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某AP1000核电站汽水分离再热器设计特点分析

作者: 浏览数: 关键词: 核电站 汽水 分离 分析 设计

摘 要:汽水分离再热器(Moisture Separator Reheaters,MSR)是压水堆核电站二回路的重要组成设备,其安全稳定运行对核电站的安全运行至关重要,同时其再热器端差等性能参数对机组的经济性影响亦较大。为此,首先对MSR的功能及其技术发展进行了阐述,进而对AP1000 MSR的总体结构及翅片管的强化传热、扫汽管束的应用、节流孔板配汽的应用、低压缸入口蒸汽温度控制特性等设计特点进行研究。通过对AP1000 MSR先进设计技术的引进、消化、吸收,从而促进自主创新技术的研发和应用。

关键词:AP1000核电站 汽水分离再热器 MSR 设计特点

中图分类号:TL353 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)12(a)-0119-02

压水堆核电站蒸汽发生器产生的饱和蒸汽,其压力通常为5~7 kPa,湿度为0.25%~0.4%。新蒸汽在高压缸做功后,高压缸末级的排汽湿度通常可达12%~14%,如不采取措施直接送至低压缸做功蒸汽湿度高达20%~25%,这种过高的湿度将对汽轮机低压缸末级叶片产生严重的侵蚀,大大降低了低压缸的循环热效率,严重缩短汽轮机的寿命。为此,在汽轮机高压缸和低压缸之间设置MSR装置,去除高压缸排汽的水分并具有一定的过热度,从而使低压缸排汽湿度达到可接受的水平。此外,汽水分离再热系统还起到合理分配低压缸负荷,减轻高压缸负载的功能[1]。由此可见,MSR对核电汽轮机的经济性与可靠性具有重要的意义。同时,由于目前在建主力堆型(二代改进型和三代堆型)的MSR没有自主设计产权又缺少运行经验,已运行的MSR经常出现不稳定性等问题。因此,对先进的三代堆型AP1000核电MSR设计特点的研究非常必要。

1 MSR的功能及其技术发展

1.1 MSR的功能

MSR的主要功能是提高汽轮机低压缸的排汽干度,提高机组的热经济性。常规火电高压缸排气经锅炉中再热器再热后,进入中低压缸做功,排汽湿度为10%左右。核电机组非再热循环中,高压缸排汽经经汽水分离可得到接近饱和的蒸汽,该蒸汽送入低压缸膨胀做功,再利用汽轮机通流部分的去湿装置去湿,排汽湿度一般为15%~20%,可提高循环热效率1.5%~2%。核电机组再热循环中,汽水分离后的接近饱和的蒸汽经温度较高的高压缸抽汽和新蒸汽加热到具有80℃左右过热度的蒸汽,进入低压缸做功后,排汽湿度可接近火电机组的水平。由于采用高温蒸汽加热低温蒸汽,会降低循环热效率,但总体上循环热效率还是提高的。与非再热循环相比,对于单机再热提高循环热效率1.5%~2%,二级再热提高循环热效率1.8%~2.5%[2]。经济性的提高程度取决于MSR汽水分离后蒸汽干度、再热器端差及蒸汽通过MSR的压损等因素。

1.2 MSR的技术发展

MSR是伴随着核电站的建设而出现的,并随着核电的发展而发展。从1964年美国西屋公司制造的第一台MSR开始,汽水分离器形式经历了丝网式、旋风式、波板式,再热器形式也由一级发展为二级,布置形式经历了卧式、立式,百万千瓦级机组也由布置多台减少至现在的2台。

目前,世界上有成熟运行经验的MSR主要有二级再热卧式和单级再热立式两周布置形式。国内引进的三代核电技术中,EPR技术采用法国阿尔斯通的二级再热立式MSR,AP1000技术则采用日本三菱的二级卧式MSR。

2 AP1000 MSR的设计特点

2.1 AP1000 MSR的总体结构

AP1000 每台机组有2台MSR,分别布置于运转层平台汽轮机的两侧。其主要由壳体、汽水分离器、两级再热器组成。

MSR壳体为两端焊接成球形封头的水平圆柱形外壳,壳体材料为碳钢,内衬不锈钢。

汽水分离器由一系列人字形波纹板组成,布置在筒体下方。湿蒸汽从壳体底部的进口喷嘴进入到MSR壳体,向半圆形的冲击板进一步流动至分配蒸汽的歧管托板。当分配的湿蒸汽流至人字形分离叶片,疏水通过汽水分离器下边的疏水口至MSR疏水箱,接近干蒸汽的蒸汽则向上流过再热器管束。再热管束进口蒸汽湿度达到0.25%以下。

2级再热器—由2组一级再热管束和2组二级再热管束组成加热循环蒸汽。每个再热器为焊接在管板上得带有肋板和加热管的U型管束。一级加热蒸汽由高压缸抽汽提供,二级加热蒸汽由主蒸汽提供,再热蒸汽通过MSR顶部的出口喷嘴送至汽轮机低压缸。

2.2 AP1000 MSR设计改进

早期的MSR的设计基本是从凝汽器和加热器技术套用过来的,因而出现的事故也较多。随着汽液两相流理论的发展及技术的逐渐进步,同时由于进行了大量的试验研究工作,MSR的设计出现了许多先进技术。AP1000 汽水分离再热系统亦是吸收了这些先进技术,同时融入自己的设计特点,从而使其经济性和可靠性得到较大的提高。

(1)翅片管的强化传热。

在换热器翅片管壁厚较小的情况下,换热器稳定运行时换热过程可由下式计算:

(1)

式中:Q为总换热量,W;Tin管内流体温度,K;管外流体温度K;为管内传热面积,m2;为管外总的传热面积,m2;为管内对流传热系数,;为管外对流传热系数,;为管壁材质的导热系数,;为翅片厚度,m;为翅面总效率。令:

(2)

则,K即为总的传热系数。由此可见,增加翅片后,总得传热系数K由于管外总换热面积的增大而增大。因此,AP1000 MSR的一、二级再热器亦采用翅片管以强化传热。

(2)“扫汽管束”的应用。

从传热学角度,由于外侧U型管束传热量大于内侧管束传热量,假设管内流量相同的情况下,外侧管束出口端尤其是下半部分将出现液状流、弹状流和塞状流的“阻塞”现象。另外,U由于型管的进出口压差,过冷的凝结水被推出管外,此时,高温蒸汽亦达到管板处。如此,管壁温度交替变化,在管板焊接处也产生交变温度,引起膨胀和收缩,导致应力集中,最终产生裂纹甚至开裂。

为了避免该现象的发生,采用在管内不完全凝结的方法来获得稳定的凝结水排放。用未冷凝的蒸汽来消除管内凝结水,这部分未凝结的少量蒸汽称为“扫汽蒸汽”。将再热器管束分成两部分:一部分称为主管束;另一部分称为“扫汽管束”。使主管束出口段保持一定的蒸汽量,一般为25%~30%,这部分蒸汽进入扫汽管束继续凝结放热,使扫汽管束出口维持8%~12%的蒸汽量。但对总的加热蒸汽来说,只占2%~3%左右,热损失较小,却保证了设备的可靠性。

(3)节流孔板配汽的应用。

在不采取措施的情况下,由于再热器传热和水动力不均而导致U型管束产生热偏差,进而导致前述的U型管束外侧下半部分出现的“阻塞”现象。由于工作蒸汽首先接触的是U型管束的下半部分,其传热温差最大,然后向上流动进行热交换,但是由于传热温差逐渐变小,所以管束外侧的热负荷要比管束内侧大,通常为2倍左右。因此,造成再热器U型管束传热不均。此外,由于U型管长度不一样,外侧比内侧长,会引起水力不均。但U型管的进出口汽室相同,管束外侧和内侧压差是相等的,因而管束外侧的流量小于内侧,这样又加剧了外侧管束的过冷“阻塞”现象,在低负荷是更加严重。

为此,采用在管板上即传热管进口处加装不同孔径的节流孔板,以分配传热管的流量,与其热负荷相适应。加装节流孔板后,阻力的大小为管道阻力与节流孔板阻力之和,节流孔板孔径的大小根据各排传热管的热负荷决定。热负荷大的管排孔径较大,阻力小,其加热蒸汽分配的流量也多,反之亦然,从而有效降低了管束的热偏差。

(4)低压缸入口蒸汽温度控制特性。

在MSR的二级加热蒸汽管道上布置了隔离阀,气动控制阀和旁路阀。主蒸汽压力是随电厂负荷的增加而降低的,气动控制阀可根据MSR的运行方式调节进入二级加热管线的蒸汽的压力,来控制再热蒸汽的压力和温度,以防止进入低压缸的再热蒸汽产生过大的温度变化。在MSR的一级加热管道上布置了隔离阀和气动逆止阀以防止疏水倒流闪蒸而引起汽机超速。

冷启动时,在凝汽器真空建立和汽轮机复位后,二级MSR预暖阀在汽轮机复位后打开,少量蒸汽被引入MSR用来加热MSR和吹扫不凝结气体。在大于35%负荷时,二级MSR加热蒸汽控制阀逐步打开,用来控制汽轮机低压缸入口蒸汽温度。在50%负荷时温度控制结束,控制阀全开。温度控制结束后,控制阀的电动旁路阀打开,以减少加热蒸汽管线的摩擦损失,提高汽轮机低压缸入口蒸汽温度。

3 结语

近年来,随着核电站的发展,三代堆型逐渐铺开并取代二代改进型,MSR的设计技术有了长足的发展。目前,国内东方电气、哈尔滨电气和上海辅机厂等公司具有百万千瓦级核电站MSR制造业绩,但尚无自主设计权,其关键部件如汽水分离器尚依赖进口,同时又缺少运行经验。而国外一些公司和厂家对MSR积累了许多设计、制造、安装、运行和材料选择等方面的经验。为此,该文首先阐述了MSR的功能及其技术发展,进而对AP1000 MSR的总体结构及翅片管的强化传热、扫汽管束的应用、节流孔板配汽的应用、低压缸入口蒸汽温度控制特性等设计特点进行研究。通过吸收和借鉴AP1000 MSR先进的设计技术,从而促进自主创新技术的研发和应用,推动我国核电事业的完善和发展。

参考文献

[1]黄悉然.核电机组汽水分离再热器的发展[J].动力工程,1987(2):28-35.

[2]曲东平.核电汽水分离再热器管束设计研究[J].电站辅机,2000(3):21-27.

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