CN104067083B - 防堵塞蒸汽发生器管束 - Google Patents

Abstract

一种管壳式蒸汽发生器，其具有防堵塞换热管束，其中，管束内的管支撑板设计成具有可变的孔隙率，从而以这种方式调节局部二次侧流体状态（速度、质量、过热、空隙率等），以减小在管支撑板凸角处发生堵塞的潜在可能性，所述凸角更易于发生堵塞。

Description

防堵塞蒸汽发生器管束

技术领域

本发明整体涉及一种用于蒸汽发生器的管支撑设备，并且更加具体地涉及一种用于管壳式蒸汽发生器的管支撑设备，所述管支撑设备将在换热管外侧当中在管支撑板中的再循环流孔处发生的堵塞现象减至最小。

背景技术

压水核反应堆蒸汽发生器通常包括：竖直定向的壳体；多根U形管，所述多根U形管布置在壳体中而形成管束；管板，所述管板用于在与U状弯曲部相对的端部处支撑管；分隔板，所述分隔板与管板相配合；下封头，所述封头在管束的一个端部处形成一次流体入口集管而在管束的另一个端部处形成一次流体出口集管。一次流体进口喷嘴与一次流体进口集管流体连通而一次流体出口喷嘴与一次流体出口集管流体连通。蒸汽发生器二次侧包括：包围件，所述包围件布置在管束和壳体之间，以形成由位于外侧的壳体和位于内侧的所述包围件构成的环形室；和布置在管束的U状弯曲部端部上方的给水环。

已经经由通过反应堆的循环加热的一次流体通过一次流体入口喷嘴进入蒸汽发生器。从一次流体入口喷嘴开始，引导一次流体通过一次流体入口集管，经过U形管束，流出一次流体出口集管并且流经一次流体出口喷嘴，抵达反应堆冷却系统的其余部分。同时，将给水引入到蒸汽发生器二次侧(即，在管板上方，蒸汽发生器与管束外部交界的一侧)，通过连接到位于蒸汽发生器内侧的给水环的给水喷嘴。在一个实施例中，在进入蒸汽发生器时，给水与从水气分离器返回的水相混合。称作降液流的该混合物被引导顺着毗邻壳体的环形室向下，直到位于环形室底部处的管板致使水改变方向，与U形管的外部成热传递关系并且向上通过包围件的内侧。在水与管束成热传递关系循环流动的同时，热量从管中的一次流体传递到环绕管周围的水，从而致使环绕管周围的水的一部分转变成蒸汽。为了将这种蒸汽/水混合物与单相降液流区分开来，将这种混合物指定为管束流。然后蒸汽上升并且被引导通过将携带的水与蒸汽分离的水气分离器，然后水蒸汽离开蒸汽发生器并且通常循环通过涡轮机，以本领域中众所周知的方式发电。

因为一次流体包含放射性物质并且仅仅通过U形管壁与给水隔离开，所以U形管壁形成用于隔离这些放射性物质的一次边界的一部分。因此，重要的是，U形管壁通过被恰当地支撑来保持无缺陷，使得在U形管中不会出现裂缝，裂缝将导致放射性物质从一次流体进入到二次侧，这是不理想的结果。主要由多个横向间隔开的串联管支撑板来完成对U形管的支撑，所述串联管支撑板沿着管束的高度轴向定位并且换热管贯穿所述管支撑板，其中，所述换热管的端部延伸穿过管板并且固定到管板。支撑板中的孔通常具有：台肩(land)，所述台肩侧向支撑换热管；和位于台肩之间的凸角，所述凸角允许管束流和蒸汽通过。然而，在过去大约20年间已经在多种蒸汽发生器中报道出现管支撑板积垢或者堵塞的情况，并且这种情况日益增加，特别是在低pH值和高水平固体侵入蒸汽发生器的设备中。管支撑板积垢导致水位不稳，这必须通过降低功率水平直到能够对蒸汽发生器实施化学清洁为止来在短期内解决。已经注意到，积垢发生在管束的上部分，在该处压力下降，速度较高而且密度较低。设备操作人员关注于减小积垢可能性并且避免必须降低功率水平的必要性的管支撑板设计。

因此，新型支撑板设计和支撑板系统是理想的，该新型支撑板设计和支撑板系统将减小或者消除污物和沉淀物沉积在管束流体通路中，以增强蒸汽发生器在将热量从一次侧传递到二次侧时的持续效率。

在此描述的实施例的其它目的是提供一种不会减小这种蒸汽发生器的功率水平的改进方案。

发明内容

通过在此描述的实施例来实现这些和其它目的，所述实施例提供了一种管壳式蒸汽发生器，所述管壳式蒸汽发生器具有：细长的壳体，所述壳体具有沿着其细长尺寸延伸的轴线；和位于壳体内的管板，所述管板被大体横向于轴线支撑。多根换热管在壳体内从管板轴向延伸，多根换热管形成管束。管束具有多个串联间隔开的管支撑板，所述管支撑板分别基本横向于轴线定位并且基本在管束的宽度上延伸。管支撑板设计成使得流体以一流体流量流经管支撑板，调节所述流体流量，使得通过管支撑板的一些部分的流量比通过管支撑板的其它部分的流量大。优选地，通过改变管支撑板中的孔的几何结构来调节流经管支撑板的流体流量。理想地，供换热管延伸通过的一些孔比供换热管延伸通过的其它孔大。在一个实施例中，位于最上方的管支撑板的在外周周围的供所述换热管延伸通过的孔比位于最上方的管支撑板的朝向中心的供所述换热管延伸通过的孔小；并且，优选地，位于最上方的管支撑板包括多个位于最上方的管支撑板。在另一个实施例中，供换热管通过的孔在孔的外周上具有多个凸角，并且较大的孔具有较大的半径，所述半径从孔的中心线延伸至凸角。

通常，换热管具有冷段和热段，至少一些所述管支撑板中的所述孔中的供所述热段通过的至少一些孔小于所述孔中的供所述冷段通过的至少一些孔。优选地，所述蒸汽发生器具有多个上管支撑板和多个下管支撑板，至少一些所述下管支撑板中的所述孔中的供所述热段通过的至少一些孔小于至少一些所述上管支撑板中的所述孔中的至少一些孔。在又一个实施例中，至少一些所述下支撑板中的所述孔中的供所述热段通过的一些孔小于所述孔中的供至少一些所述冷段通过的至少一些孔。理想地，至少一些所述下支撑板中的所述孔中的供所述热段通过的一些孔基本小于供所述冷段通过的所有孔。

在又一个实施例中，蒸汽发生器包括U形换热管，所述U形换热管具有冷段和热段，通过改变管支撑板孔隙率来调节流体流量，使得通过管支撑板的供冷段通过的侧部的大部分的流体流量大于通过管支撑板的供热段通过的侧部的大部分的流体流量。较大意味着与在任何给定的高度处横跨管板跨度具有基本恒定孔隙率的设计相比，流体状态，例如，速度、质量、低温冷却等中的一个或多个发生改变。优选地，蒸汽发生器具有多个上管支撑板和多个下管支撑板，并且贯穿上管支撑板的外周的管支撑板孔隙率小于贯穿同一上管支撑板的中央部分的管支撑板孔隙率。通常，U形换热管具有冷段和热段，其中，在上支撑板的热段侧上，贯穿上管支撑板的外周的管支撑板孔隙率小于贯穿中央部分的管支撑板孔隙率。在又一个实施例中，通过位于至少一些管支撑板中的中央管廊中的一系列槽或者孔来至少部分地调节管支撑板孔隙率。

附图说明

当结合附图阅读时能够从以下优选实施例的描述中获得对本发明的进一步理解，在所述附图中：

图1是现有技术的竖直管壳式蒸汽发生器的透视图，局部剖视图；

图2是在现有技术的管壳式蒸汽发生器的管束区域中的管支撑板流动阻塞(堵塞)分布的图示；

图3是沿着现有技术的管壳式蒸汽发生器的管支撑板的沉积模式的图示；

图4是现有技术的管壳式蒸汽发声器的管束附近内的两相流速分布的示意图；

图5是在根据在此描述的本发明的一个实施例的管壳式蒸汽发生器的换热管支撑板中使用的相关孔模式的示意图；

图6是在根据在此描述的本发明的第二实施例的管壳式蒸汽发生器的支撑板中的相关换热管孔模式的示意图；

图7A是现有技术管支撑板的换热管孔模式的示意性平面图；

图7B示出了用本发明的一个实施例修改的在图7A中图解的孔模式；

图8是在此描述的本发明的另一实施例的另一管支撑板孔模式的示意性图示的平面图。

具体实施方式

现在参照附图，图1示出了采用多根U形管的蒸汽或者水蒸气发生器10，所述多根U形管形成管束12，以提供从一次流体传热以使二次流体蒸发或者沸腾所需的加热表面。蒸汽发生器10包括容器，所述容器具有：竖直定向的管状壳体部分14；包封上端部的顶部包封件或者碟形封头16；和包封下端部的大体半球状的下封头18。下壳体部分14的直径小于上壳体部分15的直径，并且截头圆锥状过渡部20连接上部分和下部分。管板22附接到下封头18并且具有布置在其中的多个孔24，以接收U形管13的端部。分隔板26居中布置在下封头18内，以将下封头分隔成两个隔间28和30，所述隔间28和30作为用于管束12的集管。隔间30是一次流体入口隔间并且具有与其流体连通的一次流体入口喷嘴32。隔间28是一次流体出口隔间并且具有与其流体连通的一次流体出口喷嘴34。因此，致使一次流体，即，进入流体隔间30的反应堆冷却剂流经管束12并且通过出口喷嘴34流出。

管束12由包围件36环绕，所述包围件36形成位于包围件36和壳体14以及包围件36和圆锥部分20之间的环形通道38。包围件36的顶部由下盖板40所覆盖，所述下盖板40包括与多根较大的管44流体连通的开口42。旋流叶片46布置在较大的管44内，从而当蒸汽流动通过该一次离心分离器时使流动通过所述管44的蒸汽旋转并且离心地移除包含在蒸汽中的一些水分。在该一次分离器中从蒸汽中分离出的水返回到下盖板40的顶表面。在流经该离心分离器后，蒸汽在抵达居中布置在碟形封头16内的蒸汽出口喷嘴50之前经过二次分离器48。

该发生器的给水进入结构包括给水入口喷嘴52，所述给水入口喷嘴52具有称作给水环54的大体水平部分和多个位于给水环之上的排放喷嘴56。通过给水入口喷嘴52供应的给水经过给水环54并且通过排放喷嘴56排出，而且在一个现有技术实施例中与从蒸汽分离的水相混合而且再次循环。然后混合物从下盖板40的上方向下流入到环形的降液通道38。然后水进入包围件36的下部分处的管束12并且在管束之间向上流动，在所述管束处所述水被加热而产生蒸汽。

水的沸腾行为和流体通过换热管的流动能够致使流体弹性激振或者湍流激振，这能够导致换热管振动，所述振动能够加速换热管磨损。多个串联间隔开的换热管支撑板58横向于壳体14的轴向尺寸定位并且具有供换热管延伸通过的孔。孔专门设计成支撑换热管并且提供供给水和再循环流动以及蒸汽通过其中的开口。

如上所述，在过去大约20年已经在多种蒸汽发生器中报道发生管支撑板积垢或者堵塞。管支撑板积垢能够导致需要避免的水位不稳。已经发现，在管束的上部分处出现积垢，在该处压力下降、速度更高而且密度降低。这能够在图2中示出的多个管支撑板的图示中发现，在图例中示出堵塞程度。在图2中示出的下方两个支撑板58代表从管板二次表面开始计数的第一和第五管支撑板，而上方两个支撑板58代表第八和第九管支撑板。通过参照图例能够轻易地发现在管支撑板8和9上发生堵塞。还能够发现的是主要在支撑板的供U形管蒸汽发生器换热管的热段通过的一侧上发生堵塞。热段是U形管的最靠近发生器的一次进气室的侧部。积垢不仅仅基本局限于上支撑板，而且还优先地发生在这些支撑板的热段侧的外周上。因存在于二次侧水中的氧化物沉积而导致出现积垢，从而导致支撑换热管的管支撑板的受影响的凸角部分或者全部堵塞。与此相比，能够从图2中示出的管支撑板1和5的图示中看见，在下管支撑板上几乎不存在氧化物沉积。积垢通常优先地朝向管支撑板底部发生，在该处再循环水进入到换热管的支撑孔的凸角中。

图3图解了在蒸汽发生器操作期间可能发生在换热管上的典型沉积模式。尽管与管支撑板积垢不同，但是这个示例中的附图图解了沉积物通常开始于第四管支撑板边缘附近的管束外周处，而且沿着管跨距增加至第五、第六和第七管支撑板(应当注意的是，底板是流量分配挡板，没有计入管支撑板中)。

图4示出了针对典型管壳式蒸汽发生器计算的两相流速分布。在最上方支撑板的外周处的热段侧上标注了较高的速度。热段侧上的管支撑板积垢看上去与速度更高因此压降更高的区域适度相关。

在下文描述的实施例调节通过管支撑板的再循环流体和给水的流动，以控制在管支撑板的已经显现出积垢的区域上的流速。图5是换热管支撑板58的示意性图示，所述换热管支撑板58应用了在此描述的一个实施例，用于调节向上流动通过管束的管束流或者壳体侧流(再循环流体、给水和蒸汽)，以增强蒸汽发生器的防堵塞能力。图解的方式通过提供“标准”损失系数和位于最上方的管支撑板中的一个或者多个的外周处的圆环62中的管支撑板孔隙率解决了在上管支撑板58的热段外周处发生的流束效应。通过在其余区域60中应用更大的孔设计的同时在圆环62中应用支撑换热管的标准孔设计来实现这种方法。利用这种方法，将更多的流动引导向具有圆环构造62的管支撑板的中心，使得这些支撑板外周处的速度减小。因为管束的非线性动态模型表示更高的结构负荷在位于最上方的管支撑板处沿着面内方向发生，所以对于这种孔模式结构完整性相对不受影响。

图6示出了用于增强蒸汽发生器的防堵塞能力的第二实施例。与参照图5描述的方案类似，图6中示出的实施例将管支撑板的较高阻力(即，较高的K系数)的区域置于在管束下部，以减小上管束区域中的速度。管支撑板的较高阻力部分示出为处于板2和3的较暗区域62中并且将更多的流动引导至冷段区域，而且所述管支撑板的较高阻力部分位于与上管束区域相比不易堵塞的区域中。在这个实施例中，在较亮区域60中应用“标准”K系数，而附图中示出的较暗区域通过使用供换热管通过其中的略微较小的孔而应用“增大”的K系数区域。

应当理解的是，根据蒸汽发生器的尺寸和其功率输出，管支撑板的数量可以根据蒸汽发生器而有所不同。

图7A和图7B图解了通过改变中心线至换热管通过其中的扩孔的凸角的径向距离而容易地调节管支撑板的K系数的一种方法。图7A示意性示出了简化形式的支撑板58并且图解了支撑换热管的现有技术管支撑板孔设计64的一个实施例。台肩70支撑管，同时凸角66允许管束流向上流过支撑板。图7B图解了凸角半径68如何能够在72处略微增大或者就此而言减小，以获得理想的K系数。凸角66尺寸的轻微变化能够对板损失系数产生显著影响。

从前述讨论中应当清楚调节单个管支撑板和管支撑板的竖直“叠层”当中的管支撑板K系数以优化管束的防堵塞能力的其它方法和布置方案。例如，图8示出了参照图5在上文描述的上管支撑板设计，其在管廊中具有附加流动槽或者其它开口74，这有助于进一步减小通过管支撑板外周周围的孔的流量。因此，尽管已经详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域中的技术人员应当理解的是，根据本公开的整体教导能够对那些细节实施多种修改方案和替代方案。因此，公开的具体实施例旨在仅仅阐释而非限制本发明的范围，本发明的范围由随附权利要求以及其任意和全部等同物给出。

Claims (13)

1.一种管壳式蒸汽发生器，所述管壳式蒸汽发生器包括：

细长的壳体，所述壳体具有沿着细长尺寸延伸的轴线；

管板，所述管板位于所述壳体内，被基本横向于所述轴线支撑；

多根换热管，所述多根换热管在所述壳体内从所述管板轴向延伸，所述多根换热管形成管束，其中一次流体在换热管内经过，二次流体绕换热管的外侧经过；和

多个串联间隔开的管支撑板，所述管支撑板分别定位成基本横向于所述轴线并且基本在所述管束的宽度上延伸，所述多根换热管中的基本每个通过单独的对应管支撑孔，所述管支撑孔轴向延伸贯穿所述管支撑板中的至少一些，其中，所述管支撑板设计成使得二次流体以一流体流量通过所述管支撑板中的管支撑孔，调节所述流体流量，使得通过所述管支撑板的一些管支撑孔的流量大于通过所述管支撑板的其它管支撑孔的流量。

2.根据权利要求1所述的蒸汽发生器，其中，通过改变所述管支撑板中的所述管支撑孔的几何结构来调节通过所述管支撑板的二次流体的流量。

3.根据权利要求2所述的蒸汽发生器，其中，所述管支撑板中的供所述多根换热管分别延伸通过的一些管支撑孔比供所述多根换热管分别延伸通过的其它管支撑孔大。

4.根据权利要求3所述的蒸汽发生器，其中，位于最上方的管支撑板的在管支撑板外周周围的供所述多根换热管分别延伸通过的管支撑孔比位于最上方的管支撑板的朝向中心的供所述多根换热管分别延伸通过的管支撑孔小。

5.根据权利要求3所述的蒸汽发生器，其中，供所述多根换热管分别延伸通过的所述管支撑孔在所述管支撑孔的外周上具有凸角，并且较大的管支撑孔具有从所述管支撑孔的中心线延伸至所述凸角的较大的半径。

6.根据权利要求3所述的蒸汽发生器，其中，所述多根换热管分别具有冷段和热段，至少一些所述管支撑板中的所述管支撑孔中的供所述热段通过的至少一些管支撑孔小于所述管支撑孔中的供所述冷段通过的至少一些管支撑孔。

7.根据权利要求6所述的蒸汽发生器，其中，所述蒸汽发生器具有多个上管支撑板和多个下管支撑板，并且其中，至少一些所述下管支撑板中的所述管支撑孔中的供所述多根换热管的所述热段分别通过的至少一些管支撑孔小于至少一些所述上管支撑板中的所述管支撑孔中的至少一些对应的管支撑孔。

8.根据权利要求7所述的蒸汽发生器，其中，至少一些所述下管支撑板中的所述管支撑孔中的供所述热段通过的至少一些管支撑孔小于在相同的下管支撑板中的所述管支撑孔中的供至少一些所述冷段通过的至少一些管支撑孔。

9.根据权利要求8所述的蒸汽发生器，其中，至少一些所述下管支撑板中的所述管支撑孔中的供所述热段通过的至少一些管支撑孔基本小于在相同的下管支撑板中的供所述冷段通过的所有管支撑孔。

10.根据权利要求1所述的蒸汽发生器，其中，所述多根换热管是U形管，所述U形管具有冷段和热段，通过所述管支撑板的孔隙率来调节流体流量，使得供所述多根换热管的冷段分别通过的所述管支撑孔中的大多数管支撑孔的管支撑板孔隙率大于供所述多根换热管的热段分别通过的管支撑孔中的大多数管支撑孔的管支撑板孔隙率。

11.根据权利要求1所述的蒸汽发生器，其中，所述蒸汽发生器具有多个上管支撑板和多个下管支撑板，贯穿所述上管支撑板的外周的管支撑板孔隙率小于贯穿同一上管支撑板的中央部分的管支撑板孔隙率。

12.根据权利要求11所述的蒸汽发生器，其中，所述多根换热管是U形管，所述U形管分别具有冷段和热段，其中，通过所述上管支撑板的外周的二次流体的流量被调节成小于通过所述上管支撑板的中央部分的二次流体的流量。

13.根据权利要求1所述的蒸汽发生器，其中，通过位于至少一些所述管支撑板中的中央管廊中的一系列开口至少部分地调节所述二次流体的流量。