3.4 蒸汽发生器GNPS 蒸汽发生器是一个立式的、自然循环式的、产生饱和蒸汽的装置。

它由外壳、U 形传热管、汽水分离器和套筒等部件组成。

反应堆冷却剂在传热管内流动，把热量传递给管外的二回路水，二回路水在蒸汽发生器内自然循环，在它流经传热管外时有一部分水变成饱和蒸汽，供给主汽轮机和辅助设施。

作为反应堆的第二道屏障的组成部分，蒸汽发生器在有放射性的一回路系统和无放射性的二回路系统之间提供了屏障。

蒸汽发生器结构见图3.29。

3.4.1 蒸汽发生器稳态运行时热工流体力学3.4.1.1 两相流的流动型式和沸腾形式给水经倒J 形管向下流到下降通道并进入上升通道的底部。

在上升通道内，二回路水吸收一回路经U 形管传递的热量，其温度不断升高并产生沸腾。

沸腾过程从传热面某一点开始，这时的沸腾称为过冷沸腾(也称局部沸腾或欠热泡核沸腾)，即液体温度尚未达到饱和温度而传热面的壁温已高于相应压力下的流体饱和温度时，在边界层内发生的沸腾。

此时在传热面上汽泡的产生、长大和脱离强烈地扰动着液体边界层，提高了传热面与液体之间的热交换程度。

过冷沸腾中所形成的汽泡在主体液流中消失，液体流进空出的泡核区，又开始沸腾循环。

在传热面上形成汽泡时，蒸汽温度保持不变，传热表面温度因热量损失而暂时降低。

当流体继续沿传热管向上流动时，液体达到饱和温度，此时液体的沸腾称为饱和泡核沸腾。

它连续在主体液流中出现汽泡，故也称为整体沸腾。

它是蒸汽发生器主要的沸腾形式。

当传热面被汽膜覆盖以及发生在主体液流流道的汽泡多于传热面发生 的汽泡时，这种沸腾称为干壁沸腾。

对蒸汽发生器来说，干壁沸腾是一种不希望的沸腾图3.29 蒸汽发生器 1－蒸汽出口嘴管；2－蒸汽干燥器；3－旋叶式汽水分离器； 4－给水管嘴；5－水流；6－防振条；7－管束支撑板；8－管束围板；9－管束10－管板；11－隔板；12－主冷却剂出口；13－主冷却剂入口。

工况。

在给定的压力和流量的工况下，发生什么形式的沸腾取决于传热面和整体液流之间的温差。

当沸腾发生在流动液体中时，根据压力和温差而定的沸腾形式和对应的流动形式及换热系数见图3.30。

尽管实际发生的每种沸腾流动区的变化与许多相互独立的参数有关（如液体焓、密度、粘度、流速以及边界层厚度），但一般可由每个区的空泡份额来描述。

3.4.1.2 空泡份额、含汽量及它们之间的关系空泡份额：在流动系统中，空泡份额为所考察的区段内的蒸汽体积与汽－水混合 物总体积之比。

空泡份额常记为α。

含汽量(也称干度)：汽—水混合物的总质量流量中汽相质量流量所占的份额。

在流动系统中，含汽量的定义有两种，一种是平衡态含汽量，另一种是真实含汽量。

平衡态含汽量是在两相介质处于热力学平衡态的含汽量，即：fg f e H H H X /)(-=式中，e X 是平衡态含汽量，H 是两相混合物的焓，f H 是液体的饱和焓，fg H是汽化潜热。

含汽量e X 若为负值，意味着液体是欠热的；含汽量e X 大于1，则说明该流体为过热蒸汽。

真实含汽量是汽液两相流处于热力学非平衡态，即两相的温度不相等，它出现在欠热泡核沸腾区和干涸后的滴状流区域。

它反映了两相流的总流量中汽相流量所占的真实份额，用x 表示：f g g m m m x +=＝量汽液混合物的总质量流蒸汽的质量流量含汽量沿加热通道的分布如图3.31所示。

图中OBN 为欠热沸腾起始点，D 点为汽泡跃离点。

在区段Ⅰ内为高欠热沸腾，液体主流是高度欠热的，蒸汽的产生是一种壁面效应，液体中所含蒸汽非常少。

汽泡在传热面上以起沫方式生成，很稀疏并贴附在壁面上，汽泡长大和消失不渗透到主流中去。

图中E 点为低欠热沸腾区的终点，是真实含汽率)(z x 和平衡含汽率)(z X e 的交点。

在Ⅱ区段内主流中存在明显的泡状流。

S 点为平衡态饱和沸腾起始点。

按非平衡态模型理论，认为在Ⅱ区内只有部分热量用来提高流体的温度，而另一 部分热量用来使液相汽化，因此流体到达Ｓ点时，平衡态的焓虽已达到饱和焓值，但液相温度尚低于饱和温度，到达Ｅ点时液相才达到饱和值。

图3.30 对流沸腾传热区的换热系数与含汽量的关系图3.31 含汽量沿加热通道的分布空泡份额沿垂直加热管道的变化与含汽量趋势相同，只是在饱和沸腾开始后，空泡份额很大，在饱和沸腾末期的滴状-环状流中可达到0.9。

含汽量与空泡份额之间的关系如图3.32所示。

从图中可以看出：图3.32 含汽量与空泡份额之间的关系(1)由于蒸汽的比容比水的比容大得多，即f g u u 》υ，所以很小的含汽量对应的汽泡份额较大。

例如蒸汽压力为6.0MPa 时，含汽量x ＝0.2，对应的汽泡份额α≈0.7；(2)在含汽量ｘ很小时（例如x ＜0.1），ｘ的一个很小的变化将会引起α的很大的变化；(3)蒸汽压力越低，上述效应越明显；(4)高负荷时，汽泡份额随ｘ的变化量小；低负荷时，汽泡份额随ｘ的变化量大。

3.4.1.3 蒸汽发生器二次侧水自然循环的机理蒸汽发生器二次侧水进行循环的动力是水的自重，或者说是工质在下降段和上升段的密度差，而不是依靠泵的强制循环，所以叫自然循环。

在蒸汽发生器的下降通道和上升通道中，水的重力作用是怎样促成自然循环的呢?请看图3.33。

如图3.33(a)，在没有汽水分离器的情况下，两侧水柱压力平衡，即：图3.33 汽水分离器对上升管道水位的影响r r d d gz gZ ρρ=如图3.33（b ），在带有汽水分离器的情况下，上升通道的水柱密度与没有汽水分离器时的密度相同，但水柱高度因有汽水分离器而降低了，其结果是下降段水柱的压力大于上升段水柱的压力，即：r r d gZ gZd 'ρρ＞两侧液柱的压差ΔΡd 就是自然循环的驱动压头，它强迫饱和汽水混合物在上升通道向上流动并克服流动的阻力。

其大小为：r r d d d gZ gZ P 'ρρ-=∆为了满足自然循环的要求，驱动压头的大小必须足以克服蒸汽发生器内汽水混合物在整个流道中的摩擦阻力。

有助于自然循环的第二个因素是汽水分离出来的水。

离开上升通道的饱和汽水混合物中的水份受离心力的作用被分离出来，并在重力作用下进入下降通道，增加了下降通道的总压头，因此增加了驱动压头△P d 。

帮助自然循环的第三个因素是汽轮机高压缸进汽控制阀的开启。

当进汽阀打开时，蒸汽发生器内的压力降低，使上升通道产生的沸腾现象增加，从而使上升段水的密度再度降低。

另外，高压进汽阀的打开也增加了蒸汽发生器出口的质量流量，它影响到上升通道饱和汽水混合物的质量流量，但这种影响被上升通道摩擦阻力和汽水分离器阻力的增加所抵消。

所以其净结果是，当进入汽机的蒸汽质量流量增加时，在上升通道的饱和汽水混合物质量流量保持相对不变。

对蒸汽发生器自然循环的各种相互影响因素的研究及其完整的定量分析非常复杂，它对于设计工程师来说是很重要的。

对于运行人员，则只要求掌握反映蒸汽发生器二次侧水的两个定量概念，即循环倍率和再循环流量率。

3.4.1.4 循环倍率和再循环流量率循环倍率是表征通过管束二次侧循环流量是否充分的一种粗糙的度量。

它定义为在 蒸汽发生器中每产生单位质量蒸汽所需的循环水质量。

一般所设计的蒸汽发生器的循环倍率要使管束区出口处的蒸汽含量不超过20～25%。

GNPS 蒸汽发生器在额定功率下，工作压力为6. 71MPa 时，循环倍率约为3.7～3.8。

1. 再循环流量、循环流量再循环流量G r 是从流经汽水分离器的湿蒸汽中分离出来的水流量。

这些饱和水流入下降通道与给水流量G a 相混合，混合后的流量称为循环流量G T （或G d ）。

循环流量既是下降通道的总流量，也是上升通道的总流量，在稳态工况下，它等于再循环流量G r 和给水流量G a （或蒸汽流量G v ）之和。

如图3.34所示。

它们的数学表达式为：a r T G G G +=在稳态工况下，蒸汽流量等于给水流量：a v G G =则：v r T G G G +=２. 循环倍率 循环倍率（C.R.）的定义是循环流量与给水流量或蒸汽流量的比值：图3.34 循环流量与再循环流量的关系a TG G R C =..或： vvr G G G R C +=.. 或： a ar G G G R C +=..3. 再循环流量率 再循环流量率（R ．R ）的定义是再循环流量与给水流量的比值：a rG G R R =..循环倍率与再循环流量率的关系为：1....+=R R R C为了满足汽机工作，需要一定的蒸汽质量流量；为了使蒸汽发生器具有一定的效率，要求有一定的再循环流量。

循环倍率是蒸汽流量与再循环流量之间相互关系的评估尺度。

在蒸汽发生器运行时，循环倍率是随负荷而变的。

从循环倍率的定义式中可知，它实际上等于含汽量的倒数。

典型的蒸汽发生器循环倍率与负荷之间的关系如图3.35所示。

图3.35 循环倍率与负荷的关系4. 循环流量、再循环流量与功率的关系在零功率时，蒸汽发生器充水到34%水位。

如果反应堆处于热停堆状态，则蒸汽发生器二次侧处于汽水共存的饱和态，这时上升通道和下降通道的水温几乎是相同的。

当功率增加时，更多的热量传给二次侧水，上升通道内水的汽化量不断增加，蒸汽的排出量也随之增多，因而给水量也增加，上述两通道内工质的温差逐渐加大。

低功率时，水在管束顶部附近开始饱和沸腾；高功率时，水在上升通道的较低些的位置发生饱和沸腾；当功率达到100%时，上升通道的水是沫态沸腾（饱和蒸汽与饱和水的混合物），这种沫态混合物可用泡状－块状流型来描述。

饱和的沫态混合物柱的顶部在靠近一级汽水分离器旋叶底部处。

在功率较低时，随着功率的增加，更多的热量经U 形管传导出来，发生更多的沸腾，使上升通道水的密度降低，从而导致驱动压头ΔP d 相对于功率增加有一个明显的增加，引起循环流量增加。

另一方面，蒸汽发生器二次侧流体的摩擦阻力ΔΡf 与流体的流速有关，它是饱和 汽水混合物动能的函数（221mv P f =∆）。

ΔΡf 的增加起到减小循环流量的作用。

ΔΡd 和ΔΡf 都是随功率的增加而以抛物线形增加的，且两者对质量流量有相反的作用。

所以在功率40～80%之间，上升通道中饱和汽水混合物质量流量(即循环流量)基本保持不变。

蒸汽发生器运行影响再循环流量的因素是流入汽水分离器的蒸汽夹带的水滴。

当上升段液体开始汽化变为蒸汽时，液体膨胀并加速流动，在功率和蒸汽流速增加时，夹带更多的水滴进入汽水分离器。

但是在较高功率时增加功率，沸腾在上升段较低位置发生，进入汽水分离器湿度小，这是因为在较高功率下夹带的水滴或掉落回到上升段，或在水滴到达管束上部时已变成蒸汽，因此开始再循环流量随功率增加而增加，直到功率达到约40%P n 为止。

在功率超过40%P n 时，由于深度泡核沸腾使摩擦阻力ΔΡf 以抛物线形急剧增加，从而减小了沫态混合物的质量流速，因而再循环流量逐渐减小。