華龍一號ZH-65型蒸汽發生器設計研發與性能驗證

何戈寧，張富源，李冬慧，吳 舸，胡 彧，魯 佳

(中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610041)

0 引言

蒸汽發生器(SG)是核電站最重要的主設備之一[1-2]。長期以來，大型核電站SG的設計技術及知識產權由美國、法國等國外少數幾家設計公司壟斷，在ZH-65型SG研發完成前，國內所有在役的百萬千瓦級以上大型核電站SG均為國外型號。華龍一號是我國自主研發的、擁有完全自主知識產權的第三代壓水堆核電機組[3-4]，自主開發出適用于華龍一號機組的SG，是華龍一號機組走出國門的關鍵。

從2010年開始，中國核動力研究設計院歷時7年，完成了中國首型具有完全自主知識產權的第三代核電蒸汽發生器，并首次完成了蒸汽發生器各關鍵部件及綜合系統性能的全面性能試驗[5]。

1 ZH-65 型蒸汽發生器簡介

ZH-65型SG是典型的立式自然循環蒸汽發生器，其總體結構如圖1所示，主要參數見表1。

ZH-65型SG由兩部分組成：一次側部分主要包括水室封頭、管板、換熱管管束；二次側部分主要包括二次側承壓殼體以及二次側承壓殼體內設置的管束套筒、管束支承組件(包括換熱管支承板、定距螺桿、防振條等)、給水組件、兩級汽水分離裝置(包括汽水分離器和干燥器)等。

圖1 ZH-65型蒸汽發生器結構示意

表1 ZH-65型蒸汽發生器主要參數

2 ZH-65 型蒸汽發生器設計改進及與國內外同類技術比較

2.1 ZH-65型蒸汽發生器設計改進

相比二代改進型電廠SG，ZH-65型SG實現了以下方面的技術改進。

(1)按當時最新的設計規范：RCC-M規范2007年版設計，保證了設計的安全性和先進性。

(2)采用直徑較小的換熱管，并采用正三角形方式排布換熱管。在SG整體尺寸、重量相對二代改進型電廠SG基本不變的情況下，總換熱面積增加了近20%，使結構更加緊湊，有效地增加了蒸汽發生器的出口蒸汽壓力和功率重量比。

(3)合理地改進了換熱管和主鍛件的技術要求。如采取多項技術措施，提高了換熱管內渦流檢測信噪比指標，渦流檢測信號峰-峰值(Vpp)比值從規范要求的大于7提高至大于13，從而提高了換熱管在役檢查的可檢測性；增加了主鍛件的斷裂韌性要求，提高了設備的安全性等。

(4)換熱管支承板的管孔采用創新設計的三葉梅花孔(見圖2)，其具有較小的流動阻力，使腐蝕產物不易在換熱管支承板上堆積；加強了換熱管U形彎曲段支承，將換熱管發生流致振動破壞的可能性降至最小[6]。

圖2 換熱管支承板的管孔結構示意

(5)對汽水分離裝置的設計進行優化。其中，干燥器采用創新設計的雙鉤型波形板(見圖3)，使汽水分離性能有了較大的提升。

圖3 干燥器波形板結構示意

(6)設計了新型的SG的支承結構。上水平支承采用了銷軸結構的“零間隙”支承設計，該設計可以有效地增強設備抗地震的能力[7]。

(7)在最頂層換熱管支承板的位置增設了檢查孔，提高了設備的可檢測性。

(8)采用傾斜向上的給水母管，改進了給水環支承結構，可有效避免水錘、熱分層等不利情況的發生。

(9)采取多方面措施提高了SG 的抗震能力，對極限地震動SL-2的設計基準由二代改進型電廠的0.2g提高至0.3g。

(10)采取多種措施(如優化結構設計、提高材料性能、合理考慮堵管裕量等)，提高了SG的固有可靠性和設計壽命(60 a)。

2.2 與國內外同類技術比較

ZH-65型SG與國內二代改進型電廠SG(55/19B型)、國外第三代核電SG(△125型)[8]性能參數比較見表2。

表2 蒸汽發生器性能參數比較

通過對比可以看出，與國內現役的二代改進型電廠SG相比，ZH-65各項性能全面領先，體現了“代差”的優勢。作為國內首型自主第三代核電SG，ZH-65型SG的各關鍵性能指標完全達到國外第三代核電SG的同等水平。

3 ZH-65 型蒸汽發生器性能設計驗證試驗

ZH-65 型SG相比國內二代改進型電廠SG進行了多項技術改進，這些結構的改進若不能得到充分的設計驗證，可能影響SG 的工作性能以及核電站的安全性。雖然開展了大量的計算分析工作，表明這些改進滿足設計要求，但考慮到以下因素，對ZH-65 型SG的關鍵部件性能以及綜合性能仍開展了全面的性能驗證試驗。

(1)根據我國核安全法規要求，新的設計、設施或實踐必須在使用前經過充分的驗證，以確認達到了預期效果。

(2)蒸汽發生器二次側為汽、液兩相流動，現有分析技術對兩相流流場的計算精度有限，需要進行設計驗證試驗，獲得相關關鍵參數。

(3)蒸汽發生器管束流致振動與核安全直接相關，但引起管束流致振動的機理復雜，影響因素眾多，需要進行設計驗證試驗，以確保設計的安全性。

(4)開發了國內首個蒸汽發生器設計軟件包，需要通過設計驗證試驗，對軟件進行驗證。

ZH-65 型SG的性能驗證分為4項設計驗證試驗，具體如下。

3.1 管子支承板水力特性試驗

試驗分為冷態選型試驗和熱態性能試驗兩部分。該試驗是國內首次針對蒸汽發生器換熱管支承板進行的大型熱工水力試驗。

冷態選型試驗目的是對5種不同結構的換熱管支承板管孔進行試驗比較，確定較優的三葉梅花形管孔結構。

熱態試驗目的是在模擬SG運行的高溫高壓兩相流工況下，測定三葉梅花形管孔的兩相局部阻力系數以驗證設計，并為熱工水力計算分析提供輸入[9-10]。熱態試驗結果表明，新型三葉梅花形管孔管子支承板水力特性與設計預期符合良好，相比二代改進型電廠SG，ZH-65型SG所采用的新型三葉梅花形管孔管子支承板局部阻力有大幅降低(見圖4)，能有效降低腐蝕產物在換熱管支承板處聚積的風險。

圖4 管子支承板水力特性試驗結果

3.2 汽水分離裝置性能試驗

該試驗分為干燥器疏水能力試驗和汽水分離裝置熱態性能考核試驗兩部分。

干燥器疏水能力試驗表明，即使在最惡劣的工況下，ZH-65型SG的干燥器疏水能力可以滿足疏水要求，且有非常大的裕量。

汽水分離裝置熱態性能考核試驗是當時國內規模最大的蒸汽發生器汽水分離裝置兩相流熱態性能考核試驗。試驗目的是在模擬SG運行的高溫高壓兩相流工況下，測定汽水分離器和干燥器的分離特性以及水力特性，驗證設計指標并為熱工水力計算分析提供輸入。

從圖5可以看出，當功率負荷為120%時，汽水分離器分離效率與功率負荷100%時基本相同，分離效率均在99%以上，華龍一號SG汽水分離器具有較大的設計裕度[11]。

圖5 汽水分離器試驗結果

在干燥器入口進一步人為增加濕度，完成了汽水分離裝置性能的最終驗證。試驗結果表明，在包括超負荷工況的各種工況下，ZH-65型SG汽水分離裝置出口蒸汽濕度均遠小于0.1%的設計指標要求。

3.3 換熱管束流致振動試驗

試驗分為動態特性試驗、入口段直管流致振動試驗、U形管流致振動試驗三部分。該試驗是國內首次系統性地針對蒸汽發生器換熱管束進行的流致振動大型水力試驗[12]。

(1)動態特性試驗。

動態特性試驗的目的是獲得換熱管束的固有頻率和振型，為換熱管流致振動響應分析評價提供依據。

(2)入口段直管流致振動試驗。

入口段直管流致振動試驗聚焦管板二次側附近的換熱管直管段，SG二次側流體在管束套筒開口處轉向進入換熱管束區，并在該處形成橫掠管束流動。試驗結果表明，ZH-65型SG管束在該區域的振動響應很小，無流致振動破壞風險。

(3)U形管流致振動試驗。

U形管流致振動試驗聚焦換熱管束的彎管區，該區域通常被認為是SG流致振動風險最大的區域。試驗結果表明，ZH-65型SG管束無漩渦脫落、流彈失穩等流致振動破壞的風險。

3.4 綜合性能試驗

在各關鍵部件完成單項設計驗證試驗后，還需要開展綜合性能試驗研究，以驗證經優化定型后的各部件在組合運行時的性能，同時驗證蒸汽發生器的二次側自然循環性能、蒸汽參數等綜合性能。

為了準確地獲得循環倍率、蒸汽壓力等參數，試驗采用與ZH-65型SG等高的試驗模擬體(約21 m，直徑方向進行?；s比)，在亞洲最大的蒸汽發生器專用高溫高壓熱工水力試驗回路上開展試驗[13]。

SG出口蒸汽壓力試驗結果如圖6(a)所示，SG出口蒸汽流量的試驗結果如圖6(b)所示。濕度測量結果表明，蒸汽濕度遠小于0.1%。

(a)出口蒸汽壓力

試驗結果表明，ZH-65型SG各項指標完全達到要求，設計和性能試驗結果符合良好。

4 結語

ZH-65型SG是國內首型具有完全自主知識產權的第三代核電蒸汽發生器。該型SG采用了多項創新技術，性能達到了國外第三代核電SG的同等水平。針對該型SG的重要改進及SG的綜合性能進行了全面的試驗驗證，確保了該型SG的性能。