构和热工水力参数，计算蒸汽管嘴出口压力，蒸汽流量，循环倍率、一次侧和二次侧压降、一次侧和二次侧流体质量和体积、稳定性阻尼系数等热工水力参数的过程。在热工设计工况和最佳运行工况下以及无污垢和无堵管，有污垢和堵管率10%的状态下进行分析计算。
2.3.2 结构评定
热工水力参数通常作为结构评定的输入。如瞬态条件评定中，蒸汽发生器热工水力条件应在已计算出的设计基础瞬态条件下确定，设计基础瞬态条件下确定了二次侧压力，温度和传热系数的大小。再如管束流体仿真，是管束区域进行的三维数值模拟来确定详细的流场分布条件管束区的流场分布，计算结果将用于蒸汽发生器流弹性失稳，流致振动等结构评定。
3.总结
蒸汽发生器作为核电厂的关键换热设备，其尺寸大、结构复杂，运行状态直接关系着整个核电厂的安全。通过对AP1000蒸汽发生器热工水力分析的了解，可以更好地理解蒸汽发生器的运行机理。热工水力分析作为结构设计和结构评定之间的连接因素，对于核电工作人员掌握蒸汽发生器整体及各个部件的功能、作用，提高设计能力有着积极意义。
参考文献：
[1]《AP1000蒸汽发生器制造难点分析》，王培河，《设备制造》2010
[2]《核电厂蒸汽发生器设计中的安全问题》，丁训慎，《核安全》2005年第2期
[3]《非能动安全先进核电厂AP1000》，林诚格，2008
【关键词】蒸汽发生器：AP1000；热工水力
Abstract： The article describes the principle of operation， style and brief structure for steam generator， specially discusses the thermal-hydraulic background ， parameters and effects.
Key Words： Steam Generator， AP1000， Thermal-hydraulic
蒸汽发生器是压水堆核电厂一回路、二回路的枢纽，它将反应堆产生的热量通过热交换传递给蒸汽发生器二次侧，产生蒸汽推动汽轮机做功。蒸汽发生器又是分隔核岛和常规岛的压力边界，保证将放射性介质封闭在一回路中，保障核电厂的运行安全，属于安全核一级设备。
1.蒸汽发生器工作原理、分类、结构概述
1.1 蒸汽发生器的分类：1）按照二回路工作介质在蒸汽发生器中流动方式，可分为自然循环蒸汽发生器和直流（强迫循环）蒸汽发生器；2）按传热管形状，可分为U形管、直管、螺旋管蒸汽发生器；3）按设备的安放方式，可分为立式和卧式蒸汽发生器；4）按结构特点，有带预热器和不带预热器的蒸汽发生器。
1.2 压水堆U形管蒸汽发生器工作原理：从反应堆来的冷却剂由蒸汽发生器进口接管进入水室封头，流经U形管，在流经U形管时将热量交换传给二回路给水，最后通过出口水室、出口接管流回反应堆。
二回路给水由上筒体处的给水接管进入给水环，与汽水分离后的疏水混合后，由筒体和包壳之间的环形通道下降到底部，在U形管外空间加热并汽化后，进入初级分离器和次级分离器进行汽、水分离，分离后的饱和蒸汽由顶部出口送到汽轮机，分离后的水重新加入下次换热循环。
1.3 AP1000蒸汽发生器结构
AP1000蒸汽发生器采用2台典型的直立式带有一体化汽水分离器的U型管自然循环蒸汽发生器。AP1000 蒸汽发生器结构见图1
2.AP1000 蒸汽发生器的热工水力概述
2.1 AP1000热工水力分析背景
热工水力分析以热工和水力理论公式为基础，采用一维、三维等分析软件对稳态、瞬态工况下的蒸汽发生器的整体及部件进行分析。首先，热工水力计算关系到蒸汽发生器具体设计尺寸的确定；其次关系到后期结构评定的准确性；第三诸如AP1000压水堆蒸汽发生器中，二次侧的两相流动可明显地改变流动工作介质的流动、传热特性；传热管的腐蚀、破损、泄漏等均对蒸汽发生器的可靠性与安全性会造成很大影响，通过热工水力计算可优化结构设计，提高核电厂运行的安全性。
2.2 热工水力分析技术参数
2.2.1管壁热阻
传热管的导热热阻，大小受管子尺寸和材料影响，方向沿壁厚方向。蒸汽发生器传热管一般采用小直径的薄壁管。直径小利于一次传热，但缺点是增加了一次侧流动阻力。
2.2.2污垢热阻
污垢热阻是水中的杂质沉积在管壁上产生的热阻，大小受传热管材料和工作介质水的影响。工程计算中，在计算总传热系数时通常忽略污垢热阻的影响，在确定传热面积时，通过采用一个考虑污垢影响系数的方法来实现污垢热阻的影响。系数一般可取10%左右。
2.2.3自然循环和循环倍率
蒸汽发生器二次侧水进行循环的动力是水的自重，或者说是工作介质在下降段和上升段的密度差，而不是依靠泵的强制循环，所以叫自然循环。
循环倍率是自然循环蒸汽发生器的重要特性参数，表征通过管束二次侧循环流量是否充分的一种定性的度量。定义为在蒸汽发生器中每产生单位质量蒸汽所需的循环水质量。一般所设计的蒸汽发生器的循环倍率要使管束区出口处的蒸汽含量不超过20～25%。在额定功率下，循环倍率约为3.7～3.8。循环倍率的大小可以体现蒸汽发生器内的工况，决定管束的布置和大小，传热是否合理，是否引起集中的化学腐蚀。如循环倍率过低，蒸汽份额过大，增加阻尼及流致振动，对设备及其运行极为不利。如循环倍率过高，则蒸汽中的水分过大，如果超过汽水分离器分离水份的能力时，水滴可能随蒸汽一起进入高压缸，危及汽轮机叶片。
2.2.4二次侧蒸汽压力
从上部管束区域到蒸汽的出口管嘴排除的“干”蒸汽，蒸汽压力将直接影响热效率，影响电力输出，其特点是热交换迅速。
蒸汽发生器中与蒸汽压力产生的相关主要部件包括管束和管板、初级汽水分离器、次级汽水分离器、出口管嘴。管束沿管板布置，是产生蒸汽压力的关键部件，采用耐腐蚀材料，拥有好的传热效率，尽可能用最少量级的管束产生最大的热效率，但是其运行时产生污垢，影响蒸汽的产生，进而影响最终的蒸汽压力。初级分离器位于管束的上部排除了从管束区产生的非常大的水分，分离的水通过下水管继续循环使用，次级分离器在初级分离之上过滤最终形成干蒸汽，蒸汽出口管嘴包含了7个文丘里管，在蒸汽管线破裂的情况下可以减少蒸汽流速。其作用既可以限制蒸汽质量和能量又可以防止安全壳内蒸汽过多而超压，减少蒸发器内部部件的载荷。
2.2.6湿蒸汽携带率（MCO）
定义为用于汽轮机发电的蒸汽中液态水的含量，通常代表了蒸汽质量，产生的原因是蒸汽中始终存在的液滴，并且在压降过程中会有水的产生，正常MCO小于0.25，最优热工设计条件下为MCO为0.12。湿蒸汽携带率计算采用ATHOS，用于计算不同设计工况下蒸汽发生器的管束区的流场分布，计算结果将用于蒸汽发生器流弹性失稳，流致振动等结构评定。
2.2.7一次侧流阻
定义为是由一次侧回路产生的对流动的阻力。相关的主要部件包括一次进口接管、水室封头、管束、一次侧出口接管。一次侧流阻必须在压力容器安全性的范围内，其通过冷却泵控制，通过管路中的流阻响应控制，蒸汽发生器各个部件可接受的流阻为可以保证一次流通速率在可接受的范围，10%的流阻是一次侧流速可接受的极限值。
2.3 热工水力分析作用
2.3.1 性能预测
性能预测指在结构设计前期通过已知的蒸汽发生器几何结构和热工水力参数，计算蒸汽管嘴出口压力，蒸汽流量，循环倍率、一次侧和二次侧压降、一次侧和二次侧流体质量和体积、稳定性阻尼系数等热工水力参数的过程。在热工设计工况和最佳运行工况下以及无污垢和无堵管，有污垢和堵管率10%的状态下进行分析计算。
2.3.2 结构评定
热工水力参数通常作为结构评定的输入。如瞬态条件评定中，蒸汽发生器热工水力条件应在已计算出的设计基础瞬态条件下确定，设计基础瞬态条件下确定了二次侧压力，温度和传热系数的大小。再如管束流体仿真，是管束区域进行的三维数值模拟来确定详细的流场分布条件管束区的流场分布，计算结果将用于蒸汽发生器流弹性失稳，流致振动等结构评定。
3.总结
蒸汽发生器作为核电厂的关键换热设备，其尺寸大、结构复杂，运行状态直接关系着整个核电厂的安全。通过对AP1000蒸汽发生器热工水力分析的了解，可以更好地理解蒸汽发生器的运行机理。热工水力分析作为结构设计和结构评定之间的连接因素，对于核电工作人员掌握蒸汽发生器整体及各个部件的功能、作用，提高设计能力有着积极意义。
参考文献：
[1]《AP1000蒸汽发生器制造难点分析》，王培河，《设备制造》2010
[2]《核电厂蒸汽发生器设计中的安全问题》，丁训慎，《核安全》2005年第2期
[3]《非能动安全先进核电厂AP1000》，林诚格，2008