此前，我國核電廠中只有秦山一期（30萬千瓦）蒸汽發(fā)生器由國內(nèi)設(shè)計，秦山二期（60萬千瓦）、秦山三期（70萬千瓦重水堆）、大亞灣、嶺澳一期和嶺澳二期等核電廠的蒸汽發(fā)生器均由國外公司設(shè)計。百萬千瓦核電廠蒸汽發(fā)生器的設(shè)計一直未完全實現(xiàn)自主化，主要核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)均掌握在外國公司手中。為響應(yīng)國家核電發(fā)展戰(zhàn)略提出的材料國產(chǎn)化和制造國產(chǎn)化的要求，同時基于遼寧紅沿河核電廠一期工程的實施，中國核動力研究設(shè)計院（NPIC）果斷做出自主化設(shè)計的決策，以適應(yīng)日益增長的壓水堆核電廠的設(shè)計和建造需求。
紅沿河核電一期工程是我國“十一五”期間首個批準(zhǔn)開工建設(shè)的核電項目，是我國首次一次開展4臺百萬千瓦核電機組標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化建設(shè)的核電項目，在國家核電發(fā)展中具有承上啟下的作用。此次針對紅沿河核電一期工程的蒸汽發(fā)生器的自主化設(shè)計屬國內(nèi)首次開展百萬千瓦級核電廠蒸汽發(fā)生器的設(shè)計攻關(guān)。該項攻關(guān)工作于2006年1月啟動，2010年9月設(shè)備竣工并交付業(yè)主。目前設(shè)備運行良好，各項性能指標(biāo)符合要求。
一、項目簡介
蒸汽發(fā)生器（SG）是核電站最為關(guān)鍵的主要設(shè)備之一，其主要功能包括：（1）將堆芯熱量傳遞至二次側(cè)產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電；（2）作為一、二回路的壓力邊界；（3）在正常停堆冷卻和某些事故工況下，導(dǎo)出堆芯的衰變余熱，保護反應(yīng)堆安全。
該項目完成了蒸汽發(fā)生器全面的設(shè)計及分析，包括：熱工水力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計及其力學(xué)分析、材料設(shè)計、關(guān)鍵制造、檢驗和試驗等技術(shù)設(shè)計以及制造、安裝和調(diào)試等全程技術(shù)服務(wù)。本項目蒸汽發(fā)生器為立式U形管自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器，由兩大部分組成。下部為自然循環(huán)驅(qū)動的換熱部分，由一次側(cè)的水室、管束和二次側(cè)的管束套筒、承壓殼體組成；上部由安裝于承壓殼體內(nèi)的汽水分離器和干燥器組成汽水分離部分。
二、關(guān)鍵技術(shù)研究和創(chuàng)新
蒸汽發(fā)生器的設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮電廠總體要求，包括核島土建的需要、系統(tǒng)設(shè)計和布置的需要、儀表控制的需要、在役檢查的需要和人員防護的需要，還要考慮設(shè)備功能的良好實現(xiàn)，設(shè)備的安全性，并要綜合考慮電廠的延壽等等。項目組從SG自主化設(shè)計技術(shù)路線的確立，到設(shè)計總體策劃、接口設(shè)計、設(shè)計開展、制造技術(shù)服務(wù)、安裝和調(diào)試技術(shù)服務(wù)，解決了諸多技術(shù)難點，掌握了SG設(shè)計的所有關(guān)鍵技術(shù)，并在諸如SG熱工水力分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料國產(chǎn)化等方面作出了創(chuàng)新。
1．熱工水力分析
（1）穩(wěn)態(tài)熱工水力計算
蒸汽發(fā)生器穩(wěn)態(tài)熱工水力計算用于確定SG的基本尺寸及在穩(wěn)定工況下的運行條件。蒸汽發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在高溫高壓條件下運行，并且二次側(cè)大部分區(qū)域為兩相流動狀態(tài)，計算分析難度大，通常以可靠的經(jīng)驗證的專業(yè)計算軟件為主進行計算。目前國外設(shè)計均針對特定SG型式開發(fā)了專用計算軟件，并對軟件中部分參數(shù)進行固化，其物理模型和數(shù)學(xué)模型均有一定的局限性。中國核動力研究設(shè)計院于上世紀(jì)90年代初引進了全套SG熱工水力計算軟件，經(jīng)過近二十年的消化吸收，對程序內(nèi)置模型和固化參數(shù)進行了解析，對程序模型進行了必要的修正和驗證。在消化吸收國外軟件的基礎(chǔ)上，改進了蒸汽發(fā)生器熱工水力模型，掌握了蒸汽發(fā)生器穩(wěn)態(tài)熱工水力分析的關(guān)鍵技術(shù)，形成了一套蒸汽發(fā)生器熱工水力設(shè)計分析方法，計算結(jié)果滿足總體設(shè)計要求。
（2）流動穩(wěn)定性分析
項目研究了蒸汽流量、給水流量、給水溫度、一次側(cè)流量和一次側(cè)進口溫度發(fā)生瞬態(tài)擾動時蒸汽發(fā)生器的水位、蒸汽壓力及二次側(cè)自然循環(huán)流量的響應(yīng)情況。分析表明，該項目SG的流動穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。
2．關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析
（1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的匹配性設(shè)計
該項目采用三維設(shè)計手段，開展了傳熱管/支承的尺寸公差分析、干涉檢查、虛擬裝配以及汽水分離器和干燥器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)尺寸鏈的分析，確保了零件公差與組件公差的匹配。另外，利用三維設(shè)計軟件對局部結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化設(shè)計，為力學(xué)評價提供保障，提高設(shè)備安全裕度和設(shè)計質(zhì)量。
（2）汽水分離裝置設(shè)計
設(shè)計了旋葉式分離器和干燥器兩部分組成的汽水分離裝置，兩部分結(jié)構(gòu)中間還設(shè)計了約
（3）給水環(huán)設(shè)計
該項目給水環(huán)采用在不銹鋼環(huán)管上設(shè)置36只J形噴嘴的結(jié)構(gòu)，有效避免了“汽錘”現(xiàn)象，另外對J形噴嘴的周向分布進行了合理分配，使給水流量的分配滿足設(shè)計要求。
（4）排污設(shè)計
該項目蒸汽發(fā)生器設(shè)計了連續(xù)排污結(jié)構(gòu)，在管板上部與第一塊支撐板之間大約400mm距離內(nèi)設(shè)置一塊流量分配板，中間開設(shè)一個大孔，孔的水力當(dāng)量直徑為管束當(dāng)量直徑的一半，一方面使進入管束流體的流速增加以加強沖刷管板二次側(cè)表面，另一方面使低流速區(qū)集中在管束中心，有利于雜質(zhì)的沉積，并使設(shè)在管巷中的排污管能有效地將泥渣吸出。
管束支承板結(jié)構(gòu)的好壞直接影響SG的性能，并決定其是否安全可靠。項目設(shè)計了四葉梅花形孔管束支承板結(jié)構(gòu)。
3．材料國產(chǎn)化設(shè)計和評定
該項目設(shè)計開展時，我國并未針對核電廠SG材料制定專門的材料標(biāo)準(zhǔn)，也沒有可用于核電廠SG的成熟材料牌號，SG材料仍按照RCC-M規(guī)范相關(guān)要求執(zhí)行。為此，項目組借鑒中國核動力研究設(shè)計院在反應(yīng)堆壓力容器和穩(wěn)壓器等設(shè)備上的國產(chǎn)化經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)外鍛件廠實際生產(chǎn)狀況，充分分析SG材料本身的特點和機理，提出了材料國產(chǎn)化的相關(guān)設(shè)計要求。
項目組進行了國內(nèi)外鍛件廠鍛造技術(shù)的廣泛調(diào)研，并與國內(nèi)鍛造廠進行深入溝通、分析和研究，基于RCC-M材料牌號的基礎(chǔ)制定了國產(chǎn)化材料的技術(shù)要求。設(shè)計上，對傳熱管、下封頭、管板、下筒體、錐筒體、上封頭、一二次側(cè)接管安全端、給水接管和二次側(cè)人孔座等提出首件評定的要求，確保關(guān)鍵復(fù)雜材料的制造質(zhì)量和質(zhì)量穩(wěn)定性。與二重、上重等鍛件廠開展了下封頭、管板、筒體、上封頭等鍛件的評定工作。不僅解決了該型SG材料的國產(chǎn)化供貨問題，而且對材料特性有了更深刻的認識，為后續(xù)制定我國核電用材料標(biāo)準(zhǔn)提供了大量的數(shù)據(jù)資料。
三、應(yīng)用情況
該型蒸汽發(fā)生器的設(shè)計在國內(nèi)獲得了廣泛的使用，由中國核動力研究設(shè)計院設(shè)計的同型蒸汽發(fā)生器（多達42臺）已應(yīng)用于多個核電工程項目。結(jié)合項目蒸汽發(fā)生器的設(shè)計技術(shù)，中國核動力研究設(shè)計院完成了自主三代核電堆型ACP1000中ZH-65型蒸汽發(fā)生器的研發(fā)，并已用于福清核電站5/6號機組和出口巴斯坦K2//K3項目。目前已完成設(shè)備的采購合同簽訂，已開始設(shè)備的生產(chǎn)制造。
四、社會經(jīng)濟效益
目前國內(nèi)在建和待批的核電項目絕大部分采用百萬千瓦級壓水堆型，蒸汽發(fā)生器作為其中的關(guān)鍵復(fù)雜設(shè)備之一，其自主化設(shè)計的實現(xiàn)對提升我國核電站自主化設(shè)計能力和建造水平以及核電站整體國產(chǎn)化率均具有重要意義。自主化設(shè)計降低了設(shè)備采購和核電站建造成本，減少了核電站采購、安裝、建造、調(diào)試等接口及接口處理時間，提高了工程建造效率，縮短了核電站建造周期，有力地保障了核電站的及時發(fā)電。該項目的設(shè)計充分結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)制造能力，拉動了相關(guān)設(shè)備制造和材料等行業(yè)的發(fā)展，促進了我國材料生產(chǎn)和裝備制造業(yè)能力的進一步提升。
