汽水分離器性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

張福君，國(guó)金蓮

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

1 概 述

某核電廠的啟、停堆的系統(tǒng)中，汽水分離器是該系統(tǒng)的主要設(shè)備。汽水分離器的工作介質(zhì)將經(jīng)歷過(guò)冷水、飽和水、汽水兩相、飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽五個(gè)階段，汽水分離器的工作壓力從5MPa逐漸升壓到13.9MPa，同時(shí)，工質(zhì)有相變的過(guò)程存在，由最初的105℃升溫到設(shè)備的工作溫度570℃。要求核島啟、停堆時(shí)，投運(yùn)的設(shè)備必須安全可靠。在核電廠正常運(yùn)行時(shí)，啟、停堆的設(shè)備必須隨時(shí)處在備用狀態(tài)，確保核島停堆時(shí)能夠及時(shí)地投入運(yùn)行。因此，汽水分離器設(shè)備必須具備儲(chǔ)水、汽水分離、系統(tǒng)穩(wěn)壓、蒸汽通道四項(xiàng)基本功能。綜上所述，設(shè)計(jì)汽水分離器時(shí)，必須保證設(shè)備的性能穩(wěn)定、功能可靠、運(yùn)行安全，并且應(yīng)充分考慮汽水分離器的分離功效，要求在高溫高壓及各種變工況條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

綜合這些因素，汽水分離器設(shè)備的設(shè)計(jì)難度較大。首先，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可循可依，更沒(méi)有可以參考和借鑒的相關(guān)方案，雖然有類似的設(shè)備為例，但可供參考的數(shù)據(jù)有限；其次，在材料疲勞和蠕變的雙重影響下，目前仍無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料可借鑒。在個(gè)別標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)材料的蠕變有相關(guān)論述，包括材料的蠕變時(shí)間和蠕變溫度的界定，但均從單一載荷作用和特定使用條件下進(jìn)行的分析和論證，沒(méi)有給出深層次和廣泛意義的論證和描述，所以，確定該設(shè)備參數(shù)是非常困難的，設(shè)計(jì)時(shí)，必須全面分析各種介質(zhì)工況條件，結(jié)合設(shè)備的功效，重新進(jìn)行全方位的論證。

2 汽水分離器的工作原理

核電啟、停堆系統(tǒng)中的汽水分離器，不同于以往核電廠中的汽水分離器。現(xiàn)設(shè)計(jì)中的汽、水分離功效僅是其中主要性能之一，還要有儲(chǔ)水、系統(tǒng)穩(wěn)壓、防止蒸汽發(fā)生器過(guò)度膨脹等性能，而且對(duì)汽、水分離的干度要求較高。汽水分離的原理有離心式分離、沉降分離、吸附捕獲擾動(dòng)分離這3種基本方法。

（1）旋轉(zhuǎn)離心式分離

圖1 汽水分離器簡(jiǎn)圖

介質(zhì)通過(guò)切向斜管進(jìn)入汽水分離器內(nèi)，具體結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖1所示。當(dāng)汽、水兩相介質(zhì)沿設(shè)備內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，因汽、水2種介質(zhì)密度不同，致使蒸汽向心匯聚進(jìn)而向上流動(dòng)，水沿設(shè)備內(nèi)壁向下流動(dòng)。汽、水混合物進(jìn)入設(shè)備時(shí)，即要有足夠的能量保證離心流動(dòng)，又要防止汽水混合物對(duì)設(shè)備內(nèi)壁的沖蝕。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介質(zhì)入口為水時(shí)，流速設(shè)計(jì)為0.9m／s，全部為飽和蒸汽時(shí)，設(shè)計(jì)流速為27m／s；此流速可以保證汽、水兩相流體在設(shè)備內(nèi)離心旋轉(zhuǎn)三圈，對(duì)設(shè)備內(nèi)壁不會(huì)引起沖蝕損傷。

（2）沉降分離

根據(jù)力的平衡原理，控制蒸汽向上流動(dòng)速度，使蒸汽流動(dòng)產(chǎn)生對(duì)液滴的上浮力小于液滴的重力。通過(guò)控制設(shè)備內(nèi)蒸汽向上的流動(dòng)速度，保證大液滴自由順暢地向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，向上流動(dòng)的蒸汽也使較小液滴快速向上運(yùn)動(dòng)，因液滴在設(shè)備內(nèi)分布的不均勻和液滴大小的不同，促使小液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生互相碰撞溶合，在水的張力作用下形成大液滴，當(dāng)液滴的重力大于上浮力，液滴自動(dòng)地向下流動(dòng)，保證汽、水的進(jìn)一步分離，該汽水分離器內(nèi)分離液滴的最大直徑為1mm，稍大的液滴將被自動(dòng)地分離，并向下流動(dòng)。

（3）吸附捕獲分離

當(dāng)蒸汽攜帶的較小液滴，碰撞到吸附面而自動(dòng)聚集下落實(shí)現(xiàn)分離。這是采用了立式百葉窗分離器和波形板分離器等二次元件，使蒸汽的運(yùn)行方向發(fā)生改變，而液滴在改變流動(dòng)方向時(shí)，將在板面上聚集成大液滴，并通過(guò)導(dǎo)流管流入下層的水空間。通過(guò)這3種分離原理，保證分離器蒸汽出口處蒸汽干度的品質(zhì)要求。

3 選取汽水分離器內(nèi)徑和容積的依據(jù)

根據(jù)核島啟、停堆時(shí)工況的特殊要求，汽水分離器既要在高溫高壓的工況下工作，有時(shí)還工作在低溫高壓下，工況的變化較大。在低壓高溫的過(guò)熱蒸汽條件下，汽水分離器內(nèi)向上流動(dòng)的蒸汽截面速度必須小于1.5m／s，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可知當(dāng)截面流速超過(guò)此數(shù)值時(shí)，蒸汽將攜帶大量直徑較大的液滴，快速流過(guò)分離器的沉降區(qū)域，將嚴(yán)重影響汽、水的沉降分離功能，極大地降低了汽水分離器出口處蒸汽的干度品質(zhì)。應(yīng)使百葉窗或波紋板免受沖蝕損壞，如果二次分離元件被損傷，汽、水將無(wú)法被充分分離，也會(huì)影響整套設(shè)備運(yùn)行的安全性。根據(jù)汽水分離器的截面流速的要求，將流速控制在1.5m／s安全范圍內(nèi)，故設(shè)備內(nèi)徑選取為1150mm。

根據(jù)等焓擴(kuò)容的原理計(jì)算汽水分離器的容積，進(jìn)入汽水分離器的介質(zhì)是過(guò)冷水－飽和水－汽、水兩相－飽和蒸汽－過(guò)熱蒸汽，分離功能區(qū)段內(nèi)是飽和水與飽和蒸汽之間的介質(zhì)，根據(jù)各工況條件下的介質(zhì)干度，分別計(jì)算汽水分離器的容積，設(shè)備容積必須滿足氣體空間和液體空間兩者的容積之和。根據(jù)最大介質(zhì)流量38kg／s，計(jì)算各種工況下的氣體容積和水容積，汽水分離器的最小容積應(yīng)滿足上述各工況條件所計(jì)算的容積之和，其次考慮蒸汽在設(shè)備內(nèi)的行程，以保證蒸汽的上升高度，滿足沉降分離所需的高度要求，要考慮當(dāng)蒸汽發(fā)生器發(fā)生膨脹時(shí)，汽水分離器能接收蒸汽發(fā)生器發(fā)生膨脹時(shí)壓出的大量水量，此時(shí)，汽水分離器內(nèi)的飽和水量迅速增多。最終選定汽水分離器的空間容積為8.0m3。

4 汽水分離器材料的選取原則

因汽水分離器的工作壓力為13.9MPa，在570℃的高溫高壓工況下，汽水分離器的筒體需采用耐高溫、耐高壓的材料，同時(shí)要具有耐沖刷和耐沖蝕性能，重點(diǎn)考慮材料發(fā)生高溫蠕變時(shí)，對(duì)材料機(jī)械性能的影響。綜合各種因素，汽水分離器筒體、封頭和各接管的材料選用了ASME標(biāo)準(zhǔn)體系的SA－336F91整體鍛件，此種材料廣泛應(yīng)用于高溫、高壓的工況條件下，特別在超臨界鍋爐和超超臨界鍋爐的聯(lián)箱上，大量采用了該種材料，驗(yàn)證了材料性能的穩(wěn)定性和安全性。SA－336F91材料的化學(xué)成份和機(jī)械性能，見(jiàn)表1、表2所示。

表1 材料的主要化學(xué)成分 %

表2 材料的主要機(jī)械性能指標(biāo)

5 汽水分離器壁厚的計(jì)算和選取原則

汽水分離器處在過(guò)冷水—飽和水—飽和蒸汽—過(guò)熱蒸汽4種介質(zhì)狀態(tài)下工作，對(duì)設(shè)備的承載能力是非常苛刻的考驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)各種工況進(jìn)行全面分析，包括材料使用狀態(tài)、材料機(jī)械性能的變化等等。當(dāng)分離器內(nèi)介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽階段時(shí)，工作溫度為570℃，此時(shí)筒壁材料處于高溫和內(nèi)壓載荷的雙重作用下，金屬的變形將隨時(shí)間而不斷增加，此時(shí)，材料有發(fā)生蠕變的可能，因此，汽水分離器的壁厚強(qiáng)度計(jì)算，分別采用了常規(guī)設(shè)計(jì)方法和應(yīng)力分析方法。

（1）常規(guī)計(jì)算

使用SW6－1999軟件，依據(jù)ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)BPVC－Ⅲ核設(shè)施部件建造規(guī)范第1冊(cè)NH分卷中的NH－2160，選取許用應(yīng)力，根據(jù)GB150－1998《鋼制壓力容器》相關(guān)強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，按等效原理進(jìn)行切向斜接管的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算；應(yīng)力分析計(jì)算參照J(rèn)B4732－1995《鋼制壓力容器－應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)》，采用ANSYS10.0進(jìn)行建模計(jì)算，施加內(nèi)壓力載荷、考慮高溫蠕變對(duì)設(shè)備的影響、施加接管外載荷作用后，接管根部薄膜加彎曲應(yīng)力的評(píng)定、考慮溫度載荷產(chǎn)生的局部溫差應(yīng)力；參考BS EN 13445－3：2009Clause 19蠕變?cè)O(shè)計(jì)的許用應(yīng)力調(diào)整，按ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)BPVC－Ⅲ核設(shè)施部件建造規(guī)范NC分卷，計(jì)算出汽水分離器壁厚，并且考慮汽水分離器承受疲勞、循環(huán)交變的承載過(guò)程和蠕變的影響。

單從預(yù)防蠕變損傷角度考慮，可以通過(guò)增加設(shè)備壁厚，采用補(bǔ)償方法降低蠕變損傷程度，即用增加壁厚方法，將蠕變損傷的時(shí)間盡量延長(zhǎng)，以保證設(shè)備的使用壽命；從疲勞損傷角度考慮，設(shè)備的壁厚越薄越好，因?yàn)樵跐M足內(nèi)壓強(qiáng)度要求的情況下，壁厚較薄時(shí)，內(nèi)、外壁溫差所產(chǎn)生的徑向溫差應(yīng)力較小，設(shè)備的疲勞損傷程度越小，可增強(qiáng)設(shè)備抗疲勞能力。這兩者是相互牽連和相互制約的，需兼顧考慮后進(jìn)行設(shè)計(jì)。

綜合上述各種方法計(jì)算的結(jié)果，考慮到材料的穩(wěn)定性、汽水分離器設(shè)備的特殊性，以及材料受高溫蠕變的影響和設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命，最終選定汽水分離器的壁厚為175mm。

6 汽水分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽水分離器應(yīng)采用整體鍛件進(jìn)行制造，即筒體采用3節(jié)筒型鍛件，設(shè)備兩端采用球型封頭鍛件，主要接管均與相應(yīng)筒體或封頭采用一體鍛制，整體設(shè)備只有環(huán)向焊接接頭，且采用雙面焊或單面焊雙面成形的全焊透結(jié)構(gòu)。在筒體中、下部接管入口處，采用局部加厚的方法，滿足接管和切向接管在局部的承載要求。在介質(zhì)入口處的筒體部位，堆焊了鎳基合金材料，加強(qiáng)該處的抗沖刷能力。

汽水分離器的介質(zhì)入口為切向接管，并與水平成10°夾角，在設(shè)備內(nèi)，介質(zhì)進(jìn)入后形成離心旋轉(zhuǎn)而加速，初步進(jìn)行汽、水分離；用沉降分離的方法，再次實(shí)現(xiàn)了汽、水的進(jìn)一步分離，使汽水分離器的初始分離干度在70%左右，采用二次分離元件波紋板或百葉窗，將汽水分離器的分離干度提高至85%～90%，并且在蒸汽出口部位裝焊了穩(wěn)流擾動(dòng)裝置，進(jìn)而使蒸汽平穩(wěn)進(jìn)入管道，在疏水出口處設(shè)計(jì)了防渦流裝置，確保疏水能平穩(wěn)、連續(xù)地排出設(shè)備。

汽水分離器不僅設(shè)有介質(zhì)入口接管、蒸汽出口接管和疏水出口接管，還設(shè)有儀表接管，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和整體系統(tǒng)的監(jiān)控，所有接管均采用SA－336材質(zhì)，以保證設(shè)備材料的一致。

7 汽水分離器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)及需考慮的問(wèn)題

汽水分離器的性能關(guān)系到核島的啟、停能否正常進(jìn)行，故在汽水分離器的設(shè)計(jì)中，必須充分考慮控制的方法和實(shí)現(xiàn)手段。汽水分離器的控制難點(diǎn)是汽、水在相變過(guò)程中，如何準(zhǔn)確檢測(cè)設(shè)備的壓力、溫度、蒸汽干度，以及這些測(cè)點(diǎn)的安置位置，要考慮汽水分離器進(jìn)、出接管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)的控制，汽、水兩相分離狀態(tài)時(shí)，設(shè)備內(nèi)的液位控制，要考慮汽水分離器內(nèi)液體全部蒸干與疏水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)間的關(guān)系，特別要考慮汽水分離器的控制元件在啟、停堆時(shí)的適應(yīng)性，保證相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行控制協(xié)調(diào)一致。

8 結(jié) 語(yǔ)

在確保汽水分離器的性能和功效情況下，分析了汽水分離器的使用工況，按功能指標(biāo)要求，查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，經(jīng)過(guò)多次論證，確定了汽水分離器的分離方式；對(duì)比多種材料特性和使用條件，考慮了材料蠕變和材料疲勞雙重影響，確立了汽水分離器的強(qiáng)度計(jì)算的理論依據(jù)。通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)，不僅提高了設(shè)計(jì)能力，還積累了類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)。

［1］GB150－1998，鋼制壓力容器［S］.

［2］JB4732－1995.鋼制壓力容器－應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］ASMEⅧ－Ⅰ，壓力容器建造規(guī)則［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2007.

［4］宋貴良.鍋爐計(jì)算手冊(cè)［M］.遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.