3T/CNEAXXXX—XXXX核電廠蒸汽發生器熱力性能監督與評估技術導則本標準主要用于指導壓水堆核電廠立式自然循環蒸汽發生器熱力性能監督及評估，重點包括二次側主蒸汽壓力修正計算、沉積物計算、傳熱熱阻計算、梅花孔堵塞情況評估和狀態指標評估等。本標準適用于壓水堆核電廠立式自然循環蒸汽發生器運行期間的熱力性能監督及評估。2規范性引用文件下列文件對于本《導則》的應用是必不可少的，凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本《導則》。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本《導則》。NB/T20315壓水堆核電廠蒸汽發生器設計制造規范NB/T20222壓水堆核電廠蒸汽發生器老化指南NB/T20244壓水堆核電廠蒸汽發生器傳熱管堵管導則NB/T20046壓水堆核電廠蒸汽發生器安裝及驗收技術規程NB/T20464核電廠蒸汽發生器傳熱管在役氦泄漏檢測3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1沉積物(Deposit)二回路流動加速腐蝕的產物和二回路攜帶來的雜質在蒸汽發生器中不斷富集，通常在管板上沉積稱為泥渣(Sludge)。在管束上沉積稱為結垢（Scale)，或稱之為污垢（fouling）。本文件統一稱之為沉積物(Deposit)。3.2傳熱熱阻（heattransferresistance）蒸汽發生器傳熱熱阻為一回路傳熱熱阻、二回路傳熱熱阻、管壁導熱熱阻和污垢熱阻四部分熱阻的代數和。傳熱熱阻的倒數為傳熱系數。3.3梅花孔堵塞率（Plumholepluggingrate）梅花孔中泥渣堵塞面積與設計制造的通流面積的百分比率。3.4狀態指標（stateindex）將蒸汽發生器熱力性能降低的程度，用百分數的形式呈現，結合不同的狀態區間，以監測和評估蒸汽發生器的運行狀態。4T/CNEAXXXX—XXXX4監督和評估目的通過對蒸汽發生器熱力性能參數的監督和評估，分析蒸汽發生器當前的熱力性能狀態，預測蒸汽發生器熱力性能變化趨勢，為后續相關治理措施提供建議參考。5熱力性能監督和評估方法5.1熱力性能監督指標蒸汽發生器熱力性能的參數分成兩類：一類是可以直接測量得到的熱力參數，稱為征兆參數。如二次側主蒸汽壓力、一回路冷腿溫度、一回路熱腿溫度、給水溫度等。另一類是不可測量的，需要綜合計算得到，代表著部件的某一類特性，稱為特征參數。如傳熱熱阻、梅花孔堵塞率、狀態指標等。征兆參數數據的收集和統計能反映蒸汽發生器熱力性能的變化趨勢，特征參數可作為蒸汽發生器熱力性能診斷評估的重要依據。5.1.1.征兆參數監督蒸汽發生器征兆參數監督內容主要包括一回路冷腿溫度、一回路熱腿溫度、蒸汽發生器寬量程水位、二回路主蒸汽壓力、熱功率、汽輪機高壓缸調節閥開度、給水中鐵濃度、排污水中鐵濃度、給水溫度和給水流量十個監督指標。給水中鐵濃度和排污水中鐵濃度由核電廠化學部門提供。其它參數可以由核電廠數據采集系統中在線獲取，監督數據采集期間，機組應處于滿功率運行狀態，反應堆熱功率取99.5%Pn以上，期間機組狀態穩定，無其它影響蒸汽發生器水位變化和機組熱力性能變化的操作，宜取20分鐘的數據平均值。5.1.2.特征參數監督蒸汽發生器特征參數監督主要包括修正后主蒸汽壓力、管束上沉積物質量、傳熱熱阻、梅花孔堵塞情況和狀態指標五個監督指標。特征參數由征兆參數結合相關模型計算得到，計算過程可參照熱力性能評估章節和附錄資料。5.1.3.監督周期建議核電廠每周開展一次征兆參數的收集和統計監督工作，每循環開展一次特征參數的監督和評估工作。如果核電廠蒸汽發生器管理大綱另有規定，可按照大綱文件執行。5.2熱力性能評估5.2.1修正后主蒸汽壓力二回路主蒸汽壓力與反應堆熱功率、一回路平均溫度、一回路流量、給水溫度、堵管率、二次側結垢、一次側結垢、汽水分離器結垢等多種因素有關，宜進行參數修正。本文件推薦在機組滿功率穩定運行條件下進行主蒸汽壓力等數據采集，僅修正一回路平均溫度對主蒸汽壓力的影響。5.2.2管束上沉積物質量核電廠二回路產生的腐蝕產物隨給水被輸送到蒸汽發生器二次側。沉積物在蒸汽發生器二次側保持懸浮狀態或者逐漸沉積在管板、支撐板或傳熱管表面，也可通過排污系統或泥渣收集器去除。沉積物質量、厚度及分布可通過機組大修期間的視頻檢查、水力清洗、渦流檢測、化學清洗等方法進行估算。本5T/CNEAXXXX—XXXX文件采用機組運行期間的給水中鐵濃度、排污鐵濃度、給水流量等征兆數據累計估算遷移到蒸汽發生器二次側的沉積物質量。盡管各核電廠之間的差異可能很大，但蒸汽發生器內沉積物分布大致如下：排污約占15%，管板約占10%，支撐板約占5%，傳熱管表面占70%。Fe3O4通常占沉積物質量的90%左右，其余部分是溶解鐵、小于0.45um的膠體鐵以及其它溶解性物質。根據經驗統計的沉積物密度，計算得到傳熱管表面沉積物厚度。5.2.3傳熱熱阻蒸汽發生器總體傳熱系數K可按公式(1)計算：式中：K——蒸汽發生器總體傳熱系數，W/(m2·K)；Q——一次側傳到二次側的熱功率，W;A——蒸汽發生器的換熱面積，m2；Δtm——傳熱管的對數平均溫差，℃。蒸汽發生器傳熱管的對數平均溫差Δtm可按公式(2)計算：式中：Δtm——傳熱管的對數平均溫差，℃;Δtmax——一次側和二次側兩側的最大溫差，℃;Δtmin——一次側和二次側兩側的最小溫差，℃。二次側污垢熱阻變化量ΔRF可按公式(3)計算：ΔRF=式中：ΔRF——污垢熱阻變化量，(m2·K)/K0——設計傳熱系數或商業運行初期的實際傳熱系數，W/(m2·K)。蒸汽發生器設計過程中，通常根據四層熱阻模型計算蒸汽發生器的傳熱系數K0，可按公式(4)計算：6T/CNEAXXXX—XXXX式中：α1——傳熱管管內對流傳熱系數，W/(m2·K)；α2——傳熱管管外大空間沸騰傳熱系數，W/(m2·K)；Rw——傳熱管管壁平均溫度下的導熱熱阻，(m2·K)/W；RF——傳熱管管外設計污垢熱阻，(m2·K)/W，通常可取8.8×106(m2·K)/W；Di——傳熱管內徑，m；Do——傳熱管外徑，m；De——傳熱管當量直徑，m。5.2.4梅花孔堵塞情況蒸汽發生器二次側沉積在梅花孔中不斷富集后，引起流通面積減少，上升通道的流動阻力增加，循環倍率降低。當梅花孔堵塞率達到一定閾值后，蒸汽發生器水位將發生周期性震蕩，局部流速增加引發的流致振動導致傳熱管疲勞降質，循環倍率降低引起熱效率也將降低，從而影響核電廠安全經濟運行，需主動對梅花孔堵塞率進行監督和評估。通常采用三種方法來評估：在大修期間利用攝像頭進行目視檢查評估；在大修期間基于渦流檢測方法間接評估；在日常運行期間基于蒸汽發生器寬量程水位進行間接評估；本文件采用寬量程水位變化情況對梅花孔堵塞情況進行監督和評估。如寬量程水位與商運初期水位值相比，變化率超過2%，如公式(5)所示，則反應梅花孔堵塞率可能達到20-30%的水平，應引起核電廠的關注，宜在大修期間對頂層支撐板的梅花孔進行視頻檢查確認，針對性制定水力清洗或軟化學清洗等措施。式中：?W——寬量程水位變化率，%；W——當前滿功率狀態時寬量程水位值，m；W0——商運初期滿功率狀態時寬量程水位值，m。5.2.5狀態指標核電廠汽輪機主蒸汽調節閥多采用節流控制方式進行機組功率控制。蒸汽發生器與汽輪機的設計匹配上存在一定的裕度。在裕度范圍內，主蒸汽壓力降低，對機組出力影響較小，即卡諾循環效率的降低帶來的損失，可以通過減少主蒸汽調節閥閥門節流損失進行彌補。一旦主蒸汽壓力降低過大，汽輪機調節閥全開(VWO)，則主蒸汽壓力降低的損失將給機組出力帶來較大影響。根據核電廠蒸汽發生器的實際運行參數和設計參數，利用蒸汽發生器四層熱阻傳熱模型得到蒸汽發生器出口理論蒸汽壓力，這代表了蒸汽發生器在沒有污垢情況下的最佳傳熱性能；理論最佳蒸汽壓力減去實際蒸汽壓力，反映了蒸汽發生器因沉積物在傳熱管沉積帶來的壓力(傳熱)損失。壓力損失比上最大設計壓損，可得到蒸汽發生器傳熱性能降低對汽輪機出力的影響程度；該計算模型，將蒸汽發生器與二回路汽輪機出力能力的評價聯系起來，將蒸汽發生器熱力性能降低的程度，用量化的百分數形式統一呈7T/CNEAXXXX—XXXX現，并結合汽輪機主蒸汽調節閥開度限值的實際運行現狀，提出不同的量化區間，以監測和評估蒸汽發生器的運行狀態。該評價指標可稱為狀態指標。8數，結合蒸汽發生器傳熱模型，參照流程圖A.1進行汽壓力土度，飽和溫利用傳熱方△tm2)/△tm1<0.迭代結束，計算下壓力修正計算結束9注：以熱工設計工況數據為基準，0堵管，0污垢T/CNEAXXXX—XXXX(資料性附錄)管束上沉積物質量每個取樣周期內懸浮鐵的遷移量可以通過該取樣周期內給水懸浮鐵濃度和給水流量計算。每個采樣周期內進入單臺蒸汽發生器的鐵氧化物累計量計算采用公式(B.1)進行計算：M主給水=(C主給水×F主給水×?T/1000)×1.38（B.1）式中:M主給水——主給水進入單臺蒸汽發生器的鐵氧化物累計(以Fe3O4計)，g；C主給水——主給水懸浮鐵濃度(以Fe計)，ug/kg，ppb；F主給水——目標SG在取樣時段內的主給水流量，t/h；ΔT——ARE懸浮鐵取樣累積時長，h；1.38——轉化系數，單質鐵轉化成Fe3O4的轉化系數，(56×3+16×4)/(56×3)=1.38。每個采樣周期內計算單臺蒸汽發生器排污移除的鐵氧化物累積量采用公式(B.2)進行計算。M排污=(C排污×F排污×?T/1000)×1.38（B.2）式中:M排污——APG排出單臺蒸汽發生器的鐵氧化物累計(以Fe3O4計)，g；C排污——APG懸浮鐵濃度(以Fe計)，ug/kg,ppb；F排污——取樣時段內的1個SG總的排污流量，t/h；一個燃料循環內，單臺蒸汽發生器腐蝕產物累積量M循環的計算公式(B.3)所示：M循環=M給水?M排污?M泥渣（B.3）式中:M泥渣——一個燃料循環結束后單臺蒸汽發生器二次側壓力沖洗收集的淤渣凈重(以Fe3O4計)，g；蒸汽發生器內部腐蝕量M內部占M循環質量的10%，其余雜質含量占M循環質量的2%。一個循環中蒸汽發生器中總的沉積物質量M循環總如公式(B.4)所示。M循環總=M循環+M內部+M雜質（B.4）式中:M循環總——一個燃料循環結束后單臺蒸汽發生器沉積物總重(以Fe3O4計)，g；M內部——一個燃料循環結束后單臺蒸汽發生器內部腐蝕產生的沉積物總重(以Fe3O4計)，g；T/CNEAXXXX—XXXXM雜質——一個燃料循環結束后單臺蒸汽發生器中累計的雜質總重(以Fe3O4計)，g。(資料性附錄)傳熱熱阻一次側冷卻劑對U形管壁的對流傳熱，一般屬于單相介質在管內強迫對流湍流放熱，Dittus-Boelter(迪圖斯-貝爾特)公式(C.1)應用最為廣泛。α1=λNu/di（C.1）式中:λ——冷卻劑熱導率，W/m2·K；di——傳熱管內徑，m；Nu——努賽爾數。Nu努塞爾數采用(C.2)公式進行計算：(C.2)Nu=0.023Re0.8Pr0.4(C.2)式中:Re——傳熱管內流體的雷諾數；Pr——傳熱管內流體的普朗特數。二次側沸騰傳熱通常采用Jens-Lottes(詹斯-洛特斯)(C.3)公式。?sat=tw?ts=0.7920370.25（C.3）式中:ΔT——放熱溫差，℃;tw——壁面溫度，℃;ts——水的飽和溫度，℃;q——熱流密度，MW/m2。α2采用(C.4)公式和(C.3)公式進行迭代計算：α2=（C.4）管壁導熱熱阻采用公式(C.5)計算：T/CNEAXXXX—XXXXRw=2ln（C.5）式中：λw——傳熱管材料的熱導率，W/m2·K。di——傳熱管內徑，m；do——傳熱管外徑，m；de——傳熱管當量直徑，m。對于Inconel-690，其導熱系數隨溫度的變化見表C.6所示。表C.6Inconel-690導熱系數隨溫度的變化溫度℃200300400500導熱系數W/(m·K)21考慮污垢熱阻是為了加大蒸汽發生器二次側的傳熱面積，以補償存在于傳熱管表面的污垢對傳熱的影響，一回路水通常可保持很高的清潔度，因此一回路側的污垢熱阻可忽略不計。考慮到經濟性，二回路水質的要求不像對一回路水那樣嚴格，因而在傳熱管二回路側存在一定程度的污垢。CPR1000機組55/19型蒸發器推薦的為88×10-7m2·K/W。AP1000設計推薦的污垢熱阻值為193.89×10-7m2·K/W，本文件推薦的污垢熱阻為88×10-7m2·K/W。蒸汽發生器狀態指標參照流程圖E.1進行計算。蒸汽發生器狀蒸汽發生器狀態指標計算溫度、蒸汽壓力P、熱功率求得SG傳熱能力：管內傳熱系數、管外傳熱系數、管壁導熱系數SG和汽輪機的匹配裕度狀態指標n=(Pmax-P)/△P良好(加強關