海陽核電汽水分離再熱器的技術特點

羅吉江

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

0 概 述

海陽核電是我國引進第三代核電技術后自主化的依托項目之一。按規(guī)劃要建成6臺1 000MW級核電機組；一期工程中，采用美國AP1000核電技術，建造2臺第三代核電機組。核島采用單堆布置兩環(huán)路1 000MW的壓水堆，安全系統(tǒng)采用了非能動的設計理念。機組的設計電功率為1 250MW，設計壽命為60年。汽水分離再熱器是壓水堆核電汽輪機必不可少的設備。

1 汽水分離再熱器的工作原理及作用

汽水分離再熱器（簡稱MSR）是由汽水分離器和再熱器兩部分合并成一體的壓力容器。汽水分離采用慣性原理，利用重力、離心力以及慣性力分離密度較大的水滴與較輕的水蒸汽。汽水分離再熱器的結構，如圖1所示。以圖1中的MSR為例，當濕蒸汽進入MSR殼體后，首先是沿著U型擋板上升，重力將使一部分較大的水滴下落；接著沿著筒壁經(jīng)分配擋板（百葉窗）向下旋轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的離心力可使大部分質(zhì)量較大的水滴分離；最后水平進入分離器葉片，基本原理是讓濕蒸汽多次轉(zhuǎn)向，利用慣性力將水與汽分離。經(jīng)過汽水分離后，濕蒸汽已成為濕度為0.25%左右的干蒸汽，這些蒸汽再經(jīng)兩級再熱器的加熱后，最終成為過熱蒸汽，再進入汽輪機的低壓缸作功。再熱器實質(zhì)就是汽－汽熱交換器，利用加熱蒸汽在換熱管內(nèi)凝結時放出的熱量，加熱換熱管外的循環(huán)蒸汽。

圖1 汽水分離再熱器結構圖

汽水分離再熱器系統(tǒng)的主要作用：

（1）對高壓缸的排汽進行除濕，并加熱到過熱狀態(tài)，從而減少對汽輪機低壓缸末級葉片的沖蝕，確保了機組的長期可靠運行。

（2）可提高機組的熱經(jīng)濟性。設置有兩級再熱器的汽水分離再熱器，可提高機組熱經(jīng)濟性1.8%～2.5%。

（3）回收汽水分離和再熱過程中產(chǎn)生的疏水。

2 汽水分離再熱器設計特點

2.1 設計特點

（1）汽水分離再熱器采用了臥式布置。一級再熱器置于MSR殼體內(nèi)部，可減少封頭的開孔，并節(jié)約再熱器換熱管，減輕了MSR重量。二級再熱器設計為可抽出式，這種設計便于設備的維護。

（2）采用高效的分離器葉片。海陽核電 MSR分離器采用V形波紋板分離裝置，V形波紋板的葉片有更大的抗彎折能力，具有更好的液滴截留能力，分離效率高達98%。

（3）MSR的再熱器采用雙流程設計，每一級再熱器為雙管束布置。雙流程設計能得到最佳的有效換熱面積，減小放熱蒸汽的流動阻力，有效降低凝結水的過冷度。

（4）優(yōu)良的水封設計。為了便于疏水的導出，同時避免蒸汽直接從疏水通道短路造成的流失，MSR的很多疏水結構采用了水封設計，如流量分布板疏水、殼側疏水及底板疏水等。

（5）防水蝕設計。MSR分離器的前級設備中均處于汽液兩相流的工況狀態(tài)，沖蝕現(xiàn)象較為嚴重，為此，在沖蝕嚴重的蒸汽入口、蒸汽分配處等鋪設不銹鋼防沖板，或者采用不銹鋼復合板。

（6）超壓保護設計。MSR的超壓保護是按系統(tǒng)要求設計的，設置了7個大安全閥和1個小安全閥。安全閥的啟動壓力設置為1.15MPa、1.16MPa和1.18MPa三個動作壓力，其中7個大安全閥用于超壓保護，小安全閥用于MSV和RSV關閉時的超壓動作，從而保證MSR的熱膨脹在可接受的范圍內(nèi)。

（7）為兩級再熱器設計了掃汽管束。采用掃汽管束可使U形換熱管內(nèi)不再出現(xiàn)塞狀流現(xiàn)象，從而避免形成間歇的管內(nèi)溫度脈動，從根本上消除了管束因熱變形和交變熱應力造成的管端部分發(fā)生裂紋的現(xiàn)象。

2.2 設計參數(shù)

MSR的設計參數(shù)：

再熱蒸汽進口溫度178.6℃；

出口溫度 25 7 .0℃；

再熱器數(shù)量 2 級 ；

分離器 分離效率 98 %（入口處蒸汽質(zhì)量為88.5%）。

一級再熱器：

再熱器數(shù)量／臺 2 ；

換熱管形式 鰭 片 管表面式；

換熱面積 2 7 5 2×2m2（5%冗余面積）；

換熱管規(guī)格 19 . 05×1.65（1.07mm翅片）；

U形管數(shù)量 每臺MSR 756×2根；

換熱管有效長度 10 000mm；

端差 10 . 5℃。

二級再熱器：

再熱器數(shù)量／臺 2 ；

換熱管形式 鰭 片 管表面式；

換熱面積 2 4 2 8×2m2（20%冗余面積）；

換熱管規(guī)格 19 . 05×1.75（1.17mm翅片）

U形管數(shù)量 每臺MSR 667×2根；

換熱管有效長度 10 000mm；

端差 10 . 6℃。

3 汽水分離再熱器的結構特點

海陽核電汽水分離再熱器為表面加熱式、一級分離、兩級再熱、臥式壓力容器；汽水分離再熱器MSR由三部分組成：MSR殼體、汽水分離器和兩級再熱器；采用一體化結構設計。

3.1 MSR殼體

MSR的殼體由封頭和臥式筒體焊接而成，全長30.7m。MSR的封頭采用蝶形沖壓封頭。臥式筒體為大型臥式薄壁壓力容器，總長近27m，由11段筒節(jié)組焊而成。筒體內(nèi)徑為?4200mm，壁厚僅為32mm，屬于薄壁大直徑筒體。MSR殼體筒身上布置數(shù)量較多的大直徑接管，如循環(huán)蒸汽進、出口接管、筒體人孔接管、殼側疏水出口接管、安全閥接管等。在殼體內(nèi)壁分布了加強板、墊板等數(shù)量較多的內(nèi)部構件。與濕蒸汽接觸的筒體內(nèi)壁都襯有不銹鋼板。汽水分離再熱器循環(huán)蒸汽的進汽口接管布置在殼體的底部，出汽口布置在殼體上部，進、出口均有三路。殼體和封頭材質(zhì)選用碳鋼SA－516Gr.70，MSR殼體設計壓力1.15MPa。

汽水分離再熱器的圓筒形外殼按壓力容器規(guī)范設計和制造，筒體外殼有2個支座，1個支座固定，另1個支座可以移動，以適應MSR的熱膨脹位移。

MSR的安全閥共布置8個。在A側，設置了4大1小5臺安全閥。在B側，設置3臺安全閥。安全閥型式為帶先導閥的機械式安全閥。

3.2 汽水分離器

海陽核電汽水分離器采用了技術成熟的波紋板式分離器。汽水分離器由8排V型波紋板組成，每排V型波紋板由一系列加工成V型波紋狀的薄板組成。V型波紋板厚度為5mm，材質(zhì)選用不銹鋼TP304。V型波紋板的結構布置，如圖2所示。MSR的V形波紋板采用卡槽裝配，葉片的定位精準，不會互相疊壓，這種方式有利于生產(chǎn)制造和日常維護。

圖2 V形波紋板

3.3 再熱器

兩級再熱器為雙流程、鰭片管表面式換熱器。由2個一級再熱器管束和2個二級再熱器管束組成，再熱器的結構與高壓加熱器的結構相類似，有1個半球形蒸汽室和管板及支撐板，U型換熱管帶有鰭片。換熱管與管板的連接采用脹接與焊接相結合的方式。

一級再熱器裝焊在MSR承壓殼體的內(nèi)部，距筒體端部有1.4m距離，一級再熱器的管束為剛性管束，管束長度為10.5m。二級再熱器為可抽出式，便于檢修。二級再熱器管束長度為13m。

一、二級再熱器管子與管板連接采用脹接結構，利用了多段重疊的機械脹接技術。再熱器支撐軌道、管束支撐組件是再熱器的核心部件。一、二級再熱器管束材質(zhì)選用不銹鋼TP439。

4 汽水分離再熱器系統(tǒng)布置

海陽核電汽輪機配置了2臺汽水分離再熱器，分別布置在16m運轉(zhuǎn)層汽輪機高壓缸兩側。汽水分離再熱器系統(tǒng)由三部分組成。MSR的系統(tǒng)布置，如圖3所示。

4.1 加熱蒸汽部分

高壓缸排汽進入汽水分離再熱器后，經(jīng)汽水分離再依次進入一級再熱器和二級再熱器進行再熱。

第一級再熱器的加熱蒸汽來自高壓缸第三級后的抽汽，加熱蒸汽經(jīng)過安裝在抽汽母管上的抽汽逆止門后，再分為兩路分別進入A、B汽水分離再熱器，在各分支管路上安裝了手動閥，以便于切除汽水分離再熱器；第一級再熱器的加熱蒸汽參數(shù)：溫度為238.2℃，壓力為3.24MPa，流量為324.45t／h。

第二級再熱器的加熱汽源為新蒸汽，取自主蒸汽母管。為便于二級再熱器的投運和控制低壓缸的進汽溫度，在各汽水分離再熱器的進汽管線上設置三路管線，一路帶節(jié)流孔板和截止閥的暖管管線，一路為調(diào)節(jié)MSR進汽流量的控制管線，第三路為減少加熱蒸汽阻力損失的旁路管線。第二級再熱器的加熱汽源參數(shù)：溫度為267.6℃，壓力為5.30MPa，流量為182.69t／h。

為便于控制二級再熱器出口溫度，在每臺MSR進汽母管上安裝有節(jié)流孔板式流量測量裝置。

4.2 抽氣部分

抽氣部分的作用主要是將再熱器中的非凝結氣體抽出，確保再熱器的換熱效率。保證進入每個再熱器管束的加熱蒸汽流量有2%以上的掃汽蒸汽的排放，也可將凝結水帶出，避免凝結水的過冷，并可減小水阻和防止管束振動。

圖3 MSR系統(tǒng)簡圖

為便于控制MSR的排氣，對MSR的一級再熱器和二級再熱器設置不同的排氣管線。根據(jù)不同工況，將一級再熱器排氣分別排至凝汽器和除氧器；二級再熱器則分別排至凝汽器和7號高加。一級再熱器排氣節(jié)流孔板的旁路閥為手動閥，而二級再熱器排氣節(jié)流孔板的旁路閥為調(diào)節(jié)閥，依據(jù)不同工況，控制其開度大小。當MSR冷態(tài)啟動時，在汽輪機復位后，將二級再熱器排氣節(jié)流孔板的旁路閥打開。當機組負荷大于35%時，開始逐漸關小旁路閥，在負荷大于90%時，應將該閥關閉。

4.3 疏水部分

為確保MSR系統(tǒng)疏水的可靠性，對MSR殼體疏水、一級再熱器疏水及二級再熱器疏水均設置了相互獨立的疏水系統(tǒng)。每臺MSR系統(tǒng)有1個MS疏水箱、2個一級再熱器疏水箱和2個二級再熱器疏水箱。

每臺MSR的殼體疏水被排至MS疏水箱，為防止循環(huán)蒸汽（高排蒸汽經(jīng)MSR后進入低壓缸的蒸汽）帶水，同時為防止汽輪機超速，在正常運行時，MSR殼體是無水位運行狀態(tài)。運行時，MS疏水箱的疏水經(jīng)疏水泵輸送至除氧器，啟動初期經(jīng)疏水泵輸送至汽輪機排污箱，事故情況下可經(jīng)緊急疏水閥排至凝汽器。

每臺MSR的一、二級再熱器均由2臺加熱器組成，每臺加熱器的疏水流至其相應的疏水箱。正常疏水管線兩端的壓差不足于克服靜位差，當機組30%負荷時，前一級再熱器疏水箱疏水排至汽輪機排污箱，大于30%負荷時切至凝汽器，50%負荷時切至7號高壓加熱器；當機組負荷小于35%時，二級再熱器疏水箱的疏水排至汽輪機排污箱，大于35%負荷時切至凝汽器，50%負荷時切至7號高壓加熱器。

從每臺MSR分離出來的水均靠重力排入各自的疏水箱，為保證疏水暢通，每個疏水箱與MSR本體或再熱器都設置有平衡管。

5 汽水分離再熱器系統(tǒng)運行時的注意事項

5.1 啟動狀態(tài)的劃分和投退原則

汽水分離再熱器的啟動狀態(tài)劃分是以低壓缸進口金屬溫度來確定的。當?shù)蛪焊捉饘贉囟刃∮?50℃時為冷態(tài)啟動；當?shù)蛪焊捉饘贉囟却笥?50℃時為熱態(tài)啟動。

一級再熱器的加熱汽源取自高壓缸抽汽，是不進行調(diào)節(jié)的，其溫度隨主蒸汽循環(huán)的溫度而變化；二級再熱器的加熱蒸汽為主蒸汽，進汽量根據(jù)低壓缸的進汽溫度而定，由MSR二級再熱器加熱蒸汽的調(diào)節(jié)閥控制。

汽水分離再熱器正常投退原則：投運時應先投入一級加熱器，再投入二級加熱器；退出時應先退出一級加熱器，再隔離二級加熱器。

5.2 系統(tǒng)運行時的注意事項

（1）在機組負荷達到10%以前，汽輪機低壓缸的進口溫度應低于204℃。

（2）汽輪機低壓缸的進口溫度最大的瞬時變化為28℃。

（3）汽輪機低壓缸的進口溫度最大允許緩變率為56℃／h。

（4）在冷態(tài)啟動中，達到投運MSR二級再熱器所規(guī)定的負荷之前（10%），要確保MSR高壓管束與加熱蒸汽隔離，防止管束受到不均勻加熱而造成管子彎曲和損壞。

（5）在任何工況下，掃汽的蒸汽量不少于管加熱蒸汽流量的2%。

（6）在機組冷態(tài)啟動前進行充分的抽氣、預暖。

（7）在汽輪機甩負荷后，為了盡早再次啟動汽輪機和MSR，高壓管束一般應保持微正壓狀態(tài)，如果高壓管束不能保證微正壓狀態(tài)，則汽輪機和MSR必須待低壓缸進口金屬溫度低于150℃后，才允許重新按冷態(tài)啟動方式啟動。

5.3 再熱器退出運行時應注意的問題

（1）MSR一級再熱器的退出運行

MSR一級再熱器的退出，對汽輪機負荷和累計運行時間沒有限制。在機組兩側的MSR一級再熱器可以單獨隔離，也可以同時隔離，可通過關閉進汽手動閥，對MSR的一級再熱器進行隔離。任何一列或兩列MSR的一級再熱器均可退出運行，機組仍可在額定負荷下長期運行，而無需另一側再熱器的配合運行。

（2）MSR二級再熱器的退出運行

當機組兩側的MSR二級再熱器必須同時隔離時，為保證汽輪機低壓缸兩側進氣口的溫度相同，任一列MSR二級再熱器退出運行，則另一列MSR二級再熱器必須退出運行。當二級再熱器需長時間（超過2周）隔離時，機組的負荷應降到65%額定負荷以下運行。

MSR一、二級再熱器均退出運行時，其運行要求與MSR二級再熱器退出時的運行要求相同。

6 結 語

汽水分離再熱器是壓水堆核電站至關重要的大型設備，海陽核電采用的汽水分離再熱器已是較成熟的設備，具有很好的運行業(yè)績。我國已成功掌握了百萬千瓦級三代核電常規(guī)島MSR制造的關鍵技術，但仍需加強對MSR汽水分離器的深化設計，對于正確選擇MSR的材質(zhì)，以及避免再熱器管束熱偏差等方面的問題，與國外技術相比，還存在一定的差距，需要進行深入的研究，以提高國產(chǎn)MSR的可靠性和經(jīng)濟性。