某AP1000核電站汽水分離再熱器設計特點分析

張晉堂 艾晨

摘 要：汽水分離再熱器（Moisture Separator Reheaters，MSR）是壓水堆核電站二回路的重要組成設備，其安全穩定運行對核電站的安全運行至關重要，同時其再熱器端差等性能參數對機組的經濟性影響亦較大。為此，首先對MSR的功能及其技術發展進行了闡述，進而對AP1000 MSR的總體結構及翅片管的強化傳熱、掃汽管束的應用、節流孔板配汽的應用、低壓缸入口蒸汽溫度控制特性等設計特點進行研究。通過對AP1000 MSR先進設計技術的引進、消化、吸收，從而促進自主創新技術的研發和應用。

關鍵詞：AP1000核電站 汽水分離再熱器 MSR 設計特點

中圖分類號：TL353 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0119-02

壓水堆核電站蒸汽發生器產生的飽和蒸汽，其壓力通常為5～7 kPa，濕度為0.25%～0.4%。新蒸汽在高壓缸做功后，高壓缸末級的排汽濕度通常可達12%～14%，如不采取措施直接送至低壓缸做功蒸汽濕度高達20%～25%，這種過高的濕度將對汽輪機低壓缸末級葉片產生嚴重的侵蝕，大大降低了低壓缸的循環熱效率，嚴重縮短汽輪機的壽命。為此，在汽輪機高壓缸和低壓缸之間設置MSR裝置，去除高壓缸排汽的水分并具有一定的過熱度，從而使低壓缸排汽濕度達到可接受的水平。此外，汽水分離再熱系統還起到合理分配低壓缸負荷，減輕高壓缸負載的功能[1]。由此可見，MSR對核電汽輪機的經濟性與可靠性具有重要的意義。同時，由于目前在建主力堆型（二代改進型和三代堆型）的MSR沒有自主設計產權又缺少運行經驗，已運行的MSR經常出現不穩定性等問題。因此，對先進的三代堆型AP1000核電MSR設計特點的研究非常必要。

1 MSR的功能及其技術發展

1.1 MSR的功能

MSR的主要功能是提高汽輪機低壓缸的排汽干度，提高機組的熱經濟性。常規火電高壓缸排氣經鍋爐中再熱器再熱后，進入中低壓缸做功，排汽濕度為10%左右。核電機組非再熱循環中，高壓缸排汽經經汽水分離可得到接近飽和的蒸汽，該蒸汽送入低壓缸膨脹做功，再利用汽輪機通流部分的去濕裝置去濕，排汽濕度一般為15%～20%，可提高循環熱效率1.5%～2%。核電機組再熱循環中，汽水分離后的接近飽和的蒸汽經溫度較高的高壓缸抽汽和新蒸汽加熱到具有80℃左右過熱度的蒸汽，進入低壓缸做功后，排汽濕度可接近火電機組的水平。由于采用高溫蒸汽加熱低溫蒸汽，會降低循環熱效率，但總體上循環熱效率還是提高的。與非再熱循環相比，對于單機再熱提高循環熱效率1.5%～2%，二級再熱提高循環熱效率1.8%～2.5%[2]。經濟性的提高程度取決于MSR汽水分離后蒸汽干度、再熱器端差及蒸汽通過MSR的壓損等因素。

1.2 MSR的技術發展

MSR是伴隨著核電站的建設而出現的，并隨著核電的發展而發展。從1964年美國西屋公司制造的第一臺MSR開始，汽水分離器形式經歷了絲網式、旋風式、波板式，再熱器形式也由一級發展為二級，布置形式經歷了臥式、立式，百萬千瓦級機組也由布置多臺減少至現在的2臺。

目前，世界上有成熟運行經驗的MSR主要有二級再熱臥式和單級再熱立式兩周布置形式。國內引進的三代核電技術中，EPR技術采用法國阿爾斯通的二級再熱立式MSR，AP1000技術則采用日本三菱的二級臥式MSR。

2 AP1000 MSR的設計特點

2.1 AP1000 MSR的總體結構

AP1000 每臺機組有2臺MSR，分別布置于運轉層平臺汽輪機的兩側。其主要由殼體、汽水分離器、兩級再熱器組成。

MSR殼體為兩端焊接成球形封頭的水平圓柱形外殼，殼體材料為碳鋼，內襯不銹鋼。

汽水分離器由一系列人字形波紋板組成，布置在筒體下方。濕蒸汽從殼體底部的進口噴嘴進入到MSR殼體，向半圓形的沖擊板進一步流動至分配蒸汽的歧管托板。當分配的濕蒸汽流至人字形分離葉片，疏水通過汽水分離器下邊的疏水口至MSR疏水箱，接近干蒸汽的蒸汽則向上流過再熱器管束。再熱管束進口蒸汽濕度達到0.25%以下。

2級再熱器—由2組一級再熱管束和2組二級再熱管束組成加熱循環蒸汽。每個再熱器為焊接在管板上得帶有肋板和加熱管的U型管束。一級加熱蒸汽由高壓缸抽汽提供，二級加熱蒸汽由主蒸汽提供，再熱蒸汽通過MSR頂部的出口噴嘴送至汽輪機低壓缸。

2.2 AP1000 MSR設計改進

早期的MSR的設計基本是從凝汽器和加熱器技術套用過來的，因而出現的事故也較多。隨著汽液兩相流理論的發展及技術的逐漸進步，同時由于進行了大量的試驗研究工作，MSR的設計出現了許多先進技術。AP1000 汽水分離再熱系統亦是吸收了這些先進技術，同時融入自己的設計特點，從而使其經濟性和可靠性得到較大的提高。

（1）翅片管的強化傳熱。

在換熱器翅片管壁厚較小的情況下，換熱器穩定運行時換熱過程可由下式計算：

（1）

式中：Q為總換熱量，W；Tin管內流體溫度，K；管外流體溫度K；為管內傳熱面積，m2；為管外總的傳熱面積，m2；為管內對流傳熱系數，；為管外對流傳熱系數，；為管壁材質的導熱系數，；為翅片厚度，m；為翅面總效率。令：

（2）

則，K即為總的傳熱系數。由此可見，增加翅片后，總得傳熱系數K由于管外總換熱面積的增大而增大。因此，AP1000 MSR的一、二級再熱器亦采用翅片管以強化傳熱。

（2）“掃汽管束”的應用。

從傳熱學角度，由于外側U型管束傳熱量大于內側管束傳熱量，假設管內流量相同的情況下，外側管束出口端尤其是下半部分將出現液狀流、彈狀流和塞狀流的“阻塞”現象。另外，U由于型管的進出口壓差，過冷的凝結水被推出管外，此時，高溫蒸汽亦達到管板處。如此，管壁溫度交替變化，在管板焊接處也產生交變溫度，引起膨脹和收縮，導致應力集中，最終產生裂紋甚至開裂。

為了避免該現象的發生，采用在管內不完全凝結的方法來獲得穩定的凝結水排放。用未冷凝的蒸汽來消除管內凝結水，這部分未凝結的少量蒸汽稱為“掃汽蒸汽”。將再熱器管束分成兩部分：一部分稱為主管束；另一部分稱為“掃汽管束”。使主管束出口段保持一定的蒸汽量，一般為25%～30%，這部分蒸汽進入掃汽管束繼續凝結放熱，使掃汽管束出口維持8%～12%的蒸汽量。但對總的加熱蒸汽來說，只占2%～3%左右，熱損失較小，卻保證了設備的可靠性。

（3）節流孔板配汽的應用。

在不采取措施的情況下，由于再熱器傳熱和水動力不均而導致U型管束產生熱偏差，進而導致前述的U型管束外側下半部分出現的“阻塞”現象。由于工作蒸汽首先接觸的是U型管束的下半部分，其傳熱溫差最大，然后向上流動進行熱交換，但是由于傳熱溫差逐漸變小，所以管束外側的熱負荷要比管束內側大，通常為2倍左右。因此，造成再熱器U型管束傳熱不均。此外，由于U型管長度不一樣，外側比內側長，會引起水力不均。但U型管的進出口汽室相同，管束外側和內側壓差是相等的，因而管束外側的流量小于內側，這樣又加劇了外側管束的過冷“阻塞”現象，在低負荷是更加嚴重。

為此，采用在管板上即傳熱管進口處加裝不同孔徑的節流孔板，以分配傳熱管的流量，與其熱負荷相適應。加裝節流孔板后，阻力的大小為管道阻力與節流孔板阻力之和，節流孔板孔徑的大小根據各排傳熱管的熱負荷決定。熱負荷大的管排孔徑較大，阻力小，其加熱蒸汽分配的流量也多，反之亦然，從而有效降低了管束的熱偏差。

（4）低壓缸入口蒸汽溫度控制特性。

在MSR的二級加熱蒸汽管道上布置了隔離閥，氣動控制閥和旁路閥。主蒸汽壓力是隨電廠負荷的增加而降低的，氣動控制閥可根據MSR的運行方式調節進入二級加熱管線的蒸汽的壓力，來控制再熱蒸汽的壓力和溫度，以防止進入低壓缸的再熱蒸汽產生過大的溫度變化。在MSR的一級加熱管道上布置了隔離閥和氣動逆止閥以防止疏水倒流閃蒸而引起汽機超速。

冷啟動時，在凝汽器真空建立和汽輪機復位后，二級MSR預暖閥在汽輪機復位后打開，少量蒸汽被引入MSR用來加熱MSR和吹掃不凝結氣體。在大于35%負荷時，二級MSR加熱蒸汽控制閥逐步打開，用來控制汽輪機低壓缸入口蒸汽溫度。在50%負荷時溫度控制結束，控制閥全開。溫度控制結束后，控制閥的電動旁路閥打開，以減少加熱蒸汽管線的摩擦損失，提高汽輪機低壓缸入口蒸汽溫度。

3 結語

近年來，隨著核電站的發展，三代堆型逐漸鋪開并取代二代改進型，MSR的設計技術有了長足的發展。目前，國內東方電氣、哈爾濱電氣和上海輔機廠等公司具有百萬千瓦級核電站MSR制造業績，但尚無自主設計權，其關鍵部件如汽水分離器尚依賴進口，同時又缺少運行經驗。而國外一些公司和廠家對MSR積累了許多設計、制造、安裝、運行和材料選擇等方面的經驗。為此，該文首先闡述了MSR的功能及其技術發展，進而對AP1000 MSR的總體結構及翅片管的強化傳熱、掃汽管束的應用、節流孔板配汽的應用、低壓缸入口蒸汽溫度控制特性等設計特點進行研究。通過吸收和借鑒AP1000 MSR先進的設計技術，從而促進自主創新技術的研發和應用，推動我國核電事業的完善和發展。

參考文獻

[1] 黃悉然.核電機組汽水分離再熱器的發展[J].動力工程，1987（2）：28-35.

[2] 曲東平.核電汽水分離再熱器管束設計研究[J].電站輔機，2000（3）：21-27.