毕业设计（论文）-核电蒸汽发生器泄露事故原因分析.doc

沈阳工程学院 毕业设计论文 毕业设计题毕业设计题目：目： 核核电电蒸汽蒸汽发发生器泄露事故原因分析生器泄露事故原因分析 单 位 能源与动力工程系 班级 热动 072 学生姓名 学号 指导教师 职称 副 教 授 毕业设计进行地点： b 座 225 任 务 下 达 时 间： 起止日期:2010 年 3 月 8 日起至 2010 年 6 月 日止 教研室主任 年 月 日批准 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 ii 页 共 42 页 目 录 摘 要 ii abstract .iii 第 1 章 绪 论.1 1.1 本论文的背景和意义1 1.2 核电站发展与现状2 1.2.1 世界能源概况2 1.2.2 世界核电发展历程4 1.2.3 中国核电发展进程4 1.2.4 发展核电的重要意义.7 1.3 本论文的主要内容9 第 2 章 核电站.10 2.1 核电站工作原理及系统组成10 2.2 压水堆核电站11 2.1.1 压水堆得基本构成12 第 3 章 压水堆蒸气发生器的工作原理和结构设计.14 3.1 蒸气发生器的概述.14 3.1.1 蒸汽发生器的作用及设计考虑.14 3.1.2 蒸汽发生器设备的描述15 3.1.3 蒸汽发生器的基本技术要求.16 3.2 蒸汽发生器的分类.17 3.2.1 立式 u 形管自然循环蒸汽发生器.17 3.2.2 卧式自然循环蒸汽发生器.20 3.2.3 直流式蒸汽发生器.20 3.3 蒸发器水位调节.20 3.4 蒸汽发生器排污系统.22 3.4.1 功能22 3.4.2 系统描述23 3.4.3 系统运行26 第 4 章 蒸发器传热管的腐蚀及防护.28 4.1 传热管破坏的种类及原因.28 4.1.1 应力腐蚀28 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 iii 页 共 42 页 4.1.2 晶间腐蚀与晶间应力腐蚀（iga/igscc).29 4.1.3 耗蚀29 4.1.4 凹痕30 4.1.5 点蚀30 4.1.6 高周疲劳31 4.1.7 微震磨损和机械磨损31 4.2 防止传热管破损的主要措施.32 4.2.1 传热管材料32 4.2.2 结构设计33 4.2.3 水质控制34 结 论.35 致 谢.36 参考文献.37 附 录 1 标题.38 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 1 页 共 42 页 第 1 章 绪 论 1.1 本论文的背景和意义 从 20 世纪 40 年代第一座核反个应堆问世以来，核能的开发利用进入了一个崭 新的阶段。早期的核反应堆主要用在军事上，例如上世纪 40 年代至 50 年代初，美 国建造的主要是生产堆，为原子弹生产所需要的钚。由于核动力作为水下动力源有 其特殊的优势，美国在第二次世界大战后，集中研究力量开发潜艇核动力技术，于 1955 年建造了世纪上第一艘核潜艇。1954 年，前苏联奥布宁斯克 5000kw 试验核电 站建成；1956 年底，美国在潜艇压水堆技术的基础杀个建成了 60mw 西平港压水堆 核电站。在此期间，前苏联于 1959 年建成了核动力破冰船合核潜艇；1964 年建成 了别罗雅克一号 100mw 石墨沸水堆核电站。在 20 世纪 60 年代以后，由于世界局势 的缓和，以及工业的快速发展，核反应堆的研究合使用主要集中在和平利用上，即 用在核动力放电上，因此 20 世纪六七十年代时核电站反应堆大力发展的时期，从此 人类进入了一个和平利用核能的新纪元。此后，核电站在全世界范围内有了相当规 模的发展。随着核电站数量的增多和适用范围的扩大，核反应技术也日臻成熟。 随着工业技术的飞速发展和人类文明的进步，地球上有限的化石能源在加速地 耗费。据预言家们估计，化石燃料可能在今后的几个世纪内被消耗殆尽。除这些化 石燃料外，自然界里还有核能、风能、谁能、太阳能、地热和潮汐能等。在这些能 源当中，核能是目前比较成熟并已在工业上大规模应用的新型。核能不仅有单位体 积能量大的优点，而且资源丰富，据初步估计，地球上已勘探到的铀矿和钍矿资源 其能量相当于有机燃料的 20 倍。 核动力反应堆使用的一个重要领域是船用核动力，包括潜艇和动力和航空母舰 的核动力。因为和动力具有不依赖空气工作的特点，它作为水下潜艇和潜器的动力 有其特殊的优点，所以核反应出世以来较早的是被用在核潜艇上。核潜艇与常规潜 艇相比具有水下续航力强、噪声小和可靠想好等突出优点，因此世界上的几个核大 国都相继建造了大批的核潜艇。由于核能的单位体积释放量大、使用时间长，所以 对于功率大、燃料消耗多的航空母舰也是一种很理想的动力源。根据原子的核裂变 产生的能量计算，1kg 完全裂变所产生的能量大约相当于 2800t 标准煤完全燃u 235 烧，或 2100t 燃油完全燃烧所产生的能量值。因此在大型航空母舰上用核动力取代 常规动力可以大大减少燃料的携带量，提高舰艇的续航能力。目前，美国、俄罗斯 等国新建的大型航空母舰主要以核动力为主。从国防的战略发展看，核动力潜艇是 一个国家的重要战略武器，在强权政治、霸权横行主义的当今世界里，是实现二次 核打击、保卫国家安全的重要装备。为此，世界几个核大国竞相在核动力舰船的研 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 2 页 共 42 页 究和建造方面投入人力和财力，不断研究出一些新型的核潜艇和核动力水面舰艇。 核动力反应堆应用的另一个重要领域是核电站，自第一座核电站问世以来的近 50 年里，核电站的发展速度很快，目前全世界 31 个国家和地区有 438 座核电站在 运行，核电站已积累了 5000 多堆年的运行经验。从总的发展趋势来看，在今后的 30-50 年内，还会有更多的国家和地区建造核电站，核电站的发电总量将达到世界 总发电总量的 35%以上。核电站多年的运行经验证明，核电是一种清洁、经济、安 全的能源。核电站在工作过程中不会向大气排放和等有害气体，可以避免 2 so 2 co 产生温室效应，如果全部用核能代替化石燃料发电，可以改善大气污染问题。由于 核电技术不断完善，很多部件都采用了标准化生产，因此其成本和造价随之降低。 在核电站发展的初期阶段，人们就比较重视核电站的安全问题，从而也促使工程技 术人员在核电站的设计和建造过程中始终对安全问题十分重视。尽管在核电站的运 行和使用过程中也出现过三哩岛事故、切尔诺贝利核电站事故等重大事故，但相对 于世界上有这么多的核电站在运行，核电站事故出现的概率还是很小的。随着核电 站运行经验的不断积累，安全措施会越来越成熟，将来的核电站一定会越来越安全， 越来越便于操作和使用。 1.2 核电站发展与现状 1.2.1世界能源概况 能源是人类生存的重要支柱，是现代社会经济发展的必要保证。然而，随着世 界人口的急剧增长和经济的快速发展，人类社会正面临着越来越严峻的能源短缺和 环境恶化的压力。据资料统计显示，至 1995 年底，全世界探明的煤炭可采储量为 10391.8 亿吨，预计可采 200 年；石油剩余量 1380 亿吨，预计还可以开采 40 余年， 天然气储量 139.6 万亿立方米，预计可开采 60 年；水力可开采装机容量 2260gw。 最近又有研究探明，在海底储存着比石油储量至少大十倍多的碳氢水化合物，它们 在低压下是很好的燃料。这些能源资源无疑可以支持人类几十年甚至近百年的能源 需要，但很难满足长期生存发展的需要。直接燃烧这些宝贝的资源以取得动力所需 的热能，在经济上应该说也不是极不合理的，而且化石燃料在燃烧的过程中要释放 出大量的二氧化碳，二氧化硫，烟尘，三、四苯芘，放射性飘尘，氮氧化物等。在 这些排放物中，一氧化碳、烟尘直接危害人畜；三、四苯芘是强致癌物质；放射性 飘尘使生物受到辐射损伤；二氧化碳和氮氧化合物会产生酸雨，是植物死亡、饮水 变质；二氧化碳在大气中聚积会引起温室效应，是全球气温上升，给生态环境和世 界气候带来不利影响。这一切都对人类构成严重威胁，是当今世界的严重问题，特 别是由于二氧化碳的大量排放而产生的“温室效应”问题，已引起国际社会的广泛 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 42 页 关注，曾多次召开国际会议，提出限制二氧化碳排放的种种要求与措施。1989 年 5 月，82 国签署了赫尔辛基宣言；1997 年 12 月，在有 177 国参加的日本京都会议上， 最后签署了消减温室气体排放标准的京都议定书 ，规定到 2006-2010 年与 1990 年相比，减少量达到：美国 7%，日本 6%，欧盟各国 8%。 要解决经济发展与环境保护这对矛盾，目前最切合实际可行的途径是大力发展 核电技术。 1.核电资源的蕴藏量非常丰富 据初步统计，虽然全世界已探明可开采铀储量（1997 年）只够用几十年至近百 年，但如果采用快中子增殖堆，通过燃料的转生、再生，则可再用 2000 多年，如果 进一步实现受控聚变反应，并在海水中提取氘加以利用，则所获取的聚变能可供世 界享用百亿年以上，那时人类将不再为能源问题而困扰。 2核电是高能量、低耗料的电厂 1kg全部裂变释放的能量相当于 2700 吨标准煤燃烧产生的能量，这比任何u 235 一种化学反应释放的能量都要大几百万倍；一吨海水中得氘聚变反应时释放的能量 相当于 250 吨标准煤。一座 1000mw 的火电厂每天烧 8000 吨左右的优质煤，每年需 3000000 吨煤，而同样规模的核电厂，每天只需要 2,86kg 吨 235u；若用平均富集度 为 2.86%的铀燃料，则每年只需要 40 吨左右就够了，由此可以大大缓解交通运输的 矛盾。 3核电是一种非常清洁的能源 它不仅能长期稳定地供应能源，而且对环境、改善人类生存条件发挥重要作用。 一座 1000mw 的燃料火电厂，每年向大气中排放几十万吨二氧化硫、烟尘和 700 多万 吨的二氧化碳，以及几十吨的重要金属（如砷、铅、水银）合放射性同位属素（铀、 钍、镭） ，给人类生存环境造成严重污染，而每千瓦小时额核发电量，从采矿直至完 成，整个处理过程所排放的二氧化碳总和只有 12 克。据估算，如果把世界上的核电 都用煤电替代的话，则仅 1990 年就得多排放 17 亿吨二氧化碳，2500 万吨二氧化硫 合 120 万吨氮氧化物。因此，只有逐步以核电代替火电，才有可能从根本上解决环 境问题，特别是“温室效应”问题。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 4 页 共 42 页 1.2.2世界核电发展历程 从 1954 年首座核电站在前苏联建成后，美、英、法等国也相继建成核电站，进 人了核电实验研究阶段.直到 1966 年，由于核浓缩技术的发展，核能发电的成本在 发达国家已低于火电成本，从而使核能发电真正迈人实用阶段.70 年代世界性能源 危机以后，因煤、石油 等化石燃料短缺的矛盾日益突出，使核能发电得到迅速发展.进入 80 年代以后， 世界核电发展的步伐明显变缓.1979 年美国发生的三里岛核电站事故和 1986 年前苏 联发生的切尔诺贝利核电站事故，对世界核电的发展产生了重大影响，特别是公众 对核安全的疑虑难以消除一些国家如瑞典、奥地利、荷兰、意大利等相继作出停止 发展核电的决定，苏联也作出了不再建造石墨水冷堆核电厂的决定.为保证核电厂的 安全，各国都采取了增加安全设施和严格审批制度等对策. 但是，核电具有的安全、清洁、廉价的特点并没有改变，特别是那些缺乏能源 资源的国家，如法国、日本等，仍把核电作为替代石油的惟一现实的能源并在继续 发展.国际原子能机构 2003 年 5 月 30 日的统计数字表明，全球正在运行的核电机组 到 2002 年年底共有 441 座，总发电能力为 3 597 tw，发电量约占全世界总发电量 的 16%.同时，中国、印度、韩国和日本也已经明确表示要扩大核发电能力. 近年来，根据世界各国经济建设和社会发展形势预测，由于能源资源缺乏和温 室效应使全球变暖的威胁，加上核动力所具有的有益于环境保护的明显优势，将使 核电事业蓬勃发展.核能作为先进能源的一种，必将在满足未来能源的需求中起到重 要的作用. 2005 年 3 月 21 日国际原子能机构和经济合作与发展组织(经合组织)在巴黎召 开了为期 2 天的国际核能会议，讨论了全球日益增长的能源需求.此次国际核能会议 以“21 世纪核能”为主题，重点讨论了 21 世纪能源需求、核能应发挥的作用、全 球气候变暖、核废料处理及核不扩散等问题.国际原子能机构总干事巴拉迪在会上指 出，核能在全球能源供应中的地位日益突出.他说，目前人类对温室气体排放的担心 已超过对核泄漏事故的担心，因此核能正日益受到各国重视. 1.2.3中国核电发展进程 尽管中国是世界核电五个核电大国之一，但民用核电事业应用的很晚，直到 1991 年秦山核电和 1994 年大亚湾核电的建成才正式拉开我国核电的序幕。 中国核工业是在党中央、国务院的亲切关怀下建立和发展起来的战略性高科技 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 42 页 产业，是实现我国能源可持续发展的重要支撑，对保持我国核大国地位、维护国家 安全、推动经济发展有着不可替代的作用。改革开放以来，我国核工业走的是“军 民结合”道路，既为国防建设服务，又为国民经济建设服务，初步形成了包括核军 工、核电、核燃料循环和核技术应用在内完整的新型核工业体系。 党中央根据核工业的发展趋势进行了全国核工业发展规划，其主题是：全面贯 彻落实科学发展观和国防科技工业“军民结合、寓军于民、强化基础、自主创新” 的发展方针，实行“转型升级”战略，以核电发展为龙头，以核燃料循环产业为支 撑，强化核科技基础能力建设，提高自主创新能力和产业发展能力，以适应国民经 济和国防建设的需要；其内容是：面向全社会，规划核工业的发展。规划期为 2006-2010 年。 规划中所列科研和固定资产投资项目所需资金采用国家投入、银 行贷款、企事业单位自筹及社会融资等渠道解决，其中需要国家投入的项目依照国 家有关规定，按程序申报和办理。 1.2.3.11.2.3.1 强化基础，提升科技创新能力强化基础，提升科技创新能力 1.2.3.1.11.2.3.1.1 建设基础性、综合性的核科技研究基地建设基础性、综合性的核科技研究基地 围绕基础研究，在中国原子能科学研究院建设一批先进的、功能齐全的大型研 究设施，形成比较完整、配套的基础科研能力。建成热功率 65mw 的中国实验快堆， 逐步形成我国较完整的快堆工程技术研究开发体系，开展快堆相关技术研究，开展 示范堆建设的预先研究。建成中国先进研究堆，配套建设相关的试验和辅助设施， 具备开展包括核材料生产技术、核燃料及材料辐照考验、中子散射、中子活化分析 等研究能力。在现有 hi13 串列加速器后端新建超导直线加速器，及配套的物理终 端和基础支撑条件，满足抗辐射加固、核数据测量和核物理基础研究的需求。建设 后处理放化实验设施及配套工程，具备先进后处理技术的开发和试验验证能力。建 设核临界安全、反应堆安全等若干专用试验设施和实验室。 1.2.3.1.21.2.3.1.2 建设设施完善的核动力研究试验基地建设设施完善的核动力研究试验基地 围绕大型压水堆核电技术，在中国核动力研究设计院建设设施较为完善、功能 齐全、技术先进的大型核动力研究试验设施，全面提升我国核动力研究设计的基础 能力。通过对现有软硬件设施的适应性改造和完善，逐步形成百万千瓦级核电站核 级设备的鉴定能力。改造现有的大型反应堆工程试验装置，新建部分装置，提高其 兼容性，扩展功能，适应我国核动力研究工作的开展。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 6 页 共 42 页 1.2.3.1.31.2.3.1.3 围绕核燃料循环发展的重要领域和核心技术，建设专业配套的科研开发围绕核燃料循环发展的重要领域和核心技术，建设专业配套的科研开发 平台平台 围绕核燃料循环核心技术、核安全与辐射防护等，完善配套研究试验设施。建 设内容包括深地层铀资源勘查与采冶技术研究、铀浓缩研究、燃料元件生产工艺和 关键设备研制、后处理工程研究、高放废物深层地质处置地质条件研究、辐射安全 与防护技术综合研究等试验系统和装置。 1.2.3.1.41.2.3.1.4 加强核基础科学研究，使我国核基础科学研究的若干领域达到或接近世加强核基础科学研究，使我国核基础科学研究的若干领域达到或接近世 界先进水平界先进水平 开展核物理应用研究和强流、脉冲加速器技术研究，加强新探测技术研究；开 展放射化学、分析化学以及铀溶浸化学与动力学研究等，为工艺应用提供理论依据 和技术手段。加强核标准、计量、情报、成果管理与知识产权、质量与可靠性、核 无损与理化检测技术等公用技术基础研究，完善体系化建设。 利用中国环流器 2 号核聚变试验装置（hl-2a） ，开展高参数下的模拟堆芯等离 子体实验、第一壁高热负荷能力实验。继续惯性约束聚变技术研究，探索重复频率 5 次秒和百焦耳固体激光驱动器的技术途径和可能性，研究超热电子产生等与快 点火相关的物理机制。参与国际热核聚变试验堆（iter）的合作研究，完成 iter 产 氚包层、屏蔽包层中国段的工程设计以及相关技术的研发。 1.2.3.21.2.3.2 积极推进核电发展，大幅提升核电自主化能力积极推进核电发展，大幅提升核电自主化能力 1.2.3.2.11.2.3.2.1 加快核电批量建设加快核电批量建设 建成投产田湾核电站；充分利用先进、成熟的二代改进核电技术，建设岭澳二 期、秦山二期扩建核电工程，新开工建设辽宁红沿河、山东海阳等一批新的核电项 目；通过国际招标引进三代核电技术，建设浙江三门、广东阳江核电站示范工程。 通过“十一五”核电批量建设，全面提升我国核电设计、建造自主化能力，提高核 电工程施工、安装能力和技术水平；建立核电设计、制造、建设的标准体系，推进 核电产业化进程。 1.2.3.2.21.2.3.2.2 实施大型先进压水堆和高温气冷堆核电站科技示范工程实施大型先进压水堆和高温气冷堆核电站科技示范工程 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 42 页 充分利用我国已有技术基础，消化吸收国外先进核电技术，开展大型先进压水 堆的相关设计和科研攻关工作，实现自主创新，突破大型先进压水堆关键技术，通 过实施示范工程，为中国品牌的大型先进压水堆核电站的标准化、批量化建设奠定 坚实基础。实施高温气冷堆科技工程，在已建成 10 兆瓦实验堆的基础上，通过进一 步自主研发，建设电功率为 200 兆瓦高温气冷堆示范核电站，实现我国自主知识产 权的模块化高温气冷堆技术产业化，使我国在高温气冷堆领域保持国际领先水平。 通过实施示范工程，进一步提高我国核电自主研发、设计和创新能力。 1.2.3.2.31.2.3.2.3 加强在役核电站运行管理加强在役核电站运行管理 开展核电运行、维修、在役检查等技术的研究，完善运行评估和经验反馈体系， 加强运行管理，确保在役核电站的安全稳定运行，提高核电站安全性、经济性和可 靠性。开展核设备鉴定与核工业无损检测验证技术研究，建立我国核设备鉴定体系 和核工业无损检测技术验证体系。 1.2.3.2.41.2.3.2.4 开展先进核能技术研究工作开展先进核能技术研究工作 建成中国实验快堆，掌握快堆基本技术，为我国快堆的进一步发展奠定基础； 开展高温气冷堆制氢技术和工艺研究，逐步掌握关键技术，为建设相关试验台架创 造条件。提高我国在未来新一代核能系统的选型定型、标准制定及知识产权保护等 方面的影响力。 1.2.4 发展核电的重要意义 1.2.4.11.2.4.1 有利于保障国家能源安全有利于保障国家能源安全 一次能源的多元化，是国家能源安全战略的重要保证。实践证明，核能是一 种安全、清洁、可靠的能源。我国人均能源资源占有率较低，分布也不均匀，为保 证我国能源的长期稳定供应，核能将成为必不可少的替代能源。发展核电可改善我 国的能源供应结构，有利于保障国家能源安全和经济安全。 1.2.4.21.2.4.2 有利于调整能源结构，改善大气环境有利于调整能源结构，改善大气环境 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 8 页 共 42 页 我国一次能源以煤炭为主，长期以来，煤电发电量占总发电量的 80%以上。大 量发展燃煤电厂给煤炭生产、交通运输和环境保护带来巨大压力。随着经济发展对 电力需求的不断增长，大量燃煤发电对环境的影响也越来越大，全国的大气状况不 容乐观。2004 年，燃煤发电厂二氧化硫排放约 1200 万吨，占全国排放总量的 53.2%。2005 年，我国发电用煤已达 10.75 亿吨，如果保持现在的煤电比例，2010 年、2020 年电煤需求将分别突破 17 亿吨和 20 亿吨。电力工业减排污染物，改善 环境质量的任务十分艰巨。 核电是一种技术成熟的清洁能源。与火电相比，核电不排放二氧化硫、烟尘、 氮氧化物和二氧化碳。以核电替代部分煤电，不但可以减少煤炭的开采、运输和燃 烧总量，而且是电力工业减排污染物的有效途径，也是减缓地球温室效应的重要措 施。 1.2.4.31.2.4.3 有利于提高装备制造业水平，促进科技进步有利于提高装备制造业水平，促进科技进步 核电工业属于高技术产业，其中核电设备设计与制造的技术含量高，质量要求 严，产业关联度很高，涉及上下游几十个行业。加快核电自主化建设，有利于推广 应用高新技术，促进技术创新，对提高我国制造业整体工艺、材料和加工水平将发 挥重要作用。 大力发展核电事业，是中国和平利用核能的主要途径和内容.我国从 80 年代开 始建设核电站，以解决东部沿海地区能源紧缺的问题，因为上述地区不具备传统能 源资源，如煤、石油和天然气等。20 世纪 90 年代，由于电力市场供大于求，中央 政府停止批准新核能工程，因此核能产业裹足不前。但是，2003 年底形势发生了根 本性变化，全国许多地区，尤其是经济发达的沿海城市，开始受到能源紧缺的严重 影响。中国经济的高速增长引起了能源供应日趋紧张，电力紧张已成为制约中国经 济持续高速发展的瓶颈。受各行业能源短缺的困扰，我国正积极着手准备新核电站 的开发以满足能源需求的迅猛增长。国家主席胡锦涛等政府高层领导人视察了沿海 地区现有的和即将建立的核电站，并积极召开会议，制定国家核能工业发展战略。 国家发改委的有关负责人也表示，对我国发展核电的政策将“由以往的适当发展变 为积极发展” 。 目前，国家已核准或正在核准广东岭澳核电站二期工程、秦山二期扩建工程和 广东阳江工程、浙江三门核电站工程。 国内三大核电运营商之一的中国电力投资集团公司组建了中电投核电有限公司， 并相继成立了山东海阳、辽宁红沿河核电项目公司，2 个项目已通过了国家发改委 组织的厂址复核，并再次上报了修改后的项目建设书 ，项目前期的基础设施工程 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 42 页 正在进行。与此同时，国家还积极开展了内陆部分省份有关核电厂厂址的普选和保 护工作，在湖北、安徽、重庆、广西、吉林、湖南等地，投人了大量的人力物力， 开发并保护核电厂址资源，为我国核电的后续发展储备珍贵的厂址资源。目前，我 国各个地区发展和要求建设核电站的积极性都很高。核电发展正在由过去的“适度 发展核电”时期，开始进人“加快推进核电发展”时期。 1.3 本论文的主要内容 在核动力装置中，反应堆、蒸汽发生器、主循环泵、稳压器、汽轮机、冷凝器、 发电机等都是非常重要的大型设备。这些设备的研究、设计和制造的水平对核动力 装置的安全性、可靠性和经济性具有举足轻重的影响。如虽然蒸汽发生器只是一回 路系统中的一个设备，但它的传热管面积却占一回路系统承压边界总面积的近 80%，传热管的破裂是造成核动力装置事故停闭的主要原因之一。因此，各国科学家 一直都在对这些设备进行深入的细致的研究，以改进其性能。目前，对于发应堆、 水泵、汽轮机等都有专门的课程进行详细的介绍和分析，而对于蒸汽发生器、稳压 器和冷凝器，一般是作为系统的一部分，简单地介绍其功能和工作原理，内容显得 过于浅显，不能满足人才培训的需要。因此，在本论文的中将详细的研究蒸汽发生 器的结构和工作原理。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 10 页 共 42 页 第 2 章 核电站核电站 核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的 动力设施。它与我们常见的火力发电厂一样，都用蒸汽推动汽轮机旋转，带动发电 机发电。它们的主要不同在于蒸汽供应系统。火电厂依靠燃烧化石燃料（煤、石油 或天然气）释放的化学能制造蒸汽，核电站则依靠核燃料的核裂变反应释放的核能 来制造蒸汽。 产生核裂变反应的设备叫做反应堆。用于发电的反应堆有压水堆、重水堆、 沸水堆、高温气冷堆、铀冷快堆等，当前世界上建得最多的是压水堆核电站。 2.1 核电站工作原理及系统组成 核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产 生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽 推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面 八方。 核动力装置是以核裂变能来产生动力的装置。对于不同类型的反应堆，相应的 装置系统和设备组成也会有较大的差别，目前世界上正在运行的主要反应堆类型有 压水反应堆、沸水反应堆、中水反应堆、快中子反应堆等一些其他的堆型。在核电 厂中，压水反应堆的装机容量约站核电总装机容量的 64%。而在船用核动力装置中， 几乎全部采用压水反应堆，所以这里只以压水堆核动力装置为例，简要介绍系统基 本组成及主要设备。 压水堆核动力装置主要由一、二两个回路系统组成，原理流程如图 2-1 所示。 一回路系统有主循环泵、蒸汽发生器、稳压器及管道、阀门组成。核燃料在反 应堆内发生链式核裂变反应，释放出的大量热能传给住冷却剂，由主循环泵将冷却 剂送到蒸汽发生器，通过蒸汽发生器再将热能传递给管外的二回路水，使它变成蒸 汽，冷却剂则再由主循环泵送回反应堆内，如此循环往复地构成一个闭式的循环回 路。系统运行时，回路中产生的压力波动由稳压器控制。现代的核动力装置一般有 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 11 页 共 42 页 1-4 个一回路系统对称地并联在反应堆压力容器上，每一个回路由一台主循环泵、 一台蒸汽发生器和管道、阀门组成。 二回路系统是将蒸汽发生器的热能转换为机械能或电能的装置。它由汽轮机、 汽水分离再热器、冷凝器、凝结水泵、给水泵、给水加热器、除氧器等设备及相应 的管道、阀门组成。二回路给水在蒸汽发生器内吸收了一回路冷却剂传给的热量后 蒸发为蒸汽，品质合格的蒸汽首先进入汽轮机高压共所做的功，从高压缸中出来的 蒸汽进入汽水分离再热器，提高干度后的蒸汽再进入汽轮机低压缸做功，最后的乏 汽全部排入冷凝器中凝结成水，然后由凝水泵将凝结水送入低压加热器加热，再到 除氧器进行热力除氧，最后又给水泵将其送到高压加热器，再加热返回蒸汽发生器， 构成二回路的密闭循环。 图图 2-12-1 压水堆核动力装置流程简图压水堆核动力装置流程简图 p9 页 除上述两个主要回路，核动力装置一般还有许多辅助系统以确保系统的安全、 稳定运行。如余热排出系统、化学与溶剂控制系统、净化系统、设备冷却水系统、 安全注射系统等。 电厂核动力装置和船用核动力装置的基本组成是一致的，但由于电厂更加注重 经济性，而舰船主要关心的是安全可靠性，并受有限空间的约束，因此前者一般要 比后者的结构复杂得多。它们之间的另一个最大的区别是电厂核动力装置的汽轮机 直接驱动发电机，而船用核动力装置的汽轮机则是通过减速齿轮来驱动螺旋桨产生 船舶前进的动力。 在核动力装置中，反应堆、蒸汽发生器、主循环泵、稳压器、汽轮机、冷凝器、 发电机等都是非常重要的大型设备。这些设备的研究、设计和制造的水平对核动力 装置的安全性、可靠性和经济性具有举足轻重的影响。如虽然蒸汽发生器只是一回 路系统中的一个设备，但它的传热管面积却占一回路系统承压边界总面积的近 80%，传热管的破裂是造成核动力装置事故停闭的主要原因之一。因此，各国科学家 一直都在对这些设备进行深入的细致的研究，以改进其性能。目前，对于发应堆、 水泵、汽轮机等都有专门的课程进行详细的介绍和分析，而对于蒸汽发生器、稳压 器和冷凝器，一般是作为系统的一部分，简单地介绍其功能和工作原理，内容显得 过于浅显，不能满足人才培训的需要。因此，在本论文的中将详细的研究蒸汽发生 器的结构和工作原理。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 12 页 共 42 页 2.2 压水堆核电站 压水堆是世界上最早开发的动力堆堆型。压水堆出现后，经过了先军用后民用， 由船用到陆用的发展。压水堆是目前世界上应用最广泛的反应堆堆型，在已建成的 核电站中，压水堆占 60%以上，目前世界上拥有大型核电站压水堆的总数为 250 多 座。在一些工业发达国家，压水堆已形成了批量生产能力，燃料组件、控制棒等部 件已成为标准化产品，已具有了很成熟的制造工艺。 压水堆以净化的普通水做慢化剂和冷却剂，水的总体温度低于系统压力下的饱 和温度。水中含有氢原子核，所以中子慢化性能好，而且水的物理和化学性能为人 们熟知。但水的中子吸收截面较大，因此必须用一定富集度的铀做核燃料。此外， 在常压下水的沸点低，要使水咋高温下不沸腾，就必须在高压下运行，从而才可以 获得高的热效率。这样就需要反应堆容器和有关系统都能承受高压，使这些部件的 壁厚增大。 2.1.1 压水堆得基本构成 压水堆由压力容器、堆心、堆内构件及控制棒驱动机构等部件组成。图 2-2 所 示为一个典型的压水反应堆的本体结构。堆心是进行链式核裂变反应的区域，它由 核燃料组件、可燃毒物组件、控制棒组件和启动中子源组件等组成。核燃料租价是 产生裂变并释放热量的重要部件，一个燃料组件包含有 200-300 根燃料元件棒，这 些燃料元件棒内装有低富集度（一般为 2%-4%的）的芯块。先将做成u 235 2 uo 2 uo 小的圆柱形芯块，装入锆合金包壳内，然后将两端密封构成细长的燃料元件棒。再 将元件棒按正方形或三角形的栅格形式布置，中间用几层弹簧定位格将元件棒夹紧， 构成棒束形燃料组件。 图图 2-22-2 压水反应堆本体结构压水反应堆本体结构 p3yp3y 页页 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 13 页 共 42 页 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 14 页 共 42 页 第 3 章 压水堆蒸气发生器的工作原理和结构设计 3.1 蒸气发生器的概述 3.1.1 蒸汽发生器的作用及设计考虑 蒸汽发生器是产生汽轮机所需要整齐的换热设备。在核电反应堆中，核裂变产 生的能量由冷却剂带出，通过蒸汽发生器将热量传送给二回路的给水，使其产生具 有一定压力、一定温度和一定干度的蒸汽。此蒸汽在进入汽轮机中做功，转换器为 电能或机械能。由图 2-1 可以看出，在这个能量转换过程中，蒸汽发生器既是一回 路设备，所以被称为一、二回路的枢纽。 压水堆核电厂蒸汽发生器是按自然循环原理运行的（图 3-1） 。在这类蒸汽发生 器中，保证流体的原动力是冷水柱和热水柱之间的密度差，产生的蒸汽是饱和蒸汽。 每一台饱和式蒸汽发生器按照满负荷运行时传递二分之一的反应堆热功率设计。 给水 蒸汽 一回路 水进口 一回路 水出口 旋叶式汽 水分离器 围板 管束 下降通道 干燥器 上升通道 下 降 通 道 上 升 通 道 饱和蒸汽 给水 冷 水 柱 热 水 柱 饱和湿蒸汽 分离干燥 汽水混和物 一回路水 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 15 页 共 42 页 图图 3-13-1 自然循环原理自然循环原理 图图 3-23-2 压水堆蒸汽发生器压水堆蒸汽发生器 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 16 页 共 42 页 3.1.2 蒸汽发生器设备的描述 压水堆核电厂的蒸汽发生器由带有内置式汽水分离设备的立式筒体和倒置式 u 形管束组成，如图 3-2。 一回路的每一个环路有一台蒸汽发生器，它是垂直布置的、自然循环的管式汽 化装置。整个装置可分为： 1)给水蒸发段 蒸汽发生器蒸发段的下部是由倒置的 4640 根倒 u 形管束构成，倒 u 型管的材料 是因科镍 690，一回路水在管内流动，二回路水在管外汽化。这些管子焊接在 585mm 厚的锰-钼-镍（mn-mo-ni）管板上，管板和管束承受一回路压力。一回路水侧封头 是由铸钢半球形封头构成的，在其内表面覆盖了不锈钢层，并通过焊在管板上的因 科镍隔板分成两个水室（入口水室、出口水室） 。每个水室都有一个连到一回路的接 管和人孔。 整个汽化装置安置在圆筒状的金属筒体内，筒体下部与管板衔接，其上部通过 一个中间过渡锥体而与一个包含干燥装置的更大的金属筒体相连。给水的入口位于 该筒体的上部。 给水分配由一个环形孔管完成。给水与干燥设备排出的水相混合，然后在由下 部筒体与包围管束的圆柱形薄钢板包壳所形成的环形空间内向下流动。在包壳下部 与管板上表面之间有一个空间，在这里水加热到接近饱和温度，然后进入到管束中 间，向上流动。 借助于蒸汽发生器 u 形管束的隔板来保持管束的间距，而在隔板之间又通过拉 杆固定。在 8 个抗震隔板上开有一些孔以让管子及水-蒸汽混合物通过。此外，隔 板通过一些防止管束整体振动的楔子固定在管束围板上。同样，在管束的弧形段也 设置了防振定位杆。 2)汽水混合物-机械干燥段 从管束出来的蒸汽水混合物首先通过 18 个旋流叶片式分离器，在分离器中用 离心法除掉混合物中大部分水。 然后，蒸汽在离开蒸汽发生器之前通过一根位于上封头轴线处的管子而穿过人 字型干燥器。在其上部还设计了能进入干燥器的两个人孔。 来自人字型干燥器和旋流叶片式分离器的水与给水混合并使给水局部加热。 循环倍率定义为流过管束的总流量与蒸汽发生器出口蒸汽流量之比，在蒸汽发 生器满负荷运行时该值大约是 3.4mm。这个值是一个折中值，它介于尽可能的蒸汽 干度与蒸汽发生器稳定运行之间。 用于蒸汽发生器排空和连续排污的两根管子布置在管束的下部。用于检查管板 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 17 页 共 42 页 上表面的两个二次侧手孔也位于这个高度。 3.1.3 蒸汽发生器的基本技术要求 在核动力装置中，由于一回路为带有放射性的回路，而二回路为非放射性回路， 因此在研制整齐发生器时对结构、强度、材料抗腐蚀性、密封性等都提出了很高的 要求，其中最基本的技术要求包括以下几方面。 1）.蒸汽发生器及其部件的设计，必须保证供给核电站在任何运行工况下所需 要的蒸汽量及规定的蒸汽参数。只有满足这个要求才能保证电站在不同的负荷下经 济运行。 2）.蒸汽发生器的容量应该最大限度地满足功率负荷的要求，而且要求随着单 机容量的增加，其技术经济指标得到相应的改善。 3）.蒸汽发生器的所有部件应该绝对地安全可靠。蒸汽发生器的受热面是有大 量的小直径罐子组成的，一次在一回路（带放射性)中就有大量的管子，是核电站运 行的可靠性在很大程度上去取决于蒸汽发生器的可靠性。这样，蒸汽发生器的屏蔽 问题必须解决，所有部件必须保证工作可靠。 4）.蒸汽发生器各零、部件的装配，必须保证在密封面上排除一回路工质漏入 二回路中去的可能性。一回路工质不允许漏入二回路工质中去的原因是汽轮机回路 没有生物防护，任何这种漏入都将会导致放射性泄漏事故。 5）必须排除加剧腐蚀的任何可能性，特别是一回路中的腐蚀。这主要是为了防 护腐蚀产生对一回路工质的污染。腐蚀产物过多地进入到一回路中去，一方面引起 一回路工质放射性的增加，另一方面导致放射性腐蚀产物在一回路的沉积。腐蚀产 物在燃料元件上的沉积是极其危险的，它会是传热性能骤然下降。 6）.蒸汽发生器必须产生必要纯度的蒸汽，以保证蒸气锅热气在高温下可靠地 运行，并保证汽轮机也可靠而经济地运行。 7）.蒸汽发生器应该设计得简单紧凑，便于安装使用，同时易于发现故障而及 时排除，并与可能彻底疏干。 8）.保证蒸汽发生器具有较高的技术经济指标。 在设计蒸汽发生器时，要考虑一、二回路两种工质的种类和参数，正确地选择 结构方案、材料、传热管系数以及冷却剂等，对取得蒸汽发生器最佳技术-经济指标 是非常重要的。另外，必须采取减小向外散热损失的措施。 3.2 蒸汽发生器的分类 蒸汽发生器是和定力装置中一个非常重要的热量交换设备，在核动力装置的发 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 18 页 共 42 页 展过程中出现过各种形式的蒸汽发生器，根据各自的结构特征和运行方式，可把他 们分成不同的类别。如按照工质流动方式可分为自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发 生器；按真气发生器的外形可分为卧式蒸汽发生器和立式蒸汽发生器；按传热管形 状可分为 u 形管、直管、螺旋管，以及由其他形状传热管构成的蒸汽发生器。目前 在压水堆核动力装置中使用的蒸汽发生器主要有立式 u 形管自然循环蒸汽发生器、 卧式自然循环蒸汽发生器及列管式蒸汽发生器。 3.2.1 立式 u 形管自然循环蒸汽发生器 3.2.1.1 工作原理 在蒸汽发生器中，如果水和汽水混合物的循环不逊要外加能量，而是依靠水和 汽水混合物的密度差进行水循环，则称其为自然循环蒸汽发生器。自然寻混蒸汽发 生器又可分为立式自然循环蒸汽发生器和卧式自然循环蒸汽发生器，目前核动力装 置中使用最多的就是如图 3-3 所示的立式自然循环蒸汽发生器。 蒸汽发生器由上、下封头、官办、u 形管束、汽水分离器装置及筒体组件构成。 在一次侧，来自反应堆的冷却剂由下封头进口管进入水室，然后通过 u 形管束将热 量床送给二次侧工质。冷却剂流出 u 形管束后，经过出口水室，在从下封头出口管 流出，由住冷却剂泵送会反应堆。在二次侧，二回路给水由给水泵输送到蒸汽发生 器的给水管，通过给谁分配环官进入管束衬筒与壳体之间所形成的环形下降通道向 下流动，通过衬筒与官办二次侧表面之间的缺口处进入，并横向冲刷管束，然后折 流向上，进入管束空间。水在 u 形管与管束空间吸收来自一回路侧的惹来那个，被 逐渐加热到饱和温度并不断产生蒸汽。当汽水混合物向上流动并离开弯头区时，大 约有 25%的饱和水蒸发为蒸汽。汽水混合物继续上行，首先进入一次粗分离器分离 出大部分水分，带有细小水滴的湿蒸汽继续向上流动，经过中立分离后进入二级汽 水分离（干燥）器，进一步讲蒸汽湿度降至 0.25%以下后，有正气导管引出送往汽 轮机做功。分离出的饱和水全部进入环形下降通道，与二回路给水混合后成为循环 水，二回路侧工质的流动情况如图 3-4 所示。 p15 页 图图 3-3 立式立式 u 形管自然循环蒸汽发生器形管自然循环蒸汽发生器 p16 页页 图图 3-4 二回路工质流程简图二回路工质流程简图 3.2.1.2 结构设计 1）传热管 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 19 页 共 42 页 蒸汽发生器的传热面积是由大量小直径薄壁无缝 u 形管组成，通常选用传热管 的外径为 12-22mm，壁厚小于 1.5mm。后来由于出现了氯离子应力腐蚀破裂事故， 大都改为工厂退火处理的 inconel-600 合金。这种惯性在早期运行中性能良好，到 20 世纪 70 年代中期相继发生了耗时、凹痕和晶间腐蚀现象。由此开始用特殊热处 理的 inconel-600 合金。 2）管板 管板是传热管束的支撑基础，与传热管一起构成蒸汽发生器一、二次侧的分界， 一般用低合金高强度钢锻造而成。 管板下方与冷却剂接触的表面，需堆焊一层镍合金，这样即康都市，有适合同 管子的焊接。新型蒸汽发生器传热管与管板间的连接除进行焊接外，还采用管板全 场独膨胀管工艺，以消除管子与管板间的间隙，避免化学物质在间隙内浓缩。 3）下封头 下封头是蒸汽发生器中承受高压并与大气接触的唯一部件，通常设计成半球形， 内侧堆焊镍合金，并通过各班将其分割为来年各个水室，每一个水室都有一个连接 到一回路的接管和人孔。 4）管束支撑组件 传热管束四周用衬筒包围，从而将其水流到分割成上升通道与下降通道。管束 直段有若干块支撑隔板，在弯管区有防震条，用以固定管束，提高自振频率，防止 在运行中由于流动诱发振动导致管束损坏。各班轴向通过拉杆和套筒用螺栓固定， 径向通过一些防止管束整体振动的楔子固定在衬筒上，再将衬筒用螺栓固定在筒体 上。 在管束下部管板上面还设置了流量分配挡板和排污管。前者用于保证中心区仍 有足够的流速，避免腐蚀产物的积累，消除淤渣，减小管子产生腐蚀破裂的危险； 后者用于连接排污，控制水质。 5）汽水分离装置 为了版中核动力装置安全、经济地运行，蒸汽发生器出口的蒸汽湿度必须严格 控制在 0.25%以下。现代的立式自然循环蒸汽发生器一般都在上筒体内设置两级汽 水分离器。第一级设置许多立式旋叶式汽水分离器，靠离心分离出大约 80%-90%的 水量；第二级一般采用波形板分离器或丝网干燥器，依靠惯性力进行汽水分离。两 级汽水分离器分离出的水全部通过疏水管导入下降环形流到、都道与给水混合。在 两级汽水分离器之间流出一定的高度，进行自然重力分离。同时，也常常在第一级 汽水分离器前设置水下孔板，在第二级汽水分离器后设置均气孔板，用于均匀蒸汽 负荷，提高汽水分离器的效率。 6）给水管 沈阳工程学院毕业设计（论文） 第 20 页 共 42 页 给水管是一圆形环管，位于上筒体内第一级汽水分离器的下面，是二回路给水 蒸汽发生器的通道。在给谁环管撒谎那个焊有倒 j 形管，给谁通过倒 j 形管进入环 形下降空间，保证环管内总是充满水，防止则会给你起劲图，从而避免由于蒸汽泡 的突然破灭而引发水锤现象的发生，由于 u 形传热管的进出口温度有较大差异，因 此给水沿蒸汽发生器周向的分配时不均匀的，其中 80%的给水到热侧，20%到冷侧。 而在给水管与上筒体的贯穿处，由于给水温度大大低于筒体温度，直接焊接会造成 应力集中，因此常常采用套管结构来均匀温度场。 7）筒体组件 蒸汽发生器筒体组件包括上风头、上筒体、锥形体、下筒体等。上风头通常为 标准椭球形，风头顶部有正气出口管嘴，管嘴内设有限流器，用于在主蒸汽管道发 生破裂事故时限制最大蒸汽流量，从而限制蒸汽发生器二次侧部件和一回路系统的 冷却速度，防止反应堆在紧急挺对后又重返临界。限流器由七根小直径文丘里管组 成，其中一根文丘里管位于管嘴中心线上，其余六根文丘里管在圆周方向上均匀分 布。由于汽水分离器和给水环管都安装在上筒体内，因此上筒体的直径一般要比下 筒体粗，两者之间由锥形体连接。上筒体还开有人孔，以便于对汽水分离器和传热 管束上不进行检修；在下筒体靠近管板处设有若干个检查孔（手孔） ，以便检查该区 域内的传热管表面和管板的二次侧表面，在必要时间可用高压水冲洗管板上表面沉 积的淤渣。由于筒体组件只与二回路工质接触，因此，一般采用锅炉钢或低锰合金 钢制造。 3.2.2 卧式自然循环蒸汽发生器 所谓卧式自然循环蒸汽发生器，就是蒸汽发生器筒体轴线与地面平行的自然循 环蒸汽发生器。其采用单筒体结构，u 形管固定在两个历史圆柱形联箱上。传热管 采用奥氏体不锈钢，管子内表面进行电光化学处理，外表面进行研磨处理