海陽(yáng)核電汽水分離再熱器的技術(shù)特點(diǎn)

羅吉江

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116）

0 概 述

海陽(yáng)核電是我國(guó)引進(jìn)第三代核電技術(shù)后自主化的依托項(xiàng)目之一。按規(guī)劃要建成6臺(tái)1 000MW級(jí)核電機(jī)組；一期工程中，采用美國(guó)AP1000核電技術(shù)，建造2臺(tái)第三代核電機(jī)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(dòng)的設(shè)計(jì)理念。機(jī)組的設(shè)計(jì)電功率為1 250MW，設(shè)計(jì)壽命為60年。汽水分離再熱器是壓水堆核電汽輪機(jī)必不可少的設(shè)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(jiǎn)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(jié)構(gòu)，如圖1所示。以圖1中的MSR為例，當(dāng)濕蒸汽進(jìn)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(jìn)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(guò)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(jí)再熱器的加熱后，最終成為過(guò)熱蒸汽，再進(jìn)入汽輪機(jī)的低壓缸作功。再熱器實(shí)質(zhì)就是汽－汽熱交換器，利用加熱蒸汽在換熱管內(nèi)凝結(jié)時(shí)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(jié)構(gòu)圖

汽水分離再熱器系統(tǒng)的主要作用：

（1）對(duì)高壓缸的排汽進(jìn)行除濕，并加熱到過(guò)熱狀態(tài)，從而減少對(duì)汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)葉片的沖蝕，確保了機(jī)組的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

（2）可提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。設(shè)置有兩級(jí)再熱器的汽水分離再熱器，可提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性1.8%～2.5%。

（3）回收汽水分離和再熱過(guò)程中產(chǎn)生的疏水。

2 汽水分離再熱器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

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

（2）采用高效的分離器葉片。海陽(yáng)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(dá)98%。

（3）MSR的再熱器采用雙流程設(shè)計(jì)，每一級(jí)再熱器為雙管束布置。雙流程設(shè)計(jì)能得到最佳的有效換熱面積，減小放熱蒸汽的流動(dòng)阻力，有效降低凝結(jié)水的過(guò)冷度。

（4）優(yōu)良的水封設(shè)計(jì)。為了便于疏水的導(dǎo)出，同時(shí)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(jié)構(gòu)采用了水封設(shè)計(jì)，如流量分布板疏水、殼側(cè)疏水及底板疏水等。

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

（6）超壓保護(hù)設(shè)計(jì)。MSR的超壓保護(hù)是按系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的，設(shè)置了7個(gè)大安全閥和1個(gè)小安全閥。安全閥的啟動(dòng)壓力設(shè)置為1.15MPa、1.16MPa和1.18MPa三個(gè)動(dòng)作壓力，其中7個(gè)大安全閥用于超壓保護(hù)，小安全閥用于MSV和RSV關(guān)閉時(shí)的超壓動(dòng)作，從而保證MSR的熱膨脹在可接受的范圍內(nèi)。

（7）為兩級(jí)再熱器設(shè)計(jì)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(dòng)，從根本上消除了管束因熱變形和交變熱應(yīng)力造成的管端部分發(fā)生裂紋的現(xiàn)象。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

MSR的設(shè)計(jì)參數(shù)：

再熱蒸汽進(jìn)口溫度178.6℃；

出口溫度 25 7 .0℃；

再熱器數(shù)量 2 級(jí) ；

分離器 分離效率 98 %（入口處蒸汽質(zhì)量為88.5%）。

一級(jí)再熱器：

再熱器數(shù)量／臺(tái) 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(tái)MSR 756×2根；

換熱管有效長(zhǎng)度 10 000mm；

端差 10 . 5℃。

二級(jí)再熱器：

再熱器數(shù)量／臺(tái) 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(tái)MSR 667×2根；

換熱管有效長(zhǎng)度 10 000mm；

端差 10 . 6℃。

3 汽水分離再熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

海陽(yáng)核電汽水分離再熱器為表面加熱式、一級(jí)分離、兩級(jí)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(jí)再熱器；采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 MSR殼體

MSR的殼體由封頭和臥式筒體焊接而成，全長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)、出口接管、筒體人孔接管、殼側(cè)疏水出口接管、安全閥接管等。在殼體內(nèi)壁分布了加強(qiáng)板、墊板等數(shù)量較多的內(nèi)部構(gòu)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(jìn)汽口接管布置在殼體的底部，出汽口布置在殼體上部，進(jìn)、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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和制造，筒體外殼有2個(gè)支座，1個(gè)支座固定，另1個(gè)支座可以移動(dòng)，以適應(yīng)MSR的熱膨脹位移。

MSR的安全閥共布置8個(gè)。在A側(cè)，設(shè)置了4大1小5臺(tái)安全閥。在B側(cè)，設(shè)置3臺(tái)安全閥。安全閥型式為帶先導(dǎo)閥的機(jī)械式安全閥。

3.2 汽水分離器

海陽(yáng)核電汽水分離器采用了技術(shù)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)，不會(huì)互相疊壓，這種方式有利于生產(chǎn)制造和日常維護(hù)。

圖2 V形波紋板

3.3 再熱器

兩級(jí)再熱器為雙流程、鰭片管表面式換熱器。由2個(gè)一級(jí)再熱器管束和2個(gè)二級(jí)再熱器管束組成，再熱器的結(jié)構(gòu)與高壓加熱器的結(jié)構(gòu)相類似，有1個(gè)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(jié)合的方式。

一級(jí)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(jí)再熱器的管束為剛性管束，管束長(zhǎng)度為10.5m。二級(jí)再熱器為可抽出式，便于檢修。二級(jí)再熱器管束長(zhǎng)度為13m。

一、二級(jí)再熱器管子與管板連接采用脹接結(jié)構(gòu)，利用了多段重疊的機(jī)械脹接技術(shù)。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(jí)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(yáng)核電汽輪機(jī)配置了2臺(tái)汽水分離再熱器，分別布置在16m運(yùn)轉(zhuǎn)層汽輪機(jī)高壓缸兩側(cè)。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(jìn)入汽水分離再熱器后，經(jīng)汽水分離再依次進(jìn)入一級(jí)再熱器和二級(jí)再熱器進(jìn)行再熱。

第一級(jí)再熱器的加熱蒸汽來(lái)自高壓缸第三級(jí)后的抽汽，加熱蒸汽經(jīng)過(guò)安裝在抽汽母管上的抽汽逆止門(mén)后，再分為兩路分別進(jìn)入A、B汽水分離再熱器，在各分支管路上安裝了手動(dòng)閥，以便于切除汽水分離再熱器；第一級(jí)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(jí)再熱器的加熱汽源為新蒸汽，取自主蒸汽母管。為便于二級(jí)再熱器的投運(yùn)和控制低壓缸的進(jìn)汽溫度，在各汽水分離再熱器的進(jìn)汽管線上設(shè)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(jìn)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(jí)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(jí)再熱器出口溫度，在每臺(tái)MSR進(jìn)汽母管上安裝有節(jié)流孔板式流量測(cè)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(jié)氣體抽出，確保再熱器的換熱效率。保證進(jìn)入每個(gè)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(jié)水帶出，避免凝結(jié)水的過(guò)冷，并可減小水阻和防止管束振動(dòng)。

圖3 MSR系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

為便于控制MSR的排氣，對(duì)MSR的一級(jí)再熱器和二級(jí)再熱器設(shè)置不同的排氣管線。根據(jù)不同工況，將一級(jí)再熱器排氣分別排至凝汽器和除氧器；二級(jí)再熱器則分別排至凝汽器和7號(hào)高加。一級(jí)再熱器排氣節(jié)流孔板的旁路閥為手動(dòng)閥，而二級(jí)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(kāi)度大小。當(dāng)MSR冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，在汽輪機(jī)復(fù)位后，將二級(jí)再熱器排氣節(jié)流孔板的旁路閥打開(kāi)。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于35%時(shí)，開(kāi)始逐漸關(guān)小旁路閥，在負(fù)荷大于90%時(shí)，應(yīng)將該閥關(guān)閉。

4.3 疏水部分

為確保MSR系統(tǒng)疏水的可靠性，對(duì)MSR殼體疏水、一級(jí)再熱器疏水及二級(jí)再熱器疏水均設(shè)置了相互獨(dú)立的疏水系統(tǒng)。每臺(tái)MSR系統(tǒng)有1個(gè)MS疏水箱、2個(gè)一級(jí)再熱器疏水箱和2個(gè)二級(jí)再熱器疏水箱。

每臺(tái)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(jìn)入低壓缸的蒸汽）帶水，同時(shí)為防止汽輪機(jī)超速，在正常運(yùn)行時(shí)，MSR殼體是無(wú)水位運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行時(shí)，MS疏水箱的疏水經(jīng)疏水泵輸送至除氧器，啟動(dòng)初期經(jīng)疏水泵輸送至汽輪機(jī)排污箱，事故情況下可經(jīng)緊急疏水閥排至凝汽器。

每臺(tái)MSR的一、二級(jí)再熱器均由2臺(tái)加熱器組成，每臺(tái)加熱器的疏水流至其相應(yīng)的疏水箱。正常疏水管線兩端的壓差不足于克服靜位差，當(dāng)機(jī)組30%負(fù)荷時(shí)，前一級(jí)再熱器疏水箱疏水排至汽輪機(jī)排污箱，大于30%負(fù)荷時(shí)切至凝汽器，50%負(fù)荷時(shí)切至7號(hào)高壓加熱器；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷小于35%時(shí)，二級(jí)再熱器疏水箱的疏水排至汽輪機(jī)排污箱，大于35%負(fù)荷時(shí)切至凝汽器，50%負(fù)荷時(shí)切至7號(hào)高壓加熱器。

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

5 汽水分離再熱器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的注意事項(xiàng)

5.1 啟動(dòng)狀態(tài)的劃分和投退原則

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

一級(jí)再熱器的加熱汽源取自高壓缸抽汽，是不進(jìn)行調(diào)節(jié)的，其溫度隨主蒸汽循環(huán)的溫度而變化；二級(jí)再熱器的加熱蒸汽為主蒸汽，進(jìn)汽量根據(jù)低壓缸的進(jìn)汽溫度而定，由MSR二級(jí)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(yùn)時(shí)應(yīng)先投入一級(jí)加熱器，再投入二級(jí)加熱器；退出時(shí)應(yīng)先退出一級(jí)加熱器，再隔離二級(jí)加熱器。

5.2 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的注意事項(xiàng)

（1）在機(jī)組負(fù)荷達(dá)到10%以前，汽輪機(jī)低壓缸的進(jìn)口溫度應(yīng)低于204℃。

（2）汽輪機(jī)低壓缸的進(jìn)口溫度最大的瞬時(shí)變化為28℃。

（3）汽輪機(jī)低壓缸的進(jìn)口溫度最大允許緩變率為56℃／h。

（4）在冷態(tài)啟動(dòng)中，達(dá)到投運(yùn)MSR二級(jí)再熱器所規(guī)定的負(fù)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(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)前進(jìn)行充分的抽氣、預(yù)暖。

（7）在汽輪機(jī)甩負(fù)荷后，為了盡早再次啟動(dòng)汽輪機(jī)和MSR，高壓管束一般應(yīng)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(jī)和MSR必須待低壓缸進(jìn)口金屬溫度低于150℃后，才允許重新按冷態(tài)啟動(dòng)方式啟動(dòng)。

5.3 再熱器退出運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）MSR一級(jí)再熱器的退出運(yùn)行

MSR一級(jí)再熱器的退出，對(duì)汽輪機(jī)負(fù)荷和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間沒(méi)有限制。在機(jī)組兩側(cè)的MSR一級(jí)再熱器可以單獨(dú)隔離，也可以同時(shí)隔離，可通過(guò)關(guān)閉進(jìn)汽手動(dòng)閥，對(duì)MSR的一級(jí)再熱器進(jìn)行隔離。任何一列或兩列MSR的一級(jí)再熱器均可退出運(yùn)行，機(jī)組仍可在額定負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行，而無(wú)需另一側(cè)再熱器的配合運(yùn)行。

（2）MSR二級(jí)再熱器的退出運(yùn)行

當(dāng)機(jī)組兩側(cè)的MSR二級(jí)再熱器必須同時(shí)隔離時(shí)，為保證汽輪機(jī)低壓缸兩側(cè)進(jìn)氣口的溫度相同，任一列MSR二級(jí)再熱器退出運(yùn)行，則另一列MSR二級(jí)再熱器必須退出運(yùn)行。當(dāng)二級(jí)再熱器需長(zhǎng)時(shí)間（超過(guò)2周）隔離時(shí)，機(jī)組的負(fù)荷應(yīng)降到65%額定負(fù)荷以下運(yùn)行。

MSR一、二級(jí)再熱器均退出運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行要求與MSR二級(jí)再熱器退出時(shí)的運(yùn)行要求相同。

6 結(jié) 語(yǔ)

汽水分離再熱器是壓水堆核電站至關(guān)重要的大型設(shè)備，海陽(yáng)核電采用的汽水分離再熱器已是較成熟的設(shè)備，具有很好的運(yùn)行業(yè)績(jī)。我國(guó)已成功掌握了百萬(wàn)千瓦級(jí)三代核電常規(guī)島MSR制造的關(guān)鍵技術(shù)，但仍需加強(qiáng)對(duì)MSR汽水分離器的深化設(shè)計(jì)，對(duì)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(wèn)題，與國(guó)外技術(shù)相比，還存在一定的差距，需要進(jìn)行深入的研究，以提高國(guó)產(chǎn)MSR的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。