新型百萬千瓦核電汽水分離再熱器設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

劉克為， 高金麟, 洪增元

(1. 哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司, 哈爾濱 150046； 2. 中國航空油料有限責(zé)任公司 黑龍江分公司， 哈爾濱 150036)

汽水分離再熱器(MSR)是核電常規(guī)島中一個關(guān)鍵的汽輪機(jī)輔助設(shè)備，它布置于汽輪機(jī)高壓缸和低壓缸之間，其作用是去除高壓缸排汽中的水分，以減少低壓缸葉片的水蝕；同時通過加熱器對循環(huán)蒸汽進(jìn)行加熱，進(jìn)而提高機(jī)組運(yùn)行效率[1]。MSR的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對于整個核電汽輪發(fā)電機(jī)組的可靠性以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性都有著非常重要的作用；但由于設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)的缺乏，長期以來我國幾乎所有核電站的MSR都采用進(jìn)口設(shè)備，因此MSR的自主化設(shè)計(jì)成為了核電設(shè)備研制的迫切需要。

國內(nèi)某核電站設(shè)計(jì)的新型百萬千瓦機(jī)組MSR是在總結(jié)以往CNP600、AP1000等機(jī)組MSR設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研制。該型號MSR采用雙管束、四流程布置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)配置簡單、壓力損失小、傳熱效率高等特點(diǎn)。新型百萬千瓦核電機(jī)組MSR的自主化設(shè)計(jì)，對促進(jìn)核電設(shè)備自主創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 MSR的功能和作用

核電站使用的汽輪機(jī)組為飽和蒸汽機(jī)組，蒸汽發(fā)生器發(fā)生的飽和蒸汽被送到高壓缸做功，高壓缸末級的排汽濕度可達(dá)14%左右，如果該蒸汽仍被送往低壓缸，將對低壓缸產(chǎn)生汽蝕、水錘，大大縮短汽輪機(jī)組的使用壽命[2]。而在高、低壓缸之間設(shè)置MSR，將高壓缸排汽加熱至飽和狀態(tài)再送入低壓缸做功，可以很大程度上改善低壓缸的工作條件，提高機(jī)組的運(yùn)行效率，防止和減少濕蒸汽對低壓缸葉片的腐蝕。MSR在核電站系統(tǒng)中的位置見圖1。

圖1 MSR在核電站系統(tǒng)中的位置

MSR的主要功能為：

(1) 除去高壓缸排汽中的水分，防止和減少濕蒸汽對汽輪機(jī)零部件的腐蝕作用。

(2) 將進(jìn)入低壓缸的蒸汽加熱至過熱狀態(tài)，提高汽輪機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

(3) 對汽水分離和再熱過程中產(chǎn)生的疏水進(jìn)行回收和利用。

2 MSR的主要結(jié)構(gòu)

新型百萬千瓦核電機(jī)組MSR設(shè)計(jì)方案為表面加熱式、一級分離、兩級再熱、臥式壓力容器，全長24.2 m，單臺總質(zhì)量263 t。其主要結(jié)構(gòu)由四部分組成：MSR殼體、內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)、汽水分離葉片組件和兩級再熱器組件。MSR采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(見圖2)。

圖2 MSR結(jié)構(gòu)圖

MSR主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 MSR主要技術(shù)參數(shù)

表1(續(xù))

2.1 MSR殼體

MSR殼體由筒體和封頭組成，材料采用碳鋼。筒身由多段鋼板卷制對焊而成，總長近18 m。筒體內(nèi)徑為4 200 mm，壁厚僅為32 mm。殼體下部設(shè)有4個鞍式支座，1個固定支座，3個滑動支座，可適應(yīng)MSR由于受熱膨脹引起的熱位移。MSR循環(huán)蒸汽的進(jìn)出口分別位于筒體的底部和上部，均設(shè)置有三路。MSR內(nèi)部所有與濕蒸汽接觸的部分堆焊不銹鋼襯里，以防止?jié)裾羝臎_刷腐蝕。

2.2 汽水分離裝置

MSR采用了技術(shù)成熟的波紋板式分離器結(jié)構(gòu)。該裝置主要由汽水分離器、多孔板以及疏水槽組成。圖3為汽水分離葉片示意圖。

圖3 汽水分離葉片示意圖

汽水分離器是MSR內(nèi)部執(zhí)行汽水分離功能的主要元件，由多排不銹鋼V形雙鉤波紋板組成，采用豎直安裝，通過螺栓壓緊固定，可防止蒸汽流經(jīng)板片引起的流體振動，同時這種疊放方式還有利于制造安裝和日常維護(hù)。

2.3 再熱器組件

每個再熱器組件由帶翅片的U形換熱管束、支撐側(cè)板、管板以及半球形封頭組成。換熱管采用鐵素體不銹鋼材料。換熱管與管板采用脹接加焊接的連接方式。再熱管束的側(cè)板采用“柔性”連接方式，可以在機(jī)組啟停或惡劣工況運(yùn)行下吸收管束的熱膨脹，從而使再熱器管束不發(fā)生熱變形損壞。再熱器管束側(cè)板上設(shè)置導(dǎo)軌，從MSR殼體內(nèi)抽取和插入，便于維修。圖4為高、低壓再熱器組件。

圖4 高、低壓再熱器組件

3 MSR的系統(tǒng)布置

新型百萬千瓦核電機(jī)組MSR對稱布置于汽輪機(jī)兩側(cè)，每臺MSR配置有一臺MS疏水箱、一臺高壓再熱器疏水箱、一臺低壓再熱器疏水箱，以及相應(yīng)的附屬閥門、儀表和管道。在總體上可分為加熱蒸汽系統(tǒng)和疏水系統(tǒng)兩部分。圖5為MSR流程圖。

圖5 MSR流程圖

3.1 加熱蒸汽系統(tǒng)

MSR設(shè)置有低壓和高壓兩級再熱器。低壓再熱器加熱蒸汽來自高壓缸抽汽，高壓加熱蒸汽來自于主蒸汽。低壓再熱器的加熱蒸汽管道上設(shè)置了氣動逆止閥、隔離閥以及流量測量裝置。高壓再熱器的加熱蒸汽管道上設(shè)置有氣動隔離閥，用來隔離主蒸汽；溫度控制調(diào)節(jié)閥組即預(yù)熱閥、2臺氣動調(diào)節(jié)閥、旁路閥，用來調(diào)節(jié)蒸汽出口的循環(huán)蒸汽溫度。

3.2 疏水系統(tǒng)

每臺MSR均有一個獨(dú)立的疏水系統(tǒng)，包括三個部分：殼體疏水系統(tǒng)、低壓再熱器疏水系統(tǒng)和高壓再熱器疏水系統(tǒng)。MSR殼體疏水被排至MS疏水箱，并經(jīng)疏水泵輸送至除氧器[3]。在機(jī)組剛啟動、低負(fù)荷以及緊急情況時，MSR所有疏水都排至凝汽器。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，每個疏水箱在本體或再熱器之間都設(shè)置有平衡管。

4 MSR設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

4.1 雙管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型百萬千瓦核電機(jī)組MSR采用兩級加熱，即分別利用主蒸汽和高壓缸抽汽來加熱循環(huán)蒸汽。根據(jù)以往電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，單級加熱可提高約2%的機(jī)組運(yùn)行效率，而兩級加熱則可以在單級加熱基礎(chǔ)上再提升0.5%的運(yùn)行效率[4]。

再熱器設(shè)計(jì)采用高壓、低壓兩級雙管束結(jié)構(gòu)形式，大大簡化加熱蒸汽系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)及設(shè)備的配置。管束側(cè)板上設(shè)置滑輪，可沿導(dǎo)軌滑動，既方便再熱器管束從殼體內(nèi)抽取和插入，又能有效適應(yīng)再熱器受熱產(chǎn)生的熱膨脹。

4.2 四流程再熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加熱蒸汽在再熱器管束中的流動共分為四個流程(見圖6)。取管束一部分換熱管作為1流程入口，1流程通入加熱蒸汽流過2流程凝結(jié)后流出。由于2流程中還有充足的過量蒸汽，不會發(fā)生蒸汽全部凝結(jié)而出現(xiàn)過冷的現(xiàn)象。2流程流出的凝結(jié)水通過管道排出再熱器，未凝結(jié)的加熱蒸汽則流入3、4流程繼續(xù)凝結(jié)放熱，最后從4流程中排出流向高壓加熱器。

圖6 再熱器管束四流程示意圖

再熱器管束采用四流程設(shè)計(jì)，對再熱器管束中不同排的換熱管進(jìn)行流量分配，保證換熱管內(nèi)有過量的加熱蒸汽，避免管束出現(xiàn)疏水過冷現(xiàn)象，確保再熱器安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 雙鉤分離板設(shè)計(jì)

汽水分離器利用重力、慣性力、離心力、附著力等來實(shí)現(xiàn)汽水分離過程，目前廣泛采用的是帶鉤波形板的汽水分離器。通過對雙鉤汽水分離板進(jìn)行流動阻力數(shù)值模擬及試驗(yàn)分析表明，雙鉤汽水分離板具有更小的阻力損失及更高的汽水分離效率(見圖7)。雙鉤汽水分離板可通過多次改變波紋板間汽流的方向，利用液滴與蒸汽的不同慣性把液滴從汽流中分離出來，并被波紋板上的多道擋水鉤收集匯流至疏水裝置。

圖7 雙鉤分離板分離性能數(shù)值模擬

4.4 高效的換熱設(shè)計(jì)

熱力計(jì)算的準(zhǔn)確性對保證再熱器性能具有十分重要的意義。熱力性能的主要依據(jù)是計(jì)算加熱蒸汽入口飽和溫度和循環(huán)蒸汽出口溫度之差，即端差。通過自主開發(fā)的熱力計(jì)算程序計(jì)算，可準(zhǔn)確地獲得蒸汽進(jìn)出口端差。通過對再熱器管束設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終算得高、低壓再熱器溫度端差約為8 K，傳熱性能高效，完全滿足機(jī)組的熱平衡條件(見圖8)。

圖8 MSR熱力參數(shù)

4.5 蒸汽流通區(qū)域設(shè)計(jì)

采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，對MSR蒸汽流動分配結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析(見圖9)，使流場分布更加均勻，降低了壓力損失。同時，在蒸汽流向變化位置設(shè)置了導(dǎo)流板，減小蒸汽的局部壓力損失。在蒸汽流動損失較大的再熱器管束區(qū)域，對管束布管形式進(jìn)行合理優(yōu)化，增大蒸汽流動的橫截面積，以達(dá)到降低蒸汽流速的目的。通過上述對循環(huán)蒸汽通道的優(yōu)化措施，保證了循環(huán)蒸汽流過MSR的壓力損失不大于37 kPa。

圖9 蒸汽流通優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.6 管束柔性支撐設(shè)計(jì)

MSR管束側(cè)板包括多個分板體，每兩個分板體之間留有齒形縫隙。該分板體外側(cè)焊接封板，以防止蒸汽溢出，封板經(jīng)連接鈕與另一分板體相連，結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 可自由伸縮側(cè)板設(shè)計(jì)

兩塊分板體之間通過自由伸縮來吸收管束的熱膨脹位移，避免管束熱變形破壞的發(fā)生。這種“柔性”的連接方式可以使管束側(cè)板在機(jī)組啟停或惡劣工況下吸收管束的熱膨脹，從而使再熱器管束不發(fā)生熱變形損壞。

4.7 防水蝕設(shè)計(jì)

MSR的蒸汽入口、蒸汽分配板等部件位置處于汽液兩相流的工況狀態(tài)，沖刷腐蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，為此采取以下主要措施預(yù)防濕蒸汽對MSR的沖刷腐蝕：

(1) 冷再熱管道采用不銹鋼材料。

(2) MSR進(jìn)口接管采用耐腐蝕的合金鋼材料。

(3) MSR殼體暴露在濕蒸汽的區(qū)域堆焊不銹鋼襯板進(jìn)行防護(hù)。

(4) 汽水分離器的分離元件、流量分配器、支撐結(jié)構(gòu)和疏水收集槽等與濕蒸汽接觸的部件采用不銹鋼材料。

(5) 第一級再熱器蒸汽室封頭內(nèi)堆焊不銹鋼襯板。

(6) 再熱器管束材料采用TP439鐵素體不銹鋼翅片管。

4.8 支座熱膨脹分析

MSR支座由1個固定支座和3個滑動支座組成。在設(shè)計(jì)支座時，既需要考慮殼體熱膨脹位移，同時還應(yīng)滿足設(shè)備運(yùn)行時筒體因上部溫度高、下部溫度低而呈現(xiàn)出“拱形”變形的要求。通過數(shù)值方法可以很好地計(jì)算出熱膨脹大小，見圖11。

圖11 有限元方法計(jì)算熱位移

因此，在支座熱膨脹方向上留有適當(dāng)?shù)呐蛎涢g隙，使支座能夠在此空間內(nèi)自由膨脹。在固定支座底板外側(cè)設(shè)置有固定塊，限制支座軸向、側(cè)向位移。由于中間兩支座均不采用地腳螺栓固定，可以使支座在豎直方向有一定抬升空間，以滿足因筒體中部“上拱”而發(fā)生的支座上抬要求。

5 結(jié)語

MSR是核電站常規(guī)島系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其設(shè)計(jì)、制造難度都比較大。通過新型百萬千瓦機(jī)組MSR的自主化研制，已經(jīng)成功掌握大型雙管束、四流程MSR設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)，使得國產(chǎn)MSR的可靠性和經(jīng)濟(jì)性都有了很大程度的提高；但由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，在諸如汽水分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)、國產(chǎn)材料的替代選用等方面，還有待設(shè)計(jì)人員去進(jìn)一步地深入研究。