此前，我國核電廠中只有秦山一期（30萬千瓦）蒸汽發生器由國內設計，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生器均由國外公司設計。百萬千瓦核電廠蒸汽發生器的設計一直未完全實現自主化，主要核心技術和關鍵技術均掌握在外國公司手中。為響應國家核電發展戰略提出的材料國產化和制造國產化的要求，同時基于遼寧紅沿河核電廠一期工程的實施，中國核動力研究設計院（NPIC）果斷做出自主化設計的決策，以適應日益增長的壓水堆核電廠的設計和建造需求。
紅沿河核電一期工程是我國“十一五”期間首個批準開工建設的核電項目，是我國首次一次開展4臺百萬千瓦核電機組標準化、規模化建設的核電項目，在國家核電發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生器的自主化設計屬國內首次開展百萬千瓦級核電廠蒸汽發生器的設計攻關。該項攻關工作于2006年1月啟動，2010年9月設備竣工并交付業主。目前設備運行良好，各項性能指標符合要求。
一、項目簡介
蒸汽發生器（SG）是核電站最為關鍵的主要設備之一，其主要功能包括：（1）將堆芯熱量傳遞至二次側產生蒸汽驅動汽輪機發電；（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，導出堆芯的衰變余熱，保護反應堆安全。
該項目完成了蒸汽發生器全面的設計及分析，包括：熱工水力分析、結構設計及其力學分析、材料設計、關鍵制造、檢驗和試驗等技術設計以及制造、安裝和調試等全程技術服務。本項目蒸汽發生器為立式U形管自然循環式蒸汽發生器，由兩大部分組成。下部為自然循環驅動的換熱部分，由一次側的水室、管束和二次側的管束套筒、承壓殼體組成；上部由安裝于承壓殼體內的汽水分離器和干燥器組成汽水分離部分。
二、關鍵技術研究和創新
蒸汽發生器的設計是一個復雜的系統工程，需要綜合考慮電廠總體要求，包括核島土建的需要、系統設計和布置的需要、儀表控制的需要、在役檢查的需要和人員防護的需要，還要考慮設備功能的良好實現，設備的安全性，并要綜合考慮電廠的延壽等等。項目組從SG自主化設計技術路線的確立，到設計總體策劃、接口設計、設計開展、制造技術服務、安裝和調試技術服務，解決了諸多技術難點，掌握了SG設計的所有關鍵技術，并在諸如SG熱工水力分析、結構優化設計、材料國產化等方面作出了創新。
1．熱工水力分析
（1）穩態熱工水力計算
蒸汽發生器穩態熱工水力計算用于確定SG的基本尺寸及在穩定工況下的運行條件。蒸汽發生器內部結構復雜，在高溫高壓條件下運行，并且二次側大部分區域為兩相流動狀態，計算分析難度大，通常以可靠的經驗證的專業計算軟件為主進行計算。目前國外設計均針對特定SG型式開發了專用計算軟件，并對軟件中部分參數進行固化，其物理模型和數學模型均有一定的局限性。中國核動力研究設計院于上世紀90年代初引進了全套SG熱工水力計算軟件，經過近二十年的消化吸收，對程序內置模型和固化參數進行了解析，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上，改進了蒸汽發生器熱工水力模型，掌握了蒸汽發生器穩態熱工水力分析的關鍵技術，形成了一套蒸汽發生器熱工水力設計分析方法，計算結果滿足總體設計要求。
（2）流動穩定性分析
項目研究了蒸汽流量、給水流量、給水溫度、一次側流量和一次側進口溫度發生瞬態擾動時蒸汽發生器的水位、蒸汽壓力及二次側自然循環流量的響應情況。分析表明，該項目SG的流動穩定性滿足設計要求。
2．關鍵結構設計和分析
（1）復雜結構的匹配性設計
該項目采用三維設計手段，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雜結構尺寸鏈的分析，確保了零件公差與組件公差的匹配。另外，利用三維設計軟件對局部結構進行分析和優化設計，為力學評價提供保障，提高設備安全裕度和設計質量。
（2）汽水分離裝置設計
設計了旋葉式分離器和干燥器兩部分組成的汽水分離裝置，兩部分結構中間還設計了約
（3）給水環設計
該項目給水環采用在不銹鋼環管上設置36只J形噴嘴的結構，有效避免了“汽錘”現象，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計要求。
（4）排污設計
該項目蒸汽發生器設計了連續排污結構，在管板上部與第一塊支撐板之間大約400mm距離內設置一塊流量分配板，中間開設一個大孔，孔的水力當量直徑為管束當量直徑的一半，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表面，另一方面使低流速區集中在管束中心，有利于雜質的沉積，并使設在管巷中的排污管能有效地將泥渣吸出。
管束支承板結構的好壞直接影響SG的性能，并決定其是否安全可靠。項目設計了四葉梅花形孔管束支承板結構。
3．材料國產化設計和評定
該項目設計開展時，我國并未針對核電廠SG材料制定專門的材料標準，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規范相關要求執行。為此，項目組借鑒中國核動力研究設計院在反應堆壓力容器和穩壓器等設備上的國產化經驗，結合國內外鍛件廠實際生產狀況，充分分析SG材料本身的特點和機理，提出了材料國產化的相關設計要求。
項目組進行了國內外鍛件廠鍛造技術的廣泛調研，并與國內鍛造廠進行深入溝通、分析和研究，基于RCC-M材料牌號的基礎制定了國產化材料的技術要求。設計上，對傳熱管、下封頭、管板、下筒體、錐筒體、上封頭、一二次側接管安全端、給水接管和二次側人孔座等提出首件評定的要求，確保關鍵復雜材料的制造質量和質量穩定性。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材料的國產化供貨問題，而且對材料特性有了更深刻的認識，為后續制定我國核電用材料標準提供了大量的數據資料。
三、應用情況
該型蒸汽發生器的設計在國內獲得了廣泛的使用，由中國核動力研究設計院設計的同型蒸汽發生器（多達42臺）已應用于多個核電工程項目。結合項目蒸汽發生器的設計技術，中國核動力研究設計院完成了自主三代核電堆型ACP1000中ZH-65型蒸汽發生器的研發，并已用于福清核電站5/6號機組和出口巴斯坦K2//K3項目。目前已完成設備的采購合同簽訂，已開始設備的生產制造。
四、社會經濟效益
目前國內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，蒸汽發生器作為其中的關鍵復雜設備之一，其自主化設計的實現對提升我國核電站自主化設計能力和建造水平以及核電站整體國產化率均具有重要意義。自主化設計降低了設備采購和核電站建造成本，減少了核電站采購、安裝、建造、調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電。該項目的設計充分結合國內生產制造能力，拉動了相關設備制造和材料等行業的發展，促進了我國材料生產和裝備制造業能力的進一步提升。
