《核电厂蒸汽发生器热力性能监督与评估技术导则》-（征求意见稿）

3T/CNEAXXXX—XXXX核电厂蒸汽发生器热力性能监督与评估技术导则本标准主要用于指导压水堆核电厂立式自然循环蒸汽发生器热力性能监督及评估，重点包括二次侧主蒸汽压力修正计算、沉积物计算、传热热阻计算、梅花孔堵塞情况评估和状态指标评估等。本标准适用于压水堆核电厂立式自然循环蒸汽发生器运行期间的热力性能监督及评估。2规范性引用文件下列文件对于本《导则》的应用是必不可少的，凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本《导则》。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本《导则》。NB/T20315压水堆核电厂蒸汽发生器设计制造规范NB/T20222压水堆核电厂蒸汽发生器老化指南NB/T20244压水堆核电厂蒸汽发生器传热管堵管导则NB/T20046压水堆核电厂蒸汽发生器安装及验收技术规程NB/T20464核电厂蒸汽发生器传热管在役氦泄漏检测3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1沉积物(Deposit)二回路流动加速腐蚀的产物和二回路携带来的杂质在蒸汽发生器中不断富集，通常在管板上沉积称为泥渣(Sludge)。在管束上沉积称为结垢（Scale)，或称之为污垢（fouling）。本文件统一称之为沉积物(Deposit)。3.2传热热阻（heattransferresistance）蒸汽发生器传热热阻为一回路传热热阻、二回路传热热阻、管壁导热热阻和污垢热阻四部分热阻的代数和。传热热阻的倒数为传热系数。3.3梅花孔堵塞率（Plumholepluggingrate）梅花孔中泥渣堵塞面积与设计制造的通流面积的百分比率。3.4状态指标（stateindex）将蒸汽发生器热力性能降低的程度，用百分数的形式呈现，结合不同的状态区间，以监测和评估蒸汽发生器的运行状态。4T/CNEAXXXX—XXXX4监督和评估目的通过对蒸汽发生器热力性能参数的监督和评估，分析蒸汽发生器当前的热力性能状态，预测蒸汽发生器热力性能变化趋势，为后续相关治理措施提供建议参考。5热力性能监督和评估方法5.1热力性能监督指标蒸汽发生器热力性能的参数分成两类：一类是可以直接测量得到的热力参数，称为征兆参数。如二次侧主蒸汽压力、一回路冷腿温度、一回路热腿温度、给水温度等。另一类是不可测量的，需要综合计算得到，代表着部件的某一类特性，称为特征参数。如传热热阻、梅花孔堵塞率、状态指标等。征兆参数数据的收集和统计能反映蒸汽发生器热力性能的变化趋势，特征参数可作为蒸汽发生器热力性能诊断评估的重要依据。5.1.1.征兆参数监督蒸汽发生器征兆参数监督内容主要包括一回路冷腿温度、一回路热腿温度、蒸汽发生器宽量程水位、二回路主蒸汽压力、热功率、汽轮机高压缸调节阀开度、给水中铁浓度、排污水中铁浓度、给水温度和给水流量十个监督指标。给水中铁浓度和排污水中铁浓度由核电厂化学部门提供。其它参数可以由核电厂数据采集系统中在线获取，监督数据采集期间，机组应处于满功率运行状态，反应堆热功率取99.5%Pn以上，期间机组状态稳定，无其它影响蒸汽发生器水位变化和机组热力性能变化的操作，宜取20分钟的数据平均值。5.1.2.特征参数监督蒸汽发生器特征参数监督主要包括修正后主蒸汽压力、管束上沉积物质量、传热热阻、梅花孔堵塞情况和状态指标五个监督指标。特征参数由征兆参数结合相关模型计算得到，计算过程可参照热力性能评估章节和附录资料。5.1.3.监督周期建议核电厂每周开展一次征兆参数的收集和统计监督工作，每循环开展一次特征参数的监督和评估工作。如果核电厂蒸汽发生器管理大纲另有规定，可按照大纲文件执行。5.2热力性能评估5.2.1修正后主蒸汽压力二回路主蒸汽压力与反应堆热功率、一回路平均温度、一回路流量、给水温度、堵管率、二次侧结垢、一次侧结垢、汽水分离器结垢等多种因素有关，宜进行参数修正。本文件推荐在机组满功率稳定运行条件下进行主蒸汽压力等数据采集，仅修正一回路平均温度对主蒸汽压力的影响。5.2.2管束上沉积物质量核电厂二回路产生的腐蚀产物随给水被输送到蒸汽发生器二次侧。沉积物在蒸汽发生器二次侧保持悬浮状态或者逐渐沉积在管板、支撑板或传热管表面，也可通过排污系统或泥渣收集器去除。沉积物质量、厚度及分布可通过机组大修期间的视频检查、水力清洗、涡流检测、化学清洗等方法进行估算。本5T/CNEAXXXX—XXXX文件采用机组运行期间的给水中铁浓度、排污铁浓度、给水流量等征兆数据累计估算迁移到蒸汽发生器二次侧的沉积物质量。尽管各核电厂之间的差异可能很大，但蒸汽发生器内沉积物分布大致如下：排污约占15%，管板约占10%，支撑板约占5%，传热管表面占70%。Fe3O4通常占沉积物质量的90%左右，其余部分是溶解铁、小于0.45um的胶体铁以及其它溶解性物质。根据经验统计的沉积物密度，计算得到传热管表面沉积物厚度。5.2.3传热热阻蒸汽发生器总体传热系数K可按公式(1)计算：式中：K——蒸汽发生器总体传热系数，W/(m2·K)；Q——一次侧传到二次侧的热功率，W;A——蒸汽发生器的换热面积，m2；Δtm——传热管的对数平均温差，℃。蒸汽发生器传热管的对数平均温差Δtm可按公式(2)计算：式中：Δtm——传热管的对数平均温差，℃;Δtmax——一次侧和二次侧两侧的最大温差，℃;Δtmin——一次侧和二次侧两侧的最小温差，℃。二次侧污垢热阻变化量ΔRF可按公式(3)计算：ΔRF=式中：ΔRF——污垢热阻变化量，(m2·K)/K0——设计传热系数或商业运行初期的实际传热系数，W/(m2·K)。蒸汽发生器设计过程中，通常根据四层热阻模型计算蒸汽发生器的传热系数K0，可按公式(4)计算：6T/CNEAXXXX—XXXX式中：α1——传热管管内对流传热系数，W/(m2·K)；α2——传热管管外大空间沸腾传热系数，W/(m2·K)；Rw——传热管管壁平均温度下的导热热阻，(m2·K)/W；RF——传热管管外设计污垢热阻，(m2·K)/W，通常可取8.8×106(m2·K)/W；Di——传热管内径，m；Do——传热管外径，m；De——传热管当量直径，m。5.2.4梅花孔堵塞情况蒸汽发生器二次侧沉积在梅花孔中不断富集后，引起流通面积减少，上升通道的流动阻力增加，循环倍率降低。当梅花孔堵塞率达到一定阈值后，蒸汽发生器水位将发生周期性震荡，局部流速增加引发的流致振动导致传热管疲劳降质，循环倍率降低引起热效率也将降低，从而影响核电厂安全经济运行，需主动对梅花孔堵塞率进行监督和评估。通常采用三种方法来评估：在大修期间利用摄像头进行目视检查评估；在大修期间基于涡流检测方法间接评估；在日常运行期间基于蒸汽发生器宽量程水位进行间接评估；本文件采用宽量程水位变化情况对梅花孔堵塞情况进行监督和评估。如宽量程水位与商运初期水位值相比，变化率超过2%，如公式(5)所示，则反应梅花孔堵塞率可能达到20-30%的水平，应引起核电厂的关注，宜在大修期间对顶层支撑板的梅花孔进行视频检查确认，针对性制定水力清洗或软化学清洗等措施。式中：∆W——宽量程水位变化率，%；W——当前满功率状态时宽量程水位值，m；W0——商运初期满功率状态时宽量程水位值，m。5.2.5状态指标核电厂汽轮机主蒸汽调节阀多采用节流控制方式进行机组功率控制。蒸汽发生器与汽轮机的设计匹配上存在一定的裕度。在裕度范围内，主蒸汽压力降低，对机组出力影响较小，即卡诺循环效率的降低带来的损失，可以通过减少主蒸汽调节阀阀门节流损失进行弥补。一旦主蒸汽压力降低过大，汽轮机调节阀全开(VWO)，则主蒸汽压力降低的损失将给机组出力带来较大影响。根据核电厂蒸汽发生器的实际运行参数和设计参数，利用蒸汽发生器四层热阻传热模型得到蒸汽发生器出口理论蒸汽压力，这代表了蒸汽发生器在没有污垢情况下的最佳传热性能；理论最佳蒸汽压力减去实际蒸汽压力，反映了蒸汽发生器因沉积物在传热管沉积带来的压力(传热)损失。压力损失比上最大设计压损，可得到蒸汽发生器传热性能降低对汽轮机出力的影响程度；该计算模型，将蒸汽发生器与二回路汽轮机出力能力的评价联系起来，将蒸汽发生器热力性能降低的程度，用量化的百分数形式统一呈7T/CNEAXXXX—XXXX现，并结合汽轮机主蒸汽调节阀开度限值的实际运行现状，提出不同的量化区间，以监测和评估蒸汽发生器的运行状态。该评价指标可称为状态指标。8数，结合蒸汽发生器传热模型，参照流程图A.1进行汽压力土度，饱和温利用传热方△tm2)/△tm1<0.迭代结束，计算下压力修正计算结束9注：以热工设计工况数据为基准，0堵管，0污垢T/CNEAXXXX—XXXX(资料性附录)管束上沉积物质量每个取样周期内悬浮铁的迁移量可以通过该取样周期内给水悬浮铁浓度和给水流量计算。每个采样周期内进入单台蒸汽发生器的铁氧化物累计量计算采用公式(B.1)进行计算：M主给水=(C主给水×F主给水×∆T/1000)×1.38（B.1）式中:M主给水——主给水进入单台蒸汽发生器的铁氧化物累计(以Fe3O4计)，g；C主给水——主给水悬浮铁浓度(以Fe计)，ug/kg，ppb；F主给水——目标SG在取样时段内的主给水流量，t/h；ΔT——ARE悬浮铁取样累积时长，h；1.38——转化系数，单质铁转化成Fe3O4的转化系数，(56×3+16×4)/(56×3)=1.38。每个采样周期内计算单台蒸汽发生器排污移除的铁氧化物累积量采用公式(B.2)进行计算。M排污=(C排污×F排污×∆T/1000)×1.38（B.2）式中:M排污——APG排出单台蒸汽发生器的铁氧化物累计(以Fe3O4计)，g；C排污——APG悬浮铁浓度(以Fe计)，ug/kg,ppb；F排污——取样时段内的1个SG总的排污流量，t/h；一个燃料循环内，单台蒸汽发生器腐蚀产物累积量M循环的计算公式(B.3)所示：M循环=M给水−M排污−M泥渣（B.3）式中:M泥渣——一个燃料循环结束后单台蒸汽发生器二次侧压力冲洗收集的淤渣净重(以Fe3O4计)，g；蒸汽发生器内部腐蚀量M内部占M循环质量的10%，其余杂质含量占M循环质量的2%。一个循环中蒸汽发生器中总的沉积物质量M循环总如公式(B.4)所示。M循环总=M循环+M内部+M杂质（B.4）式中:M循环总——一个燃料循环结束后单台蒸汽发生器沉积物总重(以Fe3O4计)，g；M内部——一个燃料循环结束后单台蒸汽发生器内部腐蚀产生的沉积物总重(以Fe3O4计)，g；T/CNEAXXXX—XXXXM杂质——一个燃料循环结束后单台蒸汽发生器中累计的杂质总重(以Fe3O4计)，g。(资料性附录)传热热阻一次侧冷却剂对U形管壁的对流传热，一般属于单相介质在管内强迫对流湍流放热，Dittus-Boelter(迪图斯-贝尔特)公式(C.1)应用最为广泛。α1=λNu/di（C.1）式中:λ——冷却剂热导率，W/m2·K；di——传热管内径，m；Nu——努赛尔数。Nu努塞尔数采用(C.2)公式进行计算：(C.2)Nu=0.023Re0.8Pr0.4(C.2)式中:Re——传热管内流体的雷诺数；Pr——传热管内流体的普朗特数。二次侧沸腾传热通常采用Jens-Lottes(詹斯-洛特斯)(C.3)公式。∆sat=tw−ts=0.7920370.25（C.3）式中:ΔT——放热温差，℃;tw——壁面温度，℃;ts——水的饱和温度，℃;q——热流密度，MW/m2。α2采用(C.4)公式和(C.3)公式进行迭代计算：α2=（C.4）管壁导热热阻采用公式(C.5)计算：T/CNEAXXXX—XXXXRw=2ln（C.5）式中：λw——传热管材料的热导率，W/m2·K。di——传热管内径，m；do——传热管外径，m；de——传热管当量直径，m。对于Inconel-690，其导热系数随温度的变化见表C.6所示。表C.6Inconel-690导热系数随温度的变化温度℃200300400500导热系数W/(m·K)21考虑污垢热阻是为了加大蒸汽发生器二次侧的传热面积，以补偿存在于传热管表面的污垢对传热的影响，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，二回路水质的要求不像对一回路水那样严格，因而在传热管二回路侧存在一定程度的污垢。CPR1000机组55/19型蒸发器推荐的为88×10-7m2·K/W。AP1000设计推荐的污垢热阻值为193.89×10-7m2·K/W，本文件推荐的污垢热阻为88×10-7m2·K/W。蒸汽发生器状态指标参照流程图E.1进行计算。蒸汽发生器状蒸汽发生器状态指标计算温度、蒸汽压力P、热功率求得SG传热能力：管内传热系数、管外传热系数、管壁导热系数SG和汽轮机的匹配裕度状态指标n=(Pmax-P)/△P良好(加强关