防堵塞蒸汽发生器管束.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104067083 A (43)申请公布日 2014.09.24 C N 1 0 4 0 6 7 0 8 3 A (21)申请号 201280049942.8 (22)申请日 2012.08.30 13/272,524 2011.10.13 US F28F 9/013(2006.01) (71)申请人西屋电气有限责任公司 地址美国宾夕法尼亚州 (72)发明人 RM韦普费 JR施沃尔 CA温多夫 JR巴拉瓦格 (74)专利代理机构中国国际贸易促进委员会专 利商标事务所 11038 代理人罗闻 (54) 发明名称 防堵塞蒸汽发生器管束 (57) 摘要 一种管壳式蒸汽发生器。

2、，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。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.04.11 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/052959 2012.08.30 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/058873 EN 2013.04.25 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图8页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请。

3、 权利要求书2页 说明书5页 附图8页 (10)申请公布号 CN 104067083 A CN 104067083 A 1/2页 2 1.一种管壳式蒸汽发生器（10），所述管壳式蒸汽发生器包括： 细长的壳体（14,15,20），所述壳体具有沿着细长尺寸延伸的轴线； 管板（22），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（13），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（12）；和 多个串联间隔开的管支撑板（58），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至少一些通过孔（64），所述孔轴向延 。

4、伸贯穿所述管支撑板，其中，所述管支撑板设计成使得流体以一流体流量通过所述管支撑 板，调节所述流体流量，使得通过所述管支撑板的一些部分的流量大于通过所述管支撑板 的其它部分的流量。 2.根据权利要求1所述的蒸汽发生器（10），其中，通过改变所述管支撑板中的所述孔 （64）的几何结构来调节通过所述管支撑板（58）的流体流量。 3.根据权利要求2所述的蒸汽发生器（10），其中，所述管支撑板（58）中的供所述换热 管（13）延伸通过的一些孔（64）比供所述换热管延伸通过的其它孔大。 4.根据权利要求3所述的蒸汽发生器（10），其中，位于最上方的管支撑板（58）的在外 周（62）周围的供所述换热管（13。

5、）延伸通过的孔（64）比位于最上方的管支撑板的朝向中心 （60）的供所述换热管（13）延伸通过的孔小。 5.根据权利要求4所述的蒸汽发生器（10），其中，位于最上方的管支撑板（58）中的至 少一个包括多个位于最上方的管支撑板。 6.根据权利要求3所述的蒸汽发生器（10），其中，供所述换热管（13）延伸通过的所述 孔（64）在所述孔的外周上具有凸角（66），并且较大的孔具有从所述孔的中心线延伸至所 述凸角的较大的半径（68）。 7.根据权利要求3所述的蒸汽发生器（10），其中，所述换热管（13）具有冷段和热段，至 少一些所述管支撑板（58）中的所述孔（64）中的供所述热段通过的至少一些孔小于所述。

6、孔 中的供所述冷段通过的至少一些孔。 8.根据权利要求7所述的蒸汽发生器（10），其中，所述蒸汽发生器具有多个上管支撑 板（58）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孔（69）中的供所 述换热管的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。 9.根据权利要求8所述的蒸汽发生器（10），其中，至少一些所述下支撑板（58）中的所 述孔（64）中的供所述热段通过的至少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。 10.根据权利要求9所述的蒸汽发生器（10），其中，至少一些所述下支撑板（58）中的所 述孔（64）中的供所述热段通过的。

7、至少一些孔基本小于供所述冷段通过的所有孔。 11.根据权利要求1所述的蒸汽发生器（10），其中，所述换热管（13）是U形管，所述U 形管具有冷段和热段，通过所述管支撑板（58）的孔隙率来调节流体流量，使得供所述换热 管的冷段通过的所述孔中的大多数孔的管支撑板孔隙率大于供所述换热管的热段通过的 孔中的大多数孔的管支撑板孔隙率。 12.根据权利要求1所述的蒸汽发生器（10），其中，所述蒸汽发生器具有多个上管支撑 权 利 要 求 书CN 104067083 A 2/2页 3 板（58）和多个下管支撑板，贯穿所述上管支撑板的外周（62）的管支撑板孔隙率小于贯穿 同一上管支撑板的中央部分（60）的管支撑。

8、板孔隙率。 13.根据权利要求12所述的蒸汽发生器（10），其中，所述换热管（13）是U形管，所述U 形管具有冷段和热段，其中，通过所述上管支撑板的外周（62）的流体流量被调节成小于通 过所述上支撑板（58）的中央部分（60）的流体流量。 14.根据权利要求1所述的蒸汽发生器（10），其中，通过位于至少一些所述管支撑板 （58）中的中央管廊中的一系列开口（74）至少部分地调节所述流体流量。 权 利 要 求 书CN 104067083 A 1/5页 4 防堵塞蒸汽发生器管束 技术领域 0001 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。

9、，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 0002 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。

10、环形室；和布置在管束的U状弯曲部端部上方的给水环。 0003 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。

11、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。 0004 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。

12、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。

13、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 说 明 书CN 104067083 A 2/5页 5 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。 0005 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。 0006 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 0007 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。

14、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。

15、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。 0008 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。

16、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。 0009 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。

17、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。 说 明 书CN 104067083 A 3/5页 6 附图说明 0010 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： 0011 图1是竖直管。

18、壳式蒸汽发生器的透视图，局部剖视图； 0012 图2是在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； 0013 图3是沿着管壳式蒸汽发生器的管支撑板的沉积模式的图示； 0014 图4是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； 0015 图5是在根据在此描述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； 0016 图6是在根据在此描述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； 0017 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； 0018 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。

19、孔模式； 0019 图8是在此描述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 0020 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。

20、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。 0021 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。

21、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。 0022 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。

22、。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 说 明 书CN 104067083 A 4/5页 7 束处所述水被加热而产生蒸汽。 0023 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。 0024 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。

23、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。

24、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。 0025 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）。 0026 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。

25、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。 0027 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。

26、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。 0028 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。

27、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 说 明 书CN 104067083 A 5/5页 8 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。 0029 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。 0030 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。

28、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。 0031 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。

29、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。 说 明 书CN 104067083 A 1/8页 9 图1现有技术 说 明 书 附 图CN 104067083 A 2/8页 10 图2现有技术 说 明 书 附 图CN 104067083 A 10 3/8页 11 图3现有技术 说 明 书 附 图CN 104067083 A 11 4/8页 12 图4现有技术 说 明 书 附 图CN 104067083 A 12 5/8页 13 图5 说 明 书 附 图CN 104067083 A 13 6/8页 14 图6 说 明 书 附 图CN 104067083 A 14 7/8页 15 图7a现有技术 图7b 说 明 书 附 图CN 104067083 A 15 8/8页 16 图8 说 明 书 附 图CN 104067083 A 16 。