李宇，周涛，刘亮，方晓璐

（1.华北电力大学 核热工安全与标准化研究所，北京 102206；2.北京市非能动技术重点实验室，北京 102206）

0 引言

AP1000作为第三代压水堆的先进代表，在各相关系统的设计［1］上有诸多改进，蒸汽发生器是核电厂一、二回路换热的枢纽，改善其换热性能会很大程度提高整个核电厂的经济性。AP1000配置了2台Delta-125型［2］蒸汽发生器，该型蒸汽发生器的高可靠性是基于成熟的设计以及一系列的设计改进［3］，该设计参考了V.C.Summer及其他核电厂更换使用的Delta-75蒸汽发生器、South Texas核电厂更换使用的Delta-94型蒸汽发生器以及ANO核电厂和 Waterford核电厂等的相关设计。目前，AP1000蒸汽发生器的主要研究工作集中在国内，很少见到国外学者针对AP1000蒸汽发生器进行研究，这与AP1000首先在国内开工建设有关。西安交通大学丛腾龙等人［4］利用多孔介质模型对AP1000蒸汽发生器二次侧进行了模拟，得出了二次侧的三维速度、温度及压力等参数分布；三门核电有限公司毛昌森等人［5］通过比较不同版本超声波检测（UT）规程的检测方法和验收标准，发现了AP1000蒸汽发生器与主泵泵壳连接焊缝在工厂进行UT时显示缺陷超标的原因，并采用几个不同角度的UT探头进行复查，最终证明焊缝满足相关标准；东方电气公司王巍等人［6］对U形管换热器换热面积的计算方法进行了研究，并用AP1000的相关设计进行验证分析，验证了方法的正确性；华北电力大学刘亮等人［7］对比了AP1000与大亚湾核电蒸汽发生器在结构上的异同，并提出了AP1000存在的问题。综上所述，针对AP1000蒸汽发生器的研究主要集中在数值模拟以及工程实际安装、检测方面，较少有针对AP1000换热系数的研究，而换热系数作为评价换热器综合性能的重要指标，能够综合体现蒸汽发生器的一次侧对流换热强度、二次侧沸腾换热强度、管壁材料性能以及两侧工质的水化学处理工艺的先进性。对AP1000蒸汽发生器换热系数进行计算，并将其与大亚湾核电、秦山核电一期蒸汽发生器的相应参数进行对比，能够对AP1000蒸汽发生器进行评价，也可为AP1000的不断改进提供理论参考。

1 研究对象

AP1000蒸汽发生器一回路由2个环路组成，每个环路上配备1台蒸汽发生器，相比现有二代核电常见的3个环路布置方式，AP1000蒸汽发生器具有热容量大、结构紧凑的特点。AP1000、大亚湾核电以及秦山核电一期蒸汽发生器的相关设计参数［2-3，8］见表1。

2 计算模型

2.1 一次侧热阻

目前，核电蒸汽发生器多为立式U形管式换热器，其一次侧工质在U形圆管内流动，一次侧对流换热系数采用Dittus-Boelter公式进行计算［9］。

表1 AP1000、大亚湾核电及秦山核电一期蒸汽发生器设计参数

式中：Nu，Re，Pr分别为一次侧流体的努赛尔数、雷诺数和普朗特数；h1为一次侧对流换热系数，W／（m2· ℃）；λ为一次 侧工质的导热系数，W／（m·℃）；l为流动的特征长度，这里取圆管的内径，m。

一回路热阻

式中：R1为一回路热阻，（m2·℃）／W；d1，d2分别为圆管的内径和外径，m。

2.2 管壁热阻

管壁热阻指的是沿管子壁厚的导热热阻，其数值与管子材料和厚度有关。

式中：RW为管壁热阻，（m2·℃）／W；λw为管壁的导热系数，W／（m·℃）。

2.3 污垢热阻

污垢热阻是由于一回路及二回路流体存在杂质，流动过程中工质或杂质与堆内材料发生反应，形成覆盖在材料表面的薄膜，从而阻碍传热。目前，工程计算中污垢热阻多采用经验数据。

一回路水通常可保持很高的清洁度，因此一回路侧的污垢热阻可忽略不计。考虑到经济性，对二回路水质的要求不像对一回路那样严格，因而在传热管的二回路侧存在着一定程度的沾污。计算过程中，AP1000的污垢热阻［2］为 1.06×10-5（m2·℃）／W，大亚湾核电和秦山核电一期的污垢热阻［8］分别为0.88×10-5，4.30×10-5（m2·℃）／W。

2.4 二次侧沸腾换热热阻

对于二次侧工质在管间沸腾这一类型的计算，工程上大都采用大空间核态沸腾放热公式。而大容器饱和核态沸腾的试验关联式中最常用的是罗塞诺（Rohsenow）公式［5］，Rohsenow关联式化简后如下

式中：cp1为饱和液体的比定压热容，J／（kg·K）；cw1为取决于加热表面－液体组合情况的经验系数，对于水－不锈钢取0.013；η1为饱和液体的动力黏度，Pa·s；r为汽化潜热，J／kg；g为重力加速度，m／s2；ρ1，ρv分别为饱和液体和饱和蒸汽的密度，kg／m3；σ为液体 －蒸汽界面的表面张力，N／m；Pr1为饱和液体的普朗特数；Δt为壁面过热度，℃。

二次侧热阻

3 计算结果及分析

3.1 换热系数对比分析

根据表1及式（1）—（5），可以计算出AP1000、大亚湾核电和秦山核电一期蒸汽发生器的换热系数，计算结果见表2。

表2 换热系数对比 W／（m2·℃）

从表2可以看出：AP1000蒸汽发生器的换热系数为8978W／（m2·℃），比大亚湾核电的8145W／（m2·℃）以及秦山核电一期的5 582W／（m2·℃）都大，说明AP1000蒸汽发生器在换热性能方面确实有所改进；但同时也可以看出，AP1000蒸汽发生器的换热系数与大亚湾核电相比，优势并不是特别明显。由于秦山核电一期是我国自主设计的第1个核电站，各方面的设计经验不足且当时的制造工艺比较落后，使得秦山核电一期的蒸汽发生器的换热效率低于同时期的国外机组。

3.2 各部分热阻对比分析

根据式（1）—（5）可以计算得出3种蒸汽发生器一次侧热阻、管壁热阻、污垢热阻以及二回路热阻的阻值，具体结果见表3。

表3 各部分热阻对比 （m2·℃）／W

从表3可以看出：与大亚湾核电蒸汽发生器相比，AP1000各部分热阻并没有明显的变化，而且AP1000一回路热阻和污垢热阻均大于大亚湾核电的相应热阻；秦山核电一期的蒸汽发生器各部分的热阻均大于其他两者。

一回路热阻稍大的原因主要是AP1000蒸汽发生器的一次侧工质流速小于大亚湾核电，由表1中的相关数据可以计算得出，AP1000蒸汽发生器一次侧的流动截面积为1.876m2，进而计算得到一次侧工质流速为5.294m／s。同理，可以算出大亚湾核电蒸汽发生器一次侧工质流速为6.610m／s。工质流速会直接影响Re的大小，从式（1）可以看出，一次侧换热系数正比于Re的0.8次方，这也正是大亚湾核电蒸汽发生器一次侧热阻较小的主要原因。

一般认为污垢热阻主要发生在二次侧，且污垢热阻一般来源于电厂的经验值，在材料、工质种类都相同的条件下，出于设计保守性的考虑，AP1000蒸汽发生器污垢热阻取值与大亚湾核电相比略微偏大。

AP1000蒸汽发生器的二回路热阻为0.25×10-5（m2·℃）／W，明显小于大亚湾核电的1.70×10-5（m2·℃）／W，是4组热阻对比中相差最多的，也是AP1000蒸汽发生器优势最明显的一部分，其差异主要是由二次侧蒸汽压力造成的。由表1可知：AP1000蒸汽发生器二次侧工作压力为5.8MPa，对应的饱和蒸汽温度为273.4℃；而大亚湾核电蒸汽发生器二次侧的工作压力则为6.7MPa，对应的饱和蒸汽温度为282.9℃。二者的饱和蒸汽温度相差近10℃，在一次侧以及壁面温度相差不大的情况下，AP1000蒸汽发生器具有更大的壁面过热度Δt。由式（4）可知，二次侧换热系数正比于 Δt的二次方，所以AP1000蒸汽发生器具有更大的二次侧换热系数，即更小的二次侧热阻。

同理，秦山核电一期蒸汽发生器各部分热阻较大的原因为：首先，一回路采用了较小的工质流速，导致一次侧换热系数较小；其次，秦山核电一期管壁材料采用因科镍800，该型号材料强度不如因科镍690，所以在相同的外力条件下，秦山核电一期蒸汽发生器的管壁就要加厚，由此加大了管壁的热阻；最后，差异最大的还是污垢热阻，一、二次侧工质化学处理以及工质与管壁的相互作用，使得其污垢热阻明显偏大，并最终影响了整体的换热特性。

3.3 热阻所占比值分析

各部分热阻在总热阻中所占的比值见表4。

表4 各部分热阻在总热阻中所占的比值 %

由表4可以看出，在4部分热阻中，管壁热阻所占的比值是最大的，为50%左右，而二回路热阻所占的比值最小。所以，就蒸汽发生器换热性能的改善而言，最行之有效的方法是减小管壁热阻。由式（3）可知，管壁热阻与管壁的导热系数和管壁的厚度成反比，所以在材料强度允许的条件下，寻找导热性能更好的管壁材料并尽可能减小壁厚，可以有效提高蒸汽发生器的换热性能。目前，绝大多数新建核电站都采用690（TT）合金，该材料能够兼顾物理特性以及传热特性的要求，而AP1000蒸汽发生器（1.02mm）就采用了比大亚湾核电（1.09mm）更小的壁厚。

4 结论

通过对AP1000和大亚湾核电、秦山核电一期蒸汽发生器进行换热计算，得到各自的换热系数以及各部分热阻，并将计算结果进行对比，得出各自的换热特性。

（1）AP1000蒸汽发生器换热系数为 8 978 W／（m2·℃），略大于大亚湾核电，远大于秦山核电一期。

（2）AP1000蒸汽发生器一回路热阻比大亚湾核电的稍大，二回路热阻小于大亚湾核电。

（3）一回路热阻、管壁热阻、污垢热阻以及二回路热阻4部分热阻中，管壁热阻占总热阻的50%左右，所以减小管壁热阻可以有效提高蒸汽发生器的换热性能。

［1］孙汉虹.第三代核电技术AP1000［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］CONDRAC R F，WASZINK R P，PANKIEWICZ-NOHR C G，et al.The delta 125 steam generator design for the AP1000［C］／／Proceedings of the 2004 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants.La Grange Park：American Nuclear Society，2004.

［3］周涛.压水堆核电厂系统与设备［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［4］CONG T，TIAN W，QIU S，et al.Study on secondary side flow field of steam generator with coupled heat transfer from primary to secondary side［J］.Applied Thermal Engineering，2013，61（2）：519-530.

［5］毛昌森，陈富彬.AP1000蒸汽发生器与主泵泵壳焊接接头无损检测问题分析［J］.核动力工程，2013，34（6）：143-147.

［6］王巍.AP1000蒸汽发生器换热面积计算探讨［J］.东方电气评论，2013，27（4）：53-55，74.

［7］刘亮，周涛，宋明强.AP1000与大亚湾核电站蒸汽发生器的对比与分析［J］.华东电力，2013（2）：417-419.

［8］广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备［M］.北京：原子能出版社，2007.

［9］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006.