核電廠輔助給水系統除氧器設計

董建國，周　霞，雷勇俠

（西安核設備有限公司，陜西　西安　710021）

核電廠輔助給水系統除氧器設計

董建國，周霞，雷勇俠

（西安核設備有限公司，陜西西安710021）

文章介紹了核電廠輔助給水系統除氧器的工作原理和熱力計算校核要求，并從設備功能、設備結構設計和設備制造過程關鍵因素控制等方面進行了闡述。

輔助給水系統除氧器；工作原理；設備功能；設備結構；熱力校核；設計制造關鍵因素控制

除氧器是核電廠的一項重要輔助設備，目的是除去給水中的氧等氣體，防止設備腐蝕，延長設備壽命，對電廠的安全運行起到重要作用。

造成設備腐蝕最主要的原因是水中含有氧等可溶解的氣體，這些氣體呈游離狀態，在溫度較高的條件下，可以直接和鋼鐵金屬發生化學反應，使熱力設備和管道遭受腐蝕。因此水中溶解有任何氣體，對于熱力設備的安全可靠運行都是十分不利的，可見防止氧等氣體對鋼鐵金屬腐蝕是一項重要的措施。由于溶解在水里的氣體主要是氧氣，為了防止給水中含有溶解的氧等氣體使鍋爐內發生化學腐蝕，就需要對給水進行除氧。

通常除氧方法是熱力除氧法，其主要原理是將水進入除氧器后播散成微細的水柱液滴或微薄的水膜，同時加熱蒸汽進入除氧器后與水直接接觸，將給水加熱到相應壓力下的飽和溫度，使氧析出，從而達到除氧的目的，但此除氧法的過程較簡單，除氧后的給水中氧量還是較高的。

1　工作原理

核電廠用輔助給水系統除氧器，利用加熱蒸汽進行間接加熱，用熱力除氧法進行除氧操作，即加熱蒸汽與給水不混合，其冷凝放出的熱量通過壁面傳給給水，使給水加熱到對應的飽和溫度，達到除去系統中溶解氧氣和其他氣體的目的，以防止熱力設備的腐蝕和管道遭受腐蝕。除氧器工作工藝如圖1所示。

圖1　除氧器工作工藝簡圖Fig.1　Deaerator working process

主要思想是：在反應堆冷卻劑系統的啟動和升溫、熱停堆、反應堆冷卻到余熱排出系統能投入運行的工況下，向輔助給水除氧器的儲水箱提供充足的除氧除鹽水，以供給蒸汽發生器二次側。該除氧器為間壁式熱力除氧器，即加熱蒸汽與給水不混合，其冷凝放出的熱量通過壁面傳給給水，使給水加熱到對應壓力的飽和溫度，達到除氧除氣的目的。除氧器分解為間壁式蒸汽發生器和混合式熱力除氧器，這樣間壁式蒸汽發生器用加熱蒸汽作為一次汽，熱量通過壁面加熱給水，使給水蒸發，產生二次汽；再用該二次汽作為混合式熱力除氧器的熱源。

2　設備簡介

除氧器主要由殼體、噴嘴、加熱管、填料層、排氣管、主進水管、主出水管等組成。其結構簡圖如圖2所示。

輔助給水系統除氧器含有3個噴嘴，每個噴嘴的設計流量為20 t/h；正常運行工況條件下，除氧器出口給水含氧量為0.01 p p m（1 ppm=10-6），除氧因子為800。

在長期停運期間，管束的蒸汽側，用氮氣吹掃，處于氮氣密封之中，以保證有最佳的保養條件。

2.1設備功能描述

（1）系統功能

核電廠輔助給水系統除氧器系統的主要功能是在下列情況下，向輔助給水系統的貯水箱提供充足的除氧除鹽水，以供給蒸汽發生器二次側。

1）反應堆冷卻劑系統的啟動和升溫時。

2）熱停堆時。

3）把反應堆冷卻到余熱排出系統能投入運行的工況。

另外，在核電廠啟動前，除氧器系統還能對反應堆硼水補給系統的貯水箱進行初次充水，以及在電廠運行中當硼回收系統發生故障時，向反應堆硼水補給系統的貯水箱補充除氧除鹽水。

（2）安全功能

當反應堆熱停堆超過2 h后，輔助給水箱的正常貯水量不能滿足要求時，必須由除氧器系統向輔助給水箱補水。

（3）設備功能

核電廠輔助給水系統除氧器用于處理pH為9的SER系統除鹽水，供ASG水箱補水。需要時也可處理輔助給水箱本身的水，以及用于加熱輔助給水箱的水。另外，除氧器還可用于處理pH為7的SED水，以供REA系統之用。主要采用熱力除氧法，除去系統中溶解的氧氣和其他氣體，以防止熱力設備的腐蝕和對傳熱的影響。

2.2結構簡介

1）除氧器本體由上下橢圓封頭、圓形筒體、錐形段、管箱、支撐件、人孔等焊接件組成，外部設有真空計算所需的外加強環、支腿和保溫支撐。

2）凝結水進水室是由鋼板與筒身內壁焊接形成，水室上方引出三根接管分別連接3個20 t/h的彈簧噴嘴。

圖2　輔助給水系統除氧器結構簡圖Fig.2　Structure of the auxiliary feedwater deaerator system

3）除氧器頂部設有啟動排氣管和運行排氣管以排出氧氣和不凝結氣體。

4）噴嘴將凝結水噴入噴霧除氧空間，與加熱產生的蒸汽充分接觸換熱，進行第一階段的除氧。噴霧除氧空間設有人孔門以便檢修人員出入除氧器進行維護檢修。

5）經過噴霧除氧空間的凝結水噴淋到淋水盤和柵盤，淋水盤由圓形開孔不銹鋼鋼板制成，柵盤由15層條形不銹鋼鋼板交錯組成。水在此被均勻分布，增加滯留時間和加熱面積，將凝結水加熱到工作壓力下的飽和溫度，此階段為深度除氧段，凝結水與加熱蒸汽親密接觸，不斷再沸騰，將水中殘余氧和不凝結氣體釋放出來。最終將達到含氧量為0.01 ppm的要求。

6）除氧器下部布置有U形管束，管束固定在支撐架上，并有隔板支撐。正常運行時管束浸沒在凝結水中，加熱蒸汽通過管束對凝結水進行間接式加熱，以產生除氧用的加熱蒸汽。

7）管束通過管箱組件與除氧器殼體焊接，通過方形法蘭結構與方形管板、球形汽室相連。加熱蒸汽從管束上部進入，從下部凝結成水排出，汽室中有隔板，并設有上下腔排氣管。

8）除氧器底部設有出水管與系統管道相連，用以排出處理好的給水，出水口處裝有防渦流裝置。

9）除氧器上部筒體設有4個起吊用的吊耳，下部筒體設有4個鋼支架用于支撐整個除氧器，鋼支架支撐在廠房內的基礎上。

3　熱力計算校核

根據除氧器的結構和運行條件，將除氧器的熱力計算分成預熱、噴霧加熱、深度除氧、再熱蒸發4個階段。

預熱階段：進行熱力交換過程，對進來的水進行加熱，使之達到80 ℃；

噴霧加熱階段：將80 ℃的水加熱到105 ℃的飽和狀態；

深度除氧階段：將105 ℃的飽和水與蒸汽充分接觸，依靠傳質除氧；

再熱蒸發階段：依靠換熱器將水加熱成蒸汽。

計算中的物性數據采用自行編寫的水物性計算程序，符合國際水和水蒸氣學會工業計算公式（IAPWS-97 公式）。除氧器熱力計算主要通過噴霧加熱、深度除氧、再熱蒸發、液位、排氣、閥前0.45 MPa蒸汽、保溫層7個方面進行了校核。

通過對除氧器熱力計算數據結果的分析，表明該除氧器的各項技術參數滿足運行條件，并能在規定的時間內完成給水除氧功能。

4　除氧器的設計

4.1除氧器零部件設計

（1）彈簧噴嘴

彈簧噴嘴安裝在設備內靠近上封頭的位置。其主要由閥體、閥桿、彈簧及端蓋組成。

彈簧噴嘴工作過程是：從進水口通入帶壓水，在水壓的作用下，對與閥桿連接的下部金屬擋環產生壓力，壓力通過與之連接的閥桿傳遞到上部與閥桿連接的彈簧上，用彈簧的彈力來調節金屬噴頭擋環與金屬接頭間在不同水壓時的開啟度，達到控制彈簧噴嘴的流量目的。彈簧噴嘴工藝要求如下：a.噴嘴在噴嘴內外壓差不大于0.1 MPa時，其為關閉狀態，在壓差大于0.1 MPa時，噴嘴開始工作；b.噴嘴正常工作時，效率為20 t/h；c.在正常工作時，噴嘴端蓋的行程為10 mm。通過對閥體結構設計、對彈簧最大和最小彈力限制和端蓋上設置軟密封等措施，使彈簧噴嘴滿足了上述要求。為驗證噴嘴的性能，專門編制了《彈簧噴嘴頭試驗大綱》，按大綱要求對其進行通水試驗，驗證組裝后噴嘴的工藝性能。

（2）管板

因管板為矩形，對其厚度的計算方法有好多種。目前國內對矩形計算方法通常采用GB150.3—2011附錄A中（非圓形截面容器）所推薦的方法計算，計算時首先假設管板厚度，然后按規定進行校核，直到滿足要求為止，此種方法不但繁瑣、數值不精確，而且沒考慮管板的開孔削弱和管子對管板的加強作用。而采用西德《AD壓力容器規范》中關于換熱器的矩形管板的計算方法相對來說簡單、經濟，該方法考慮了開孔對管板的削弱，未考慮管子對管板的加強支撐作用，但管板的計算結果遠小于按國標GB150.3—2011附錄A對矩形管板計算結果。因按《AD壓力容器規范》計算時未考慮管子對管板的加強支撐作用，管板厚度仍有一定的裕量，所以本設計中管板的計算采用按《AD壓力容器規范》方法計算的結果。

（3）矩形錐管法蘭

錐管是由內下半管和上半錐管組成，其截面為矩形特殊結構，上面和水平面有一定的夾角。

該錐管的力學模型與GB150.3—2011附錄A中（非圓形截面容器）中標準模型差別很大，用附錄A中提供的計算方法是無法直接對其計算的。我們設計將錐管的力學模型按大端和小端簡化成兩個標準模型，分別對其計算，確定出各自的厚度，最終按兩者中厚度厚的作為錐管的設計厚度。

矩形錐管法蘭部件中錐管與法蘭的焊縫位置、錐管自身組焊的焊縫位置、各零件焊接坡口形式也是本部件設計關鍵點，決定著矩形錐管法蘭部件的制造工藝和焊接工藝，從而決定了本部件的制造質量。

（4）矩形錐管與殼體間的開孔補強

常規設計中無此計算方法，本設計采用等效法，將矩形的錐管按截面的最大對角線等效成圓管，再采用常規的圓形接管與筒體的開孔補強法對其計算，并給予一定的強度余量使其滿足開孔補強的要求。

通過已運行數年除氧器證明，采用《AD壓力容器規范》確定的管板、矩形錐管模型及錐管與殼體間的開孔等等效模型的設計結果是安全可靠的，設計方法得以驗證。所以以上設計方法對同類設備的設計具有一定的參考價值。

4.2核電廠輔助給水系統除氧器應力分析的意義

除氧器是核電廠的一項重要輔助設備，對核電廠的安全運行起到重要的作用。如何保證設備的運行安全可靠性，強度計算是首要的因素。所以建議在以后該項目的研發中，對矩形法蘭、矩形管板、矩形開孔局部進行應力分析設計，以求更準確地反映這些部件的應力分布及變化情況，使得本設備的設計更準確、更經濟。

5　除氧器的制造

（1）殼體

除氧器設備內裝有由厚度為2 mm薄板焊制而成的多層且徑向為多刺狀的柱狀格柵，柱狀格柵與殼體的間隙僅為2 mm。因為柱狀格柵與設備裝配時要求需保證前述間隙，這就對殼體的橢圓度有嚴格的要求，但殼體壁厚薄，其上焊制有多個接管，尤其在裝格柵的筒體附件焊有人孔。在焊接時，若無可靠的工藝，則會使人孔附件的筒體塌陷，會使格柵裝入設備時造成格柵刺狀板條的損壞，減少格柵的換熱面積，從而影響到格柵的換熱效果。通過采用在設備內增加焊接支撐、改進人孔與筒體間的坡口形式、控制焊接輸入電流和焊接速度等方法，可減少人孔焊接時筒體的塌陷量，可保證筒體的圓度及柱狀格柵的裝配要求。

（2）矩形錐管平焊法蘭部件

矩形錐管平焊法蘭部件位于除氧器下部筒體上，管束通過它與設備內部相連，其上的法蘭與管束的管板間要求是密封的，而且截面為矩形的管束與錐管法蘭內表面的間隙很小。這樣就要求矩形錐管法蘭部件的內徑和法蘭密封面焊接后需達到設計要求，才能保證管束與矩形錐管法蘭間的裝配要求。錐管法蘭由上半錐管、矩形法蘭、密封襯環、上部半管、外下部半管、內下半管組成。錐管法蘭部件除法蘭和密封襯環外，其余各件均由較厚的不銹鋼板壓制而成。因本部件由多個零件拼焊而成，其間的焊縫多，加之法蘭與錐管材料不同，若在制造過程無合理制造工藝，將會使法蘭和錐管均發生變形，達不到管束的裝配要求。本次制造根據該部件的結構特點，采用調整各零件的組焊順序、焊接順序、焊接參數及制造過程、增加焊接支撐等方法和措施有效的預防和控制了矩形法蘭焊接變形。

6　結束語

本文通過對公司設計并制造成功的一臺除氧器為例，從該設備的功能（含系統功能、安全功能及設備功能）描述出發，結合其工作原理、設備熱力計算、設備結構設計和制造特點，對除氧器進行了較為詳細、系統的說明。現該設備已成功運行，達到其預定功能及目標，本設備的成功經驗為類似設備的設計、制造提供了可借鑒的思路和方法。

［1］ 蔡錫琮，蔡文鋼. 火電廠除氧器［M］. 北京：中國電力出版社.［1］ （CAI Xi-zong， CAI Wen-gang. The Deaerator of Thermal Power Plant ［M］. Beijing：China Electric Power Press.）

［2］ 沈惠. 彈簧噴嘴除氧器的設計和應用［J］. 北京節能.（SHEN Hui. The design and application of deaerator with spring nozzle ［J］. Beijing Energy Saving.）

［3］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］. 北京：高等教育出版社.（YANG Shi-ming， TAO Weu-quan. Heat Transmission Science ［M］. Beijing： Higher Education Press.）

［4］ 陳濤，張國亮. 化工傳熱過程基礎（第二版）. 北京：化學工業出版社.（CHEN Tao， ZHANG Guoliang. Fundamentals for Heat Transfer Process of Chemical Engineering（2nd edition）. Beijing：Chemical Industry Press.）

［5］ GB/T 1804-2000 一般公差未注公差的線性和角度公差［S］.（GB/T 1804-2000 The linear and angle tolerance of general tolerance and undeclared tolerance ［S］.）

［6］ 張圓磊，屈洪，馬建. 承壓設備焊接工藝中的一些問題［J］. 壓力容器，2012，30（3）：71-75.（ZHANG Yuan-lei， QU Hong， MA Jian. Some problems in the welding techniques for pressure equipment［J］. Pressure Vessel， 2012， 30（3）：71-75.）

［7］ 鄭小濤，彭長飛，喻九陽，等. 焊接坡口對焊接接頭安全性的影響研究［J］. 壓力容器，2012，29（10）：1-6.（ZHENG Xiao-tao， PENG Chang-fei，YU Jiu-yang， et. al. Study on the influence of welding groove on the safety of butt-welding joint ［J］. Pressure Vessel， 2012， 29（10）：1-6.）

［8］ 梁琳. 焊接對壓力容器強度的不良影響及設計對策［J］.石油化工設備技術，2012，33（5）：65-66.（LIANG Lin. The detrimental influence of welding on the strength of pressure vessel and design countermeasures ［J］. Petrochemical Equipment Technology， 2012， 33（5）：65-66.）

［9］ 董建國，周霞，劉晨，等. 立式除氧器中矩形錐管法蘭組件的制造及焊接變形控制［J］. 化工設備與管道，2014，51（4）：23-28.（DONG Jian-guo，ZHOU Xia， LIU Chen， et. al. Manufacture and welding distortion control for the rectangle conical tube flange assembly in vertical deaerator［J］. Chemical Equipment and Pipeline， 2014，51（4）：23-28.）

［10］ GB 150.1～150.4—2011壓力容器［S］.（GB 150.1～150.4-2011Pressure Vessel ［S］.）

Introduction to Deaerator in Auxiliary Water Supply System of Nuclear Power Plant

DONG Jian-guo，ZHOU Xia，LEI Yong-xia
（Xian Neclear Equipment Co.，Ltd.，Xian of Shanxi Prov. 710021，China）

The paper introduces the operation theory and thermal calculation and verification requirements for the deaerator in the auxiliary water supply system of nuclear power plant. In addition， it describes the key factors in terms of function，structure， design and fabrication of equipment.

deaerator in auxiliary water supply system；operation theory； function of equipment；structure of equipment；thermal verification；key controlling factors in design and fabrication

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0024-05

TL37

A

1674-1617（2015）01-0024-05

2014-11-10

董建國（1975—），男，陜西洛南人，工程師，從事壓力容器設計工作。